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兼具性能与灵活性的SoC FPGA

Michael Parker?? Altera Corp?? 2013年06月27日 ?? 收藏0
最新的FPGA单片系统器件集成了双ARM A9 CPU核心,全套ARM外就是下一代的电机控制。下一代电机控制系统采用了非常快速的控制回路,超过了仅用处理器方案的能力,可提供最高的电机效率。实现现场控制(FOC)的内部控制回路要求最好以浮点方式完成的变换。同时带有双处理器核心和FPGA结构的FPGA SoC最适合这种应用,单只器件就具备了通用处理器,以及用于专门算法的高性能逻辑等功能(见《FPGA与多核CPU如何改变嵌入式设计》)。

电机换向

电机工作遵循基本的电磁原理。磁场吸引与排斥的力产生了转矩,从而使电机旋转运动。

转子与定子都有磁场,磁场的产生可以用永久磁铁,也可以采用电磁方式。当转子旋转时,要求磁场有正确的对准。

磁场必须连续改变,这样,在转子360度旋转过程中,都维持产生转矩的对准。这个过程叫做换向,最基本的方法是使用直流电刷电机。这种电机设计是在定子上使用永久磁铁,而在转子上使用一对或多对电磁铁。为了消除电刷的火花与机械换向时的磨损,可以反过来做电机设计,即把永久磁铁放在转子上,而定子采用电磁铁。用电子换向代替机械换向也可以获得相同效果,这就是所谓的无刷直流电机。

面向现场的控制

在一只直流有刷电机中,控制回路可以轻易地驱动电机电流产生变化,而电刷完成机械换向功能,虽然不算最佳方式完成电子正弦换向,使用的是集成控制回路,使产生有用转矩的磁场分量最大化,而不产生转矩的磁场分量最小化(例如,也许只产生对电机轴承起作用的力)。FOC的目标是确定磁场在所有时间都有精准的方向,以产生最大转矩、消除转矩波动,从而提高电机效率,降低系统的拥有成本。

如图所示FOC功能采用了Park与Clarke变换,以及针对转矩(有用的磁场方向)和磁通(不产生转矩的磁场方向)的PI控制回路。这里使用PI控制器,而不是一般控制系统中常见的PID控制器。

电机通常要使用三个独立的相位。这些相围绕定子复制,给出各个极或绕组的数量。在三相系统中,根据Kirchhoff定律,三相电流之和为零。这意味着,三相电流矢量(a、b和c分量)可以用Clarke变换,表示为两个正交的相位(α、β分量)。Clarke变换在转子的一个确定旋转角上是有效的。

通过采用Park变换,这些电流矢量可以映射到旋转电机的旋转面上。于是,α、β分量被映射为q(正交)和d(直接)分量。这个变换需要转子角度(作为输入值),转子角度一般是由转子轴上附着的正交编码器决定。因此,Clarke与Park变换需要在转子旋转时做连续地计算。

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第1页:电机换向及面向现场的控制

第2页:要求、处理系统及FOC硬件

第3页:控制回路硬件、软件及ARM A9中断延迟

第4页:该团队考虑了以下场景


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