基于FPGA的交流永磁同步伺服电动机的磁场定向矢量控制-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 基于 FPGA 的交流永磁同步伺服 电动机的磁场定向矢量控制指 导 教 师 : 2013 年 3 月 15 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3学生写文献综述的参考文献应不少于 15 篇（不包括辞典、手册） 。文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标 GB 771487文后参考文献著录规则 的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如 0201140102） ，不能只写最后 2 位或 1 位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004 年 3 月 15 日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见和所在系意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、 研究背景随着电力电子、计算机及微电子技术的飞速发展，矢量控制技术在高性能交流驱动领域的应用已经越来越广泛。由于矢量控制算法的计算过程比较复杂，另外还要进行速度反馈等运算，因此传统上一般采用 DSP 技术以软件的方式实现，这种方法的优点是比较灵活，但其开发周期比较长，而且占用 CPU 的时间比较多，有时为了提高性能不得不采用双 DSP，这就使得系统整体性价比下降 1。 最近几年兴起了一种全新的设计思想，这就是基于现场可编程门阵列(FPGA)及 EDA 方法学的硬件实现技术。与ASIC 不同的是，FPGA 本身只是标准的单元阵列，没有一般 IC 所具有的功能，但用户可根据自己的需要，通过专门的布局布线工具对其内部进行重新编程，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，同时由于避免了流片的风险和投资，在时间和成本上大大提高了产品的竞争力 2。采用以纯硬件的方式处理，不占用 CPU 的资源，就可以使系统达到很高的性能 3。这种新的设计方法已经应用在高性能的交流驱动控制上，目前基于 FPGA 的交流电机驱动一般采用的做法是，由于位置控制比较灵活，很难做到通用性，所以位置环节一般由 DSP 或 CPU 来完成，速度控制和电流控制具有通用性，而且高性能的速度控制离不开电流控制，因此完全可以把它们集成到一个专用FPGA 芯片中，这样既可以实现速度伺服控制，又可以单独进行电流控制，还可以和几集成 CPU(如 XILINX 的 VETEX 系列)共同构成位置伺服系统，进一步把位置、速度、电流三种算法完全由一片 FPGA 来实现，从而实现真正的片上系统 S0PC，这将成为下一代高性能伺服控制器集成化设计的一个趋势 4。二、 相关技术现状及发展趋势现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断的有技术指标及其苛刻的特殊应用的系统需求 5。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制带来了很多发展的契机。目前，单片机在我国电子系统的设计中已得到广泛的应用，使我国的电子系统智能化水平在广度和深度上发生了质的飞跃。在数字系统中，尽管采用了单片机和存储器，但仍需大量的中、小规模的数字集成电路来进行各种逻辑控制 6。而对于系统构成的设计过程只能对器件功能和电路板图分别进行设计和确定，通过设计板来规划系统功能，花大量时间用于元件的选配和系统结构的可行性分析上 7。这也暴露出基于单片机的数字系统设计上的一个不可逾越的困难。传统的基于单片机软件运算的控制系统，由于学习效率低、速度慢、开发周期长等弱点 8，已越来越不适应现代高性能伺服系统的要求以及时代发展的需要。在需要处理的数据量大，而且实时性和精度又要求高的场合，如采用矢量变换控制的系统，单片机往往不再能满足要求 9。因此人们自然而然地又想到了数字信号处理器(DSP)。近年来，各种集成化的单片 DSP 的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好，价格却大幅度下滑，且具有更高的性能价格比 10。越来越多的单片机用户开始选用 DSP 器件来提高产品性能，DSP 器件取代高档单片机的时机己经成熟采用基于 DSP 的电机专用集成电路，通过复杂的算法达到同样的控制性能，既降低成本，可靠性又高，并且有利于专利技术的保密，还可以降低对传感器等外围器件的要求 11。有时，系统要求的人机交互、打印等控制较多，一个 DSP 不能胜任，这时可采用一个单片机来处理事务，一个 DSP 来处理运算的异型多处理器系统 12。但这样做，既增加了两个处理器之间同步和通信的负担，又使系统实时性变坏，延长系统开发时间。这种情况下，如果把微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力再加上外部各种分立元器件实现的逻辑功能集中于一块芯片上，不但能解决以上的各种问题，还大大减少了控制器的体积和损耗，相应地可靠性也得到了提高 13。这就是电机控制器的集成化研究，与自己开发类似的芯片与 MCU 和 DSP 相比，基于 EDA 技术的 CPLD/FPGA 器件的开发和应用从根本上解决了各类问题。正是由于近年来，大规模可编程逻辑器件以及现代 EDA 技术的飞速发展，使得普通设计人员研究集成化的控制器成为可能 14。而整个开发过程又容易掌握。设计者只需从行为上进行描述。