开关磁阻电机全数字控制系统中FPGA的应用

摘要：提出了基于数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)的开关磁阻电动机全数字控制系统，对DSP和FPGA的功能进行了分配。根据开关磁阻电动机的驱动要求，分析控制逻辑，由FPGA实现了电流斩波、角度位置和PWM电压斩波相结合的控制方案。仿真结果表明，设计的开关磁阻电动机调速系统具有高效、实时、动态性能好等优点。

关键词：开关磁阻电动机；全数字控制系统；数字信号处理器；现场可编程门阵列

0 引言

开关磁阻电动机调速系统(SRD)是由双凸极开关磁阻电动机(SRM)、功率变换器、控制器以及检测器等组成的一种新型调速电动机系统。与传统的直流和交流调速系统相比较，开关磁阻电动机不仅保持了感应电动机的全部优点，而且电机结构简单，控制方便，运行可靠，成本低，效率高。本文设计的开关磁阻电动机全数字控制系统选用TI公司的DSP芯片TMS320F2407作为主控制器，Xilinx公司的FPGA芯片XC2S150E作为辅助控制器构成硬件控制方案。

由于SRD系统的非线性，使得用普通的定参数PID调节器进行速度闭环调节时，控制性能不够理想。模糊控制是目前应用较多的一种智能控制方法，无需被控对象准确的数学模型即能实现较好的控制效果。如今SRM正越来越多的被用于高速甚至超高速场合，这对控制系统的实时性也提出了更高的要求。由于FPGA具有现场可编程的特点，并且它使系统内可再编程技术，使系统内的硬件功能可以像软件一样被编程并随时配置，使得所有的逻辑电路都在一个芯片上实现，省去了芯片之间的连线，硬件可靠性高，运算速度快，所以更适合应用于高速电机的调速系统中。

全数字化开关磁阻电动机的控制器把高性能数字信号处理器DSP和先进的模糊控制算法相结合，把FPGA和数字电路的设计相结合，克服了模拟元器件的缺点并且解决了SRM的非线性带来的一系列问题。

1 SRD系统的组成

SRD主要由SRM、功率变换器、控制器、位置检测器4大部分组成，如图1所示。SRM是SRD中实现机电能量转换的部件，也是SRD有别于其他电动机驱动系统的主要标志。功率变换器向SRM提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。控制器是整个调速系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对SR电机运行状态的控制。

在SRD中，功率变换器是整个系统的重要组成部分，通过工作在开关状态执行控制输出信号，将电源电能在适当时段提供给各相绕组来驱动转子旋转。因此功率变换器的设计必须与电机及控制器一起综合考虑，使其能协调工作。本文采用双开关式功率变换器主电路如图2所示，以IGBT作为主开关器件，其驱动电路选用IR公司的浮地驱动芯片IR2130实现。SRM的可控参数较多，控制方法灵活。常采用在低速时选择电流斩波控制(CCC)和高速时选择角度位置控制(APC)的混合控制方法。

2 基于DSP和FPGA的全数字调速控制系统

由于采用了DSP和FPGA并行处理数据和控制的方法，所以需要对DSP和FPGA实现的功能进行合理的划分，图3是DSP和FPGA之间的接口和功能分配图。

本设计中DSP主要用于模糊控制算法的实现，并负责模拟量的采集和控制量的输出，而FPGA完成速度检测、驱动与保护、位置细分等工作。同时为了保证DSP与FPGA之间正确的数据交换，由主要输出量对系统的可靠性进行检测。DSP与FPGA之间通过目前电子设计中大量采用的FIFO接口联系在一起。