摘要：本文的主要目的在于講述在數(shù)字控制器中使用FPGA作為組成部分的好處。出于這個(gè)目的，各種應(yīng)用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流控制技術(shù)得到了設(shè)計(jì)和實(shí)施。它們包括開(kāi)關(guān)電流控制器，比例積分電流控制器，預(yù)測(cè)電流控制器。這種電流的控制質(zhì)量得到顯著地提高，這關(guān)鍵取決于執(zhí)行的延時(shí)時(shí)間的減少。事實(shí)上，在所有上述提到的這項(xiàng)技術(shù)中，設(shè)計(jì)的硬件執(zhí)行時(shí)間都只不過(guò)幾個(gè)微秒。這項(xiàng)時(shí)間的減少直接得益于可能能提供的FPGA以及這種非常強(qiáng)大的專(zhuān)用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)得到大量的結(jié)果是為了說(shuō)明在電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)中基于FPGA的方案取得了高控制性能的效率。

術(shù)語(yǔ)表

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在過(guò)去的近20年里，電子工業(yè)控制系統(tǒng)已成為重要研究的焦點(diǎn)，同時(shí)也取得了很多重大的進(jìn)步和發(fā)展[1],[2]。這些進(jìn)步和發(fā)展主要得益于技術(shù)革命，技術(shù)革命帶來(lái)了很多強(qiáng)大的器件的產(chǎn)生和越來(lái)越多復(fù)雜算法的誕生。在成功改善了數(shù)字技術(shù)的可靠性和性能基礎(chǔ)上，數(shù)字控制技術(shù)在同類(lèi)的模擬器件對(duì)比上占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，同傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)相比，數(shù)字控制提供了很多的優(yōu)點(diǎn)，例如可以靈活地修改設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)不同的系統(tǒng)和不同的環(huán)境，抗干擾，以及對(duì)組成部分變異的抗擾性。當(dāng)今社會(huì)，數(shù)字控制技術(shù)絕大部分是用微處理器或DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這主要是因?yàn)槠滠浖撵`活性很強(qiáng)以及其低廉的價(jià)格。因此，許多工程師們認(rèn)為DSP控制器是一種較合適的選擇[3]。其組成部分ALU運(yùn)算器特別用于實(shí)時(shí)的計(jì)算。它也集成了一些外圍模塊，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計(jì)時(shí)器，這些用于電子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。然而，模擬控制的某些優(yōu)點(diǎn)仍然是難以代替的，如精確度，以及最重要的是反饋環(huán)的延時(shí)。事實(shí)上，盡管多處理器設(shè)計(jì)或性能很高的DSP處理器可以處理這些問(wèn)題，但是它們?cè)趶?fù)雜算法結(jié)構(gòu)上仍然是有限的，與此同時(shí)，它們所花費(fèi)的成本卻超過(guò)了帶來(lái)的效益[4]。

為了推進(jìn)控制器的性能發(fā)展以及由此能夠減少模擬世界和數(shù)字世界的鴻溝，F(xiàn)PGA被認(rèn)為是一種更合適的選擇方案[5]。就拿快速ADC來(lái)說(shuō)，盡管FPGA也是運(yùn)行在復(fù)雜的算法下，但是其最快只需要幾微秒的實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)間。在另一方面，F(xiàn)PGA能夠允許適應(yīng)性強(qiáng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬間自由定位采樣[8],[9]。與此同時(shí)，F(xiàn)PGA允許在一個(gè)完整集成的片上系統(tǒng)（SOC）實(shí)施不同的控制功能[5]-[7]。因此，F(xiàn)PGA在電子驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用顯得非常成熟。它已經(jīng)成功地應(yīng)用于PWM轉(zhuǎn)換器的控制[10]，電機(jī)驅(qū)動(dòng)[11],[12]，甚至多機(jī)控制系統(tǒng)。要進(jìn)一步說(shuō)明的是，像DSP控制器一樣，F(xiàn)PGA的組成部分成本也很低。最近，一家公司甚至已經(jīng)介紹了一款這樣的FPGA族，它包括幾項(xiàng)模擬功能，比如像ADC[14]。

因此，為了綜合上述的這些優(yōu)點(diǎn)以及提出的一些新的優(yōu)點(diǎn)，本文系統(tǒng)地描述在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用的一個(gè)基于FPGA的電流控制器。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，這些這些經(jīng)典的應(yīng)用正是高水平實(shí)時(shí)性能的榜樣。

最先是在開(kāi)關(guān)電流控制器中使用FPGA技術(shù)的。在此基礎(chǔ)上，綜合分析了兩組控制器，第一組的特征是可變開(kāi)關(guān)頻率，而第二組則是基于一個(gè)有限的開(kāi)關(guān)頻率。使用基于FPGA的控制器要能極大的提高電流波形的質(zhì)量，主要取決于它們極短的執(zhí)行時(shí)間的大小。在這些條件下得到的數(shù)字控制器才能大約地接近它們所對(duì)應(yīng)的模擬控制器。

以下綜合講述一個(gè)比例積分（PI）電流控制器。現(xiàn)已經(jīng)證明了它對(duì)瞬間自由定位采樣有貢獻(xiàn)，這樣可以增加控制性能。再要說(shuō)明的是，極短的執(zhí)行時(shí)間允許異步PWM策略的發(fā)展，這意味著參考電壓在一個(gè)高采樣頻率（達(dá)到200kHz）下不斷地刷新著，這對(duì)于需要低開(kāi)關(guān)頻率的大功耗應(yīng)用有很大的好處。

之后再陳述FPGA在同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制器中的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展。眾所周知，電流預(yù)測(cè)控制器需要復(fù)雜的計(jì)劃預(yù)算[15]-[18]。因此，電流預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的特征是必存在一個(gè)延時(shí)，這個(gè)延時(shí)發(fā)生在電流感應(yīng)時(shí)刻與適用的電壓源型逆變器（VSI）中電壓矢量即將施加的時(shí)刻之間。在此情況下，控制器的性能極大地取決于計(jì)算時(shí)間，為此計(jì)算時(shí)間必須比采樣周期足夠的短[19]。因此，如果計(jì)算時(shí)間不是足夠的短，那么就需要復(fù)雜的調(diào)制算法來(lái)保證被控制系統(tǒng)基本的性能水平[20],[21]。提出的基于FPGA的電流預(yù)測(cè)控制器在沒(méi)有增加任何調(diào)制算法之下確保了實(shí)時(shí)的電壓矢量計(jì)算。在此情況下，整個(gè)執(zhí)行時(shí)間（包括AD轉(zhuǎn)換）僅僅只需4.52微秒。

盡管如此，為了達(dá)到一個(gè)高控制性能的水平，只能依靠最重要的設(shè)計(jì)努力。這就是為何筆者提出一個(gè)基于FPGA的適用設(shè)計(jì)方法論特別部分的原因。它來(lái)源于兩種相反需要的折中方案，這兩種需要分別是：1）一種友好的設(shè)計(jì)環(huán)境威脅不到非微電子專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)者；2）全面考慮控制性能的需要。

所有研究的電流控制器在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置下進(jìn)行了測(cè)試。所有電流控制器的一般結(jié)構(gòu)包括電流控制器本身，ADC，DA轉(zhuǎn)換接口，以及RS232串行通用異步接收/發(fā)送（UART）接口，這些集合在一起可以組成完整的片上系統(tǒng)（SOC）。
大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了采用被提出的這種基于FPGA的電流控制器的好處和效力。

實(shí)驗(yàn)裝置示意

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