诚然，在某些系统中，MCU 或 DSP 与 CPLD/FPGA 有很强的功能互补性，然而从长远看，随着 EDA 技术的发展、CPLD/FPGA 集成水平的进一步提高以及 IP 核产业进一步扩大，可以预言，在大部分电子设计领域，MCU，MPU ，DSP 或 A/D，D/A 和 RAM 等必将以各种软/固/硬IP 芯核的形式大一统于 CPLD/FPGA15，实现真正的单片系统。 过去实现技术是现代交流伺服驱动器研发的瓶颈。单个微处理器与专用控制芯片(ASIC)一起构成的单芯片实现方案受处理器速度和控制芯片低集成度的限制,性能难以提高。当前,大规模系统集成技术有了飞跃的发展,低成本运动控制专用处理器大量涌现。伺服控制领域内适用于微处理器的基础程序代码和适用于 FPGA 的基础硬件模块内核已经十分完备,可以用来方便地实现设计者的构想 16。实时操作系统的成熟也为大规模集成固件的开发提供了基础。 目前已经有越来越多的 FPGA 应用于电机控制。参考文献：1 周兆勇，李铁才基于矢量控制的高性能交流电机速度伺服控制器的 FPGA 实现J中国电机工程学报，2004，24(5)：1681732 陈伯时，陈敏逊交流调速系统M北京：机械工业出版社，1998 3 Anand Sathyan，Mahesh Krishnamurthy ，Nikola Milivojevic. A Low-Cost Digital Contol Scheme for brushless DC Motor Drives in Domestic ApplicationsCElectric Machines and Drives Conference，Miami，2009：76-82. 4 李永东.交流电机数字控制系统M.北京:机械工业出版社，2002，212,177201. 5 马志源. 电力拖动控制系统M. 北京科学出版社，2004.3 6 辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学M.华中科技大学出版社，2001.27 Xilinx Spartan-3 FPGA Famil:Complete Data Sheet.2004，78 熊健，康勇，张凯等 .电压空间矢量调制与常规 SPWM 的比较研究M.电力电子技术，1999，NO.2,2528 9 孙文焕，程善美 .基于 FPGA 的空间矢量 PWM 的实现M.电气传动，20（6）.2000：21-24 10 R.M.Jalnekar，K.S.Jog.Pulse width modulation techniquesJ. IETE Jourmal os research，vol.46 ，Jun2000 ，175-783.51 11 渐开旺，顾伟，张松勇基于 FPGA 的直流电机调速控制器的设计J 工业控制计算机，2007，20(7)：171812 陈坚交流电机数学模型及调速系统M北京：国防工业出版社, 1989，12817313 Yen-Chuan Chang，Ying-Yu Tzou.Single-chip FPGA Implementation of a Sensorless Speed Control IC for Permanent Magent Sychronous MotorC.Power Electronics Specialists Conference，Orlando，2007:593-598.14 Ngoc Quy Le，Jac Wook Jeon. An Open-loop Stepper Motor Driver Based on FPGAC.Control Automation and Systems，Seoul ，2007:1322-1326.15 孔德杰焊缝跟踪中伺服系统控制器的 FPGA 实现J . 电气传动，2005，35(11) ：4916 许强，贾正春，李朗如.永磁同步电动机数字化电流控制方法J.华中理工大学学报，1997，(2):3946 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：研究以 FPGA 为控制核心借助专用芯片 IRMCK201 实现对交流永磁同步伺服电动机的磁场定向矢量控制和转速控制的控制方法。永磁电机采用永磁体生成电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流，效率高结构简单，是很好的节能电机。永磁同步伺服电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM)，是交流永磁伺服电动机的一种。在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁同步伺服电机，以在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特性，它不再需要外加能量就能在其周围空间建立很强的永久磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。电机调速中电磁转矩是一个关键量，对于 PMSM，转矩是影响电机转速的唯一量。准确的控制电机转矩就可以使电机动态响应很快，并且在有扰动时能快速恢复。矢量控制理论就是基于这个原理，通过对定子电流的控制，来实现对电机转矩的控制。在电机定子侧各个物理量都是交流量，其对应的空间矢量在空间以同步速在旋转。这给计算和控制电机转矩都带来很大困难。针对这个问题很多学者进行了研究，提出了坐标变换的方法，即将定子各个量的计算都转化为静止的量，这样就能很方便的对定子各个物理量进行计算了。矢量控制方法在不同的场合下，可以选择不同的磁场矢量作为定向的坐标轴，主要有四种：转子磁链定向、定子磁链定向、气隙磁链定向和阻尼磁链定向。其中第一种和第三种比较常用。