永磁同步電機最大轉矩電流比控制的FPGA設計與實現

申彥壘 黎敦科 于雪鋒

摘要：本文提出了一種永磁同步電機最大轉矩電流比控制FPGA的設計，以提高電磁轉矩的響應速度、穩態特性以及減小磁鏈脈動，具有良好的動態特性。在數據的處理方面采用自定義的方式對小數運算進行處理，極大的提高系統的精度，同時也兼顧了系統性能的優化和資源的分配。驗證了控制策略具有良好的動態響應、穩態特性、轉矩脈動小，在全速范圍內對永磁同步電機參數的變化具有較強的魯棒性，是一種高性能的交流調速方式。

關鍵詞：最大轉矩電流比；永磁同步電機：FPGA

1永磁同步電機最大轉矩電流比控制原理

永磁同步電機最大轉矩電流比控制原理結構圖，如圖1所示，整個系統主要包括：滑模速度控制器、最大轉矩電流比控制、CLARK變換、PARK變換、PARK逆變換、Pl調節器、SVPWM的產生等諸多模塊。通過一系列的變換以及算法的實現，利用電壓矢量的線性組合，就獲得一系列連續不同的電壓空間矢量，輸出六路PWM波形送到三相電壓型逆變器，通過控制逆變器的通斷，便實現了交流調速的目的[2]。

2永磁同步電機最大轉矩電流比控制的FPGA設計

2.1滑模速度控制（HM）模塊的設計

為了使永磁同步電機交流調速驅動器具有良好的負載轉矩擾動、控制精度、參數攝動，滑模速度控制器通過使用切換控制算法在相平面中沿著預定軌跡強制驅動響應來穩定設定點[3.4]，原理圖如圖2所示。

2.2最大轉矩電流比的設計

在忽略不計鐵心的渦流損耗和磁滯損耗，不計磁路中鐵心的磁通飽和，假設空載電勢是正弦波等條件下建立數學模型[5.6]。

設y為電樞電流空間矢量與直軸位置的相位角，可以得到：

PARK變換及其逆變換都包含三角函數的運算、乘法、加法運算。對小數運算采用自定義的方式進行數據處理。

對于變換中的三角函數運算，采用了CORDIC算法來實現求解正弦函數和余弦函數。其流水線結構，每級迭代運算都有一套運算單元[6]。

PID控制策略就是對電流、電壓、轉速的相關模塊進行有效的調節控制。為提高運算處理速度，采用并行計算方式，包括兩個部分，布斯編碼是將乘數進行重編碼再與被乘相乘，產生部分積；另一部分是實現部分積相加，超前進位加法實現部分積的相加，為防止出現飽和的問題，采用過限消弱積分法[6]。其控制算法如下式表示：

2.4 SVPWM模塊的設計

電壓空間矢量脈沖寬度調制（SVPWM）是從電機的角度出發，把逆變器和電機視為整體，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。通過連續不斷改變逆變器的通與斷模式，使電機的實際磁鏈逼近理想磁鏈圓，通過控制逆變器的通斷，便實現了交流調速的目的[1，4]。

圖3為SVPWM的結構圖，首先判定由PARK逆變換得到矢量電壓所處的扇區；然后確定每個扇區所在電壓矢量的作用時間；再通過時間重構模塊分配各個橋臂的作用時間，最后由得到的重構時間來控制PWM波形各相輸出的占空比和波形[1]。

3永磁同步電機的最大轉矩電流比控制FPGA實現仿真

本設計對數據的處理采用自定義的方式對小數運算進行處理，極大的提高系統的精度，同時也兼顧了系統性能的優化和資源的分配。通過VHDL對系統的設計進行描述，并對各個模塊進行設計、優化、驗證。

永磁同步電機最大轉矩電流比控制的FPGA仿真時序，如圖4所示，其中DEG是經過光電編碼器的解碼電路輸出的PMSM的旋轉角度；K1，K2，K3，K4為MTPA計算常數；N是}旨光電編碼器的解碼電路輸出的PMSM的速度；N_REF為參考速度；la，b是相電流檢測器檢測到的PMSM的兩相電流；相電流檢測器檢測到的相電流進行一系列的坐標變換，并通過PID控制器的調節作用來不斷的改變輸出的六路PWM波形，最終這六路PWM波通過三相電壓型逆變器來調節PMSM的速度和位置。經過PID控制器的調節作用來實時的調節PMSM的速度。

4結論

為滿足永磁同步電機驅動系統電磁轉矩輸出高、抗干擾能力強等特點；利用FPGA器件具有集成度高、設計周期短、對數據并行處理速度快、設計靈活等突出優點，提出了最大轉矩電流比永磁同步電機矢量控制FPGA的設計與實現，提高了永磁同步電機單位電流的電磁轉矩輸出能力，具有很高的工程實用性；實驗仿真表明，該控制在交流電機控制領域里，較好的穩態、動態特性，在調速過程中對電機參數的變化具有較強的魯棒性，是一種高性能的交流調速方式。證明了所提算法的有效性和優越性。

參考文獻

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