基于FPGA的永磁电机控制系统

随着经济的发展，科学技术的进步，永磁电机的研发和控制技术都有了快速的发展。永磁电机的发展也带来了永磁电机控制器的发展，电机控制器已经由传统的模拟元件控制器，逐渐转向数模混合控制器、全数字控制器。基于现场可编程门阵列(FPGA——Field Programmable Gate Array)的新一代数字电机控制技术得到越来越多的关注。现在的FPGA不仅实现了软件需求和硬件设计的完美集合，还实现了高速与灵活性的完美结合，使其已超越了ASIC器件的性能和规模。在工业控制领域，FPGA虽然起步较晚，但是发展势头迅猛。 　　 本文在介绍了传统无刷直流电机控制技术的基础上，分析了采用FPGA实现电机控制的优点。详细介绍了使用硬件编程语言，在FPGA中编程实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的各个关键环节，如：PI调节器、数字PWM等等。在实现永磁无刷直流电机速度闭环控制的同时，将速度检测环节采用FPGA实现，减小了系统硬件开销。在实现单台永磁无刷直流电机速度闭环控制的基础上，本文在一片FPGA芯片上实现了多台永磁无刷直流电机的速度闭环独立控制系统。介绍了采用FPGA进行多台电机控制具有独特的优势，这些优势使得FPGA在实现多台电机控制时非常方便，具有单片机(MCU)和数字信号处理器(DSP)无法比拟的优点。文中对基于FPGA的单台和多台永磁无刷直流电机控制系统分别进行了实验验证。 　　 FPGA编程灵活，设计方便，本文在FPGA中实现了各种不同的PWM调制方式。从电路方面详细分析了采用不同的PWM调制，换相时无刷直流电机母线的反向电流问题。借助FPGA平台，对各种PWM调制方式进行了实验，对理论分析进行了验证。 　　 另外，本文介绍了目前非常流行的一种FPGA图形化设计方法，即基于XSG(Xilinx System Generator)的FPGA设计。这种设计方法具有图形化、模块化的优点，大大方便了用户的FPGA开发设计。在XSG中建立的仿真系统，区别于传统的Simulink仿真，可以直接生成相应的硬件编程语言代码下载到FPGA中运行。本文借助XSG软件设计在XSG/Simulink中实现了永磁同步电机矢量控制系统的混合建模算法，并进行了仿真。