基于DSP和FPGA的多電機控制平臺系統的設計

王京

（中船重工第七二三研究所，江蘇 揚州 450015）

0 引言

近年來，計算機、電力電子及電機等技術發展勢頭迅猛，航空、工業和軍事等行業中開始大規模運用永磁同步電動機。對比傳統交流變頻電動機，永磁同步電動機具有明顯優勢，不僅裝配及加工操作方便，擁有良好的節能效果、較強的可靠性和簡化的結構系統，還省略了電刷、電刷的安裝操作，所以應用范圍極廣。圓形/六邊形磁鏈是控制普通永磁同步電機的主體，具有磁鏈異變和較大轉矩脈動的問題，干擾控制系統功能的正常運行。鑒于此，本研究在聯合FPGA、DSP的基礎上，對永磁同步電機直接轉矩控制系統開展了分析。

1 控制平臺的結構和功能

在多電機速度伺服系統中的結構設計一般情況下包括：控制平臺1個，以及驅動器2個，BLDCM2臺，如圖1所示。

圖1 多電機速度伺服系統的結構

在平臺設計過程中，以浮點DSP－TMS320VC33以及成本較低的FPGA－EP2C8為主要基礎內容，一般情況下在平臺設計過下需要完成以下幾個功能：①對傳達的速度指令進行接收；②對速度環計算進行實施，并完成；③對電流環計算進行實施，并完成；④PWM控制信號在此產生；⑤對產生的速度檢測值進行獲取；⑥對產生的電流檢測值進行獲取。浮點DSP適用于對控制算法的實現過程，FPGA擅長對時序電路以及邏輯電路工作進行完成。因而，主控制器使用DSP，完成1-3中的各項功能，主控制器FPGA主要針對4-6的功能進行完成。在DSP和FPGA交流過程中所產生的數據主要有：電機速度檢測值的采取、電流檢測數值、電流環計算所得值。

2 DSP和FPGA的接口設計

在本文中所采用的DSP是TMS320F28335，與TMS320 F2812相比，更加具有較大的浮點計算能力。所采用的EP1C3T144C6（FPGA）成本較低，編程程序簡單，引腳較多，包括10320個邏輯單元、92個使用者IO，46個乘法器和2個PLL（鎖相環）。可以利用DSP中捕捉單元對DSP和FPGA重要接口進行設計，這樣不僅可以方便接收電機的反饋信號，反饋所得信號可以將使用電機的轉子速度以及位置進行計算。霍爾傳感器通過DSP將模擬的信號轉成數字信號，實現對電流以及電壓的計算。DSP利用脈沖信號將計算出來的結果傳送給FPGA。UFO，VFO，WFO，FO信號通過FPGA發出后，對PWM脈沖信號進行運行和停止判斷。依據FPGA所承受的各種系統功能以及其特點，對系統中的軟件部分分成DSP軟件部分和FPGA軟件兩部分，在DSP軟件部分中主要包括了對電機主要程序的設計、系統中斷處理程序的設計、ADC轉換程序設計、控制算法程序設計、控制算法程序設計、FPGA按鍵軟件設計等。

2.1 主程序設計

對主程序設計過程中為了杜絕設計過程中被中斷，首先關閉全部程序自動中斷功能，隨后對各種接口以及系統中的各種變量進行初始化，當完成初始化工作后，為了可以保護對外部的中斷過程中，鎖定電機轉子過程中的位置，利用PWM控制器進行有效中斷，CPU在等待過程中會自動跳轉。

2.2 中斷處理程序設計

在實現中斷處理程序過程中檢測程序以及控制算法部分得以實現，一旦發生中斷情況，DSP通過向量表檢測出中斷位置，然后進行處理。為了有效保護電路，在本文中設計的電路中斷處理程序，高電平作為告警中斷的引腳，一旦有告警信號發出，中斷引腳自會對中斷進行處理，通過FPGA使PWM脈沖得以輸出。

2.3 ADC轉換程序設計

在本文中對ADC模塊設計時，主要是通過初始化函數以及讀取函數得以完成，初始化函數設置主要針對模塊中的存儲器進行設置；讀取函數主要是獲取電流傳感中的數值，利用A/D轉變后發送給DSP進行相關處置。

