利用FPGA的永磁同步電機控制器原理及設計

概述：提出一種基于FPGA的永磁同步電機控制器的設計方案，該設計可應用于具有高動態性能要求的永磁同步電機伺服控制系統。為提高伺服控制系統的實時性，簡化電路及節省成本，該系統設計采用Ahera公司生產的CycloneIII EP3C25Q240C8型FPGA器件實現電機控制器。嵌入NiosⅡCPU軟核配合片內硬件乘法器及可編程邏輯門陣列，實現軟硬件協同工作。通過QuartusⅡ軟件自帶的SignalTaplI嵌入式邏輯分析儀進行板上調試驗證，得到帶有死區輸出的PWM波形。該PWM波形可用于電機驅動。

1 引言
??? 國內普遍采用TM320系列的DSP器件作為永磁同步電機控制系統的主控制器，因CPU負載過重導致系統實時性降低的問題日益顯著。采用具有并行工作特性的FPGA器件作為主控制器能夠提高系統實時性。因此，這里給出一種基于FPGA的永磁同步電機控制器設計方案。
??? FPGA器件內嵌NiosⅡCPU軟核的SoPC是Altera公司首創的SoC解決方案。將SoPC應用到電機控制中，是當前的研究熱點。FPGA依靠硬件邏輯門工作，NiosⅡ處理器依靠執行軟件程序工作。而在電機控制中實現軟硬件協同工作則是設計的難點和創新之處。本設計需要特別注意軟硬件協同工作的時序控制。軟硬件之間信號的交換需按嚴格時序進行控制。

2 片上系統規劃
??? 片上系統功能總體規劃為電機硬件驅動和NiosⅡ系統模塊兩部分，前者主要完成速度外環，電流內環的雙閉環運算；而后者主要完成按鍵輸入、LED數碼管顯示、電機驅動器參數設置和傳輸以及上位機通信。

3 系統硬件設計
3．1 NioslI系統模塊
3．1．1 Nios lI系統模塊的設計
??? 在QuaauslI的SoPC builder中調出nioslI軟核。調用4個用于輸出的PIO核，掛接到Avalon總線上，作為信號輸出I／O端口，這4個PIO核分別是start(啟動電機信號)，Data(16位，電機參數值)，ec(8位，參數寄存器使能信號)，choice(3位，多路選擇信號)。調用6個作為輸入的PIO核用以按鍵輸入。設置中斷掩碼寄存器為中斷有效，邊沿捕獲寄存器為上升沿檢測。按鍵經FPGA引腳，用戶設計硬件防抖動后，產生一個上升沿信號，啟動NioslI處理器中斷，執行相應中斷功能。調用異步串口UART內核，實現與上位機通信，設置其波特率同定，UART通過中斷請求實現數據通信功能。圖1和圖2分別給出Niosll系統結構框圖和其電路原理圖。

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3．1．2 NiosⅡ系統軟件設計
　　該系統設計的軟件程序主要在Nios IED軟件中編輯調試，實現按鍵中斷程序，按鍵如下：reset(復位)，start／stop(啟動和暫停)，choose(參數選擇)，increase(參數值的增量)，de-crease(參數值的減量)，transmit(參數的傳輸)；并實現串口通信中斷程序。圖3為NiosⅡ處理器軟件執行流程。

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　　這里只給出 stait按鍵中斷軟件程序代碼，而choose，in-crease，decrease，transmit程序與之相同。
int main(void)
{ alL_irq_register(start_IRQ，start_BASE，start_ISR)；／／按鍵
start的中斷注冊
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(start_BASE，
0x01)；／／開啟中斷使能；
IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CA(start_BASE，
0x00)：／／清除捕獲寄存器；
／／只給出start變量(用于啟動電機)初始化，并寫入輸出
寄存器：其他變量初始化相同；
Unsigned start=0；
． IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_data(start_BASE，start)；
／／變量寫入輸出PIO寄存器；
While()
}

3．2 電機硬件驅動模塊
　　電機硬件驅動模塊實現clark，park，i_park坐標變換，PI調節器，SVPWM產生器，轉速檢測等硬件模塊等雙閉環結構。由于上述各個模塊設計比較簡單常見，因此，這里主要介紹SoPC時序控制部分。Reset按鍵為全局復位。復位后系統軟件從主程序入口開始執行；而此時硬件驅動模塊中的兩個狀態計數器為“-1”。這兩個計數器計數時間對應50μs和1 ms，分別對應于電流環和速度環的采樣時間。一旦檢測到來自NiosⅡ處理器的start高電平信號，該信號作為計數使能信號，這兩個計數器從“0”開始計數，計數為“0”時產生一個高電平脈沖信號，電流環計數器脈沖用于鎖存SVPWM中的Ta，Tb，Tc(三相占空比信號)，并啟動A／D轉換。速度環的
計數器脈沖鎖存一個反饋速度信號，然后計數器循環計數。

4 仿真結果
　　該系統設計對電機驅動部分進行開環驗證。給定uq(旋轉坐標中的力矩分量)為2 048(16位Q12的定點)，ud(旋轉坐標中的勵磁分量)為0。正余弦兩個查找表各有720個地址，相鄰地址相差0．5°。每相隔50μs查找地址增量為l，即電機每隔50μs轉過0．5°，約為1 666 r／m。在QuartusⅡ中進行時序仿真可得到如圖4和圖5所示的波形。

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　　由圖4可知，A相上橋臂在每個PWM周期的占空比不同，具有從增到減，從減到增的規律；從圖5可知，器件實際工作時，上下橋臂死區時間為2μs，而且死區時間可采用NiosⅡ處理器設置。由于有死區時間的控制，該PWM可接入電機進行開環調試。

5 結論
　　本設計的SoPC器件已產生PWM波，用于開環驗證，為后續閉環驗證提供條件。FPGA在高速數字信號處理領域逐顯優越，且SoC已成為集成電路發展的主流，而SoPC是SoC一種靈活的解決方案。其具有軟硬件協同工作，合理分配軟硬件功能等特點，從而能夠快速靈活實現系統設計。SoPC控制電機可提高電機動態響應，縮小系統面積，節省成本。