BAE公司开发三向无刷永磁电机的面向现场的控制研究

1、    BAE公司开发三向无刷永磁电机的面向现场的控制研究Author(s):BrianMann-Selex-GalileoIndustry:Aerospace/AvionicsProducts:PXI-7831R,PXI/CompactPCI,LabVIEW,FPGAModuleTheChallenge:快速开发出下一代高性能电机控制器的原型。TheSolution:利用NIPXI平台、LabVIEW7Express、LabVIEW7FPGA模块和PXI-7831R型可重配置I/O模块在XilinxFPGA芯片上实现全数字化的电机控制器。ACEIII档

2、电流下一代电机控制器设计BAESystemsAvionics公司设计和制造军事电子和监视系统。为了保持竞争力，航Author(s):Brian Mann - Selex-GalileoIndustry:Aerospace/AvionicsProducts:PXI-7831R, PXI/CompactPCI, LabVIEW, FPGA ModuleThe Challenge:快速开发出下一代高性能电机控制器的原型。The Solution:利用NI PXI平台、LabVIEW 7Express、LabVIEW 7 FPGA模块和PXI-7831R型可重配置I/O模块在Xilinx FPGA芯片

3、上实现全数字化的电机控制器。ACEIII档电流下一代电机控制器设计BAE Systems Avionics 公司设计和制造军事电子和监视系统。为了保持竞争力，航空电子部门不断评估新工具和技术，用于减少新技术的设计生产间隔时间。我们在实验室里把时间用在开发硬件和软件上，这是我们持续成功的关键。磁场定向控制（FOC），或者矢量控制，是一项新技术，它可以改进各种电机的转矩- 速度特性，而我们公司的大多数产品都集成了至少一个直流电机。爱丁堡的BAE Systems 公司伺服系统技术集团，对增加峰值功率非常有兴趣，因为升级后的电机驱动器将为现有的电机提供额外的性能，并且通过在新设计中减少电机质量来节省航

4、空产品的重量。同时，随着FPGA 性能的提高，我们不仅可以使用FPGA 进行电机控制，还可以进行伺服系统控制。我们使用NI 公司的产品进行快速地原型化，显著地降低了新技术在设计早期带来的风险。FOC 技术由传统方波放大器驱动的电机受限于整流误差引起的不理想的转矩-速度特性和转矩脉动。正弦整流解决了转矩脉动问题，并且在低速电机上工作良好。但在速度更高时，PI 电流控制器必须提高频率来跟踪正弦电流，同时克服增加频率和幅度的反电动势问题。这将导致相位延迟，由于转矩产生的通量没有以90 度作用于转子，所以会造成每安培转矩的损失。这种影响由转矩- 速度（TS）图中的曲线表示。基本上，TS曲线包含两条线，

5、水平线是决定最大速度的电压限制，而垂直方向是决定最大转矩的电流限制。我们使用FOC 来改进TS 特性。这种整流方法利用变送器将正弦电流和编码位置变换至转动转子的d-q参考帧。d和q部分是直流的，所以很容易使用PI 控制器来控制它们。再对控制器输出进行反变换，输出正确相位和幅度的电压波形以保持通量与转子的90 度夹角，进而获得最大的电流到转矩功率转换。空间矢量调制和FPGA 实现利用全数字化控制，我们可以使用空间矢量调制（SVM）来解锁15% 以上的无负载速度。FOC 控制使得这变为可能，因为我们不再受限于母线电压/2的经典整流限制了。SVM的三角特性遵循30度、60 度和90 度三角和1、2

6、及边长，将相对关系改为母线电压/。从这个比例，我们可以计算出母线电压/2 除以母线电压/ 等于1.1547，或者说15% 的增加。传统的FPGA控制算法实现伴随着巨大的风险，因为第一次的物理实现会持续服役到产品设计周期的结束。通过使用NI LabVIEW FPGA Module 软件进行快速控制器原型化，我们甚至可以在开始FPGA设计前就开始测试和进一步开发实际的硬件。我们使用含有定点宏块集的数学模型工具包来仿真FPGA的数学功能，进行算法的开发。我们可以迅速用G代码来重写定点算法，并且在NI公司的PXI 平台或CompactRIO 可重配置控制和采集平台上运行。在编译过程中，硬件描述语言（H

7、DL）的生成、逻辑分析、HDL 仿真以及摆放和布线操作都是完全自动化的。VHDL 代码通过PXI 机箱的背板，下载到NI PXI-7831R 的Virtex VC2V1000 中。PXI-7831R 提供了8个16位的模数转换器、8个16位的数模转换器以及96个晶体管-晶体管逻辑I/O 管脚，用于使用内插式终端卡进行快捷的硬件连接。调试也很容易，因为我们可以从任意的FPGA寄存器中读取数据，并且在运行NI LabVIEW 的主机上显示结果，而不影响FPGA 的运行。快速系统组件原型化我们用于研究新型技术的快速原型化系统包括了装有运行LabVIEW 软件的NI PXI 嵌入式控制器的PXI 机箱和PXI-7831R 可重配置I/O 模块。我们使用LabVIEW 图形化开发环境、LabVIEWFPGA 模块来开发所有的系统部件。正如上面描述的那样，我们直接在主机的LabVIEW环境中对PXI-7831R FPGA进行配置和编程。编译后的LabVIEW 代码可以直接下载到FPGA 中。在主机的Windows操作系统下运行的LabVIEW 软件，提供了系统监测和视觉化功能，这些也