2.4 控制算法程序設計

利用空間矢量脈寬調制程序（SVPWM）進行控制策略的實現，SVPWM通過三相逆變器的三種通斷模式，構成的磁鏈矢量在物理空間上呈現近似圓形的狀態。扇區細分控制程序首先要進行磁鏈區段的確定，而后依照區段號進行電壓矢量的確認，然后進行6個IGBT通斷狀況的計算。因為DSP的事件管理器模塊能夠便捷地進行PWM脈沖信號的輸出，因此，僅僅依照占空比進行模塊中對應的寄存器的配置，從而使DSP的PWM接口發出六路PWM脈沖信號。

2.5 FPGA按鍵軟件設計

本研究設計的讀按鍵值主要通過中斷處理程序來獲取，在按鍵處于閉合狀態時，則會向FPGA發送1個中斷信號，然后FPGA便會進行中斷處理，在中斷處理花費的時間高于按鍵自身抖動的時間時，那么按鍵的抖動則不會對程序產生影響。一般狀況下，中斷處理需要的時間遠低于按鍵抖動的時間，從而一次的按鍵往往會造成多次誤讀的嚴重后果，進而引發對此中斷處理。為保障按鍵值讀取的準確性，本研究進行了按鍵抖動去除軟件設計，軟件在進行去抖的過程中，FPGA接收到中斷信號后，中斷處理程序會先進行IS ms的延時，然后進行中斷電平的再次檢測，如果電平依舊是觸發中斷值，那么會認為有鍵按下，從而進行后續操作的執行。

3 仿真結果

依據FPGA的功能設計流程通過在QuartusII 7.0環境中建立了矢量波型文件，以此為激勵對每個模塊中的功能以及時間進行仿真處理。圖2和圖3為PWM速度檢測以及發生模塊過程的仿真結果圖，圖2中M1表示BLDCM1信號，M2表示BLDCM2信號。MxHy表示三相霍爾輸入信號，MxPWMIN是通過DSP發出的電流環計算結果，MxPWMVy表示6路PWM輸出信號。由圖2（a）得知，計算所得的電流環的結果不管是獨立運行還是速度協同運行，通常是由DSP單獨進行確立。由圖2（b）可知，流通時間內生成A/D啟動信號。圖3中，CLK計算數量，HALL代表霍爾注入信號，SPEEDTEMP代表數值計數器，SPEEDOUT計算所得電機速度值。從圖3（a）可知，霍爾信號通過速度檢測模塊進行計量，進而獲得對應的計數值和真實速度。圖3（b）中，HAC、HA－D、HA－A 和 HA－B 順序對HALL信號實行時間延長，如果最后兩個信號的結合 HA－BUF－A 最終等于 2，此時霍爾信號呈現上升延時，生成計數啟動信號START。仿真結果表明，各個功能模塊的功能和時序能夠滿足要求。

圖2 PWM發生模塊的時序仿真結果

圖3 速度檢測模塊的時序仿真結果

4 實驗結果

在速度伺服實驗系統中，對采用的BLDCM的參數設置為：額定電壓200V；額定轉速3000 r/min、額定轉矩1.6N·m；極對數 3；轉子轉動慣量 2.79×10－4kg·m2；相電阻1.54Ω；相繞組自感6.5mH；相繞組互感 0.62 mH。BLDCM的繞組為星型連接，通過兩相連接三相六狀態的工作模式，采用開關型霍爾元件A3144進行檢測換相以及速度。A/D選用14位、4通道同時采樣、并行輸出的AD7865AS－2。對2臺BLDCM進行同步控制的實驗結果中 BLDCM1的速度是 2 500r/min，BLDCM2以 2800r/min的速度跟隨運行。同時對2臺BLDCM進行獨立控制的實驗結果中BLDCM1的速度在 2500r/min和－2150r/min之間交替變化；BLDCM2的速度在－2200r/min和 1800r/min之間交替變化。

5 結論

結合仿真實驗，可以得出結論：本課題所設計的永磁同步電動機直接轉矩控制策略（呈扇區細分）具有非常顯著的優勢。通過對永磁同步電機控制系統平臺進行構建，借助軟件硬件聯調的方式，能夠進一步驗證上述策略具有較高的可行性。

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