在永磁同步电机中，转子磁链近似恒定，故采用转子磁链定向的方法比较简单。根据永磁同步电机的不同应用场合，可以采用不同的电流矢量控制策略。常用的控制策略：id=0 控制、cos=1 控制、最大转矩控制、恒磁链控制、弱磁控制等等。在低于基速恒转矩运行时，一般采用 id=0 控制，即将钉子电流空间矢量完全控制在 q 轴。国际整流器件公司（IR）针对高性能交流伺服驱动的需求，设计出了基于 FPGA技术的完整的伺服驱动控制解决方案 IRMCK201 芯片。与传统的运动控制专用 DSP 芯片不同的是，IRMCK201 不仅包含运动控制的外围功能，如 PWM、编码计数电路、电流传感接口等，而且也包含通过硬件实现的 FOC 算法和速度控制算法，从而省略了编程任务，简化了高性能交流伺服系统的设计，此外它还适用于不同类型的永磁电机或感应电机，因而有很好的应用前景。IRMCK201 内部逻辑结构如图 1 所示，有 PWM 波、编码器接口、电流传感器接口和 A/D 转换接口等，而且也包含通过硬件实现的 FOC 算法和速度控制算法。q 轴从速度环给定的电流与从电流传感器反馈回的电流 Iq 相比较，差值经电流 PI 后得到电压 Vq，Vq 和 Vd 经 Park 逆变换得到定子坐标系的两相电压 V a 和 V b，然后再经过Clark 逆变换得到三相电压 U/V/W，进而得到六路 PWM 波输出，这就是矢量控制算法的硬件实现。从电流传感器接口(IR2175)得到电流 I v 和 I w 经计算变成三路电流，三路电流经 Clark 变换转换成定子坐标系下的两相电流 I a 和 I b，然后再经 Park 变换转换成转子坐标系的两相电流 Id 和 Iq，分别到电流的 PI 调节器进行运算。一般 d 轴的参考输入电流 id*=0，使交流控制等同于直流控制。图 1 IRMCK201 芯片的内部结构原理图IRMCK201 采用标准的 100 管脚封装形式，其主要电气特点如下：(1)IRMCK201 具有完整的电流闭环控制和速度闭环控制；(2)使用 PWM 载波频率可以配置速度和电流更新率；(3)可以配置感应电机或者永磁电机的控制系统；(4)带死区的空间矢量 PWM；(5)最大时钟输入 33.3 MHz，最大载波频率 83.3kHz，电流闭环带宽 5.5 kHz，速度闭环更新率 5/10kHz；(6)具有高压线性电流传感器 I R2175、高压驱动芯片 I R213X、霍尔信号 A/B/C 等接口；(7)可配置光电码盘的线数范围从 20010 000 PPR(pulse perr o u n d)；(8)具有 4 路采样保持的 A/D 转换接口，可以配置模拟参考输入；(9)可以监视直流母线电压，智能绝缘栅双极晶体管 IGBT 保护封锁控制。IRMCK201 是通过硬件逻辑实现伺服控制功能的，所以只要知道各个寄存器的功能，通过单片机给相应寄存器设置不同的数值，即可实现所需求的功能。例如，要为逆变器设置一个开关频率为 10 kHz 的驱动信号，用户不需要编写程序代码来实现，只需要对 PwmConfig 写寄存器组中的 PwmPeriod 寄存器写相应数值即可。本伺服系统的电流调节器、速度调节器是由 IRMCK201 实现的。实现伺服系统电流调节器、速度调节器功能，不需要对复杂的算法编写程序，只需理解其内部电流环配置寄存器、速度控制寄存器的作用，通过 C51(下位机)对各寄存器进行配置，就可以实现电流环、速度环控制功能。系统控制写寄存器(System Control)是一个 8 位的寄存器，其地址为 0x17，每一位的含义如图 2 所示。若第 0 位(PwmEnb)置 1，则产生 PWM 波；第 1 位(FocEnb) 置 1 使能磁场定向控制，置 0 使输出电压为 0；当 IfbOffsEnb 为 1 时，电流反馈补偿值应用于电流 PI 控制器。图 2 系统控制写寄存器IqRef 为来自速度环的 16 位带符号交轴(q 为交轴)电流参考输入值。KpIrg 为 16 位带符号电流环控制器比例增益值。KxIrg 为 16 位带符号电流环控制器积分增益值。IdRef 为电流环调节器的 16 位带符号直轴(d 为直轴)励磁电流值(一般为 0)。SpdLpEnb为速度环使能位，将其设为 1 时，使能速度环 PI 调节器；将其设为 0 时，复位速度环PI 调节器。SpdLpRate 为速度环更新率，将其设为 0 时，禁止更新速度环；将其设为1 时，每当第 N 次更新电流环前更新速度环。KpSreg 为 16 位速度环比例增益，KxSreg 为 16位速度环积分增益。TargetSpd 为速度环的设定速度值，只要给此寄存器设置相应的值，驱动系统将会以给定的速度进行运转，数值为正时，则正转；为负时则反转。SpdAccRate 和 SpdDecRate 为加速和减速寄存器，速度环每更新一次，速度就会以此给定值进行加减速，直到速度达到所要求的值。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：本毕业设计要求采用专用芯片 IRMCK201 和 FPGA 实现对交流永磁同步伺服电动机的磁场定向矢量控制和转速控制，杨旭东同学通过对相关资料和 FPGA 控制技术的学习，已经初步的掌握了控制策略和方法，基本明确了毕业设计的要求和完成的内容。杨旭东同学完成的开题报告对该毕业设计需要完成的内容和拟采用的研究方法进行了清淅的阐述，毕业设计研究计划安排合理。同意杨旭东同学开题，并进行下一步的工作计划。 指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日附件：参考文献格式学术期刊 作者论文题目期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于 3 人，则写前三位作者的名字