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FPGA在电机控制系统设计中的应用
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yuyang911220
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yuyang911220
发表于 2015-8-30 22:28
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FPGA在电机控制系统设计中的应用
控制系统
,
驱动器
,
存储器
,
通用
,
电机
在工业能耗中,三分之二以上的能耗来自工业电机驱动设备,因此,在工厂费用开支中,高效的电气特性是非常重要的因素。在电机驱动系统中采用速率可变驱动器 (VSD) 来替代传统的驱动器能够显著提高效率,能耗节省了近 40%。在电机控制设计中,设计人员可充分利用 Altera® FPGA 强大的适应能力、精度可调数字信号处理 (DSP) 以及集成系统设计工具等优势,使用VSD 系统的高效平台。
性能调整和集成优势
很多商用 MCU 或者 DSP模块具有通用驱动工作基本单元。但是,这些器件存储器有限,模拟范围较窄,脉冲宽度调制(PWM) 通道数量有限,对多轴系统的支持不足。下一代驱动功能对性能的要求更高,需要提高电机效率,所采用的平台应具有性能调整功能,以满足处理和DSP 需求,同时能够灵活的集成并优化系统。
图1 电机控制 FPGA优化设计流程
FPGA 很容易根据应用需求来调整性能。设计人员可以在 FPGA 中嵌入多个处理器或者使用灵活的 DSP功能,然后,采用其他的逻辑、定制指令或者所支持的多种工业网络协议。设计人员利用Altera FPGA可以实现多种嵌入式处理器,独立控制每一个子系统。Altera FPGA的并行特性支持电机控制系统构建模块的集成。例如,Altera Nios® II嵌入式处理器 (32位RISC软核处理器)可以控制各种接口以及传感器和编码器。设计人员可以使用精度可调浮点 DSP模块完成磁场定向控制 (FOC)或者其他需要大量数学计算的算法。
图2所示为能够集成到 FPGA中的各种单元,用于建立一个“单芯片驱动”系统。集成IP功能能够并行运行,保证了在顺序操作或者延时操作中不会出现瓶颈。
图2 FOC模型包括复杂数学算法
这一设计流程支持IP的集成,包括:
• 位置反馈——具有高精度位置反馈功能的编码器,例如,EnDAT、Hiperface,以及BiSS,支持 10倍速和位置数据。
• IGBT控制——使用绝缘栅极双极晶体管 (IGBT),切换到驱动 AC电机所需要的高电压。在 IGBT的栅极输入上使用空间矢量调制(SVM)技术,产生驱动电机所需要的正弦电压波形。IGBT可以是 2级或者 3级变量。
• ADC接口——与外部模数转换器(ADC)连接,测量电机的反馈电流。很容易将Sigma delta (SD) ADC与大驱动电压实现光电隔离,降低噪声,支持 FPGA对其输出进行采样,实现快速精确的读取操作。
• 网络接口——在 FPGA中实现实时协议,以适应实际应用所需要的工业以太网协议标准,例如,Ethernet/IP、PROFINET IO/IRT和 EtherCAT。工业以太网在工业驱动中的应用越来越广泛。
这些基于 DSP的电机控制功能、通信以及接口标准的大量应用使得FPGA成为工业电机驱动的理想平台。
处理复杂数学算法
各种驱动技术的差别很大,具体取决于电机类型及其应用。例如,控制电泵和风扇的驱动器有不同的要求和反馈机制,以便控制 CNC电机或者封装设备。从这些编码器和传感器中采集到的数据被反馈到控制系统中,用于进行数学计算,以确定目标系统负载和扭矩的电压电平。
例如,常用的永磁体同步电机 (PMSM)使用需要大量数学算法的 FOC功能作为控制环算法的一部分,该功能也称为矢量控制。在需要精确扭矩控制的工业伺服电机中,也经常采用FOC。FOC技术有助于减小电机体积、成本和功耗。FOC精确的测量电压电平以及相应的电机速度,更好的控制速度和扭矩,即使负载变化了也能够提供恒定扭矩。此外,FOC还减小了扭矩波纹和电磁干扰。但是,如图3所示,这一数学模型非常复杂,高速运行这一算法时需要很强的计算能力。
FOC涉及到对电机正弦 3相电流的实时控制,以建立平滑的旋转磁通量码型,其旋转频率对应于正弦波的频率。该方法控制电流矢量的振幅,将其维持在相对于转子磁通量轴 90度的位置(“正交”电流)。这样,设计人员可以控制扭矩,同时将直流电流分量(0度 )保持在零。这一算法涉及到以下步骤:
1. 使用Clarke和Park变换,将编码器的3相反馈电流输入和转子位置转换为正交和直流电流分量。
2. 使用这些电流分量作为两个并行运行的比例和积分(PI)控制器的输入,将直流电流限制为零,把正交电流保持在所需的扭矩水平上。
3. 通过Clarke和Park反变换,将PI控制器的直接和正交电流输出转换回3相电流。
Altera FPGA提供一款精度可调DSP模块,能够灵活选择满足要求的精度级,而且还支持单精度和双精度浮点类型。这些因素使得 DSP模块成为实现 FOC环和其他复杂数学算法的理想选择。集成DSP模块是很多Altera 28-nm FPGA体系结构所具有的特性,支持每一模块在编译时配置为18位或者高精度模式。
利用功能强大的开发工具
优化电机控制设计需要通用工具(以及实用的工具流程 )对系统进行建模和仿真,实现低延时复杂算法,将系统集成在一起,精确的调整性能,以满足电机驱动的实际需求。设计人员使用集成工具流程(图4所示),能够缩短开发时间,提供更灵活、功能更强大的模型,以适应不同类型的驱动系统。
图3 FOC模型
图4 电机控制 FPGA优化设计流程
Altera为嵌入式工业设计人员提供功能强大而且使用方便的开发工具,例如, Quartus® II设计软件和 MegaCore® IP库。Altera还提供系统集成工具,例如Qsys 或者 SOPC Builder实现面向任务的操作,以及 DSP Builder来优化 DSP。此外, Altera提供基于 Eclipse的Nios II嵌入式设计套装 (EDS),更方便的通过设计流程来完善 FPGA硬件。
Nios II嵌入式设计套装
Altera 提供基于 Eclipse的 Nios II EDS、Nios II嵌入式处理器等功能强大而且使用方便的嵌入式开发工具,支持标准操作系统(OS)以及来自多家流行供应商的实时操作系统(RTOS)。Nios II EDS 支持包含多个通用32位RISC 软核处理器的工程的开发。这些处理器的性能高达 340 MIPS(Dhrystones 2.1),可以独立拥有各自的定制指令集、数据通路和地址空间。
Qsys和 SOPC Builder系统集成工具
Altera的 Quartus II开发软件包括最新的 Qsys(以及传统的 SOPC Builder)系统集成工具。这些工具有助于设计人员自动完成硬件组件集成任务,定义并生成完整的芯片系统(SoC)。Qsys或者 SOPC Builder并不是使用传统的设计方法来手动定义和连接HDL模块,而是在GUI中帮助您定义系统组件,然后自动生成互联逻辑。这些工具生成定义系统中所有组件的 HDL文件,然后,顶层HDL文件将所有组件连接起来。这些工具生成 Verilog HDL或者 VHDL。
这些系统集成工具使用Avalon®接口来连接逻辑器件(片内或者片外)。在电机系统中,Avalon接口连接软核处理器以及驱动系统的其他单元。这降低了系统集成的复杂度,实现了连续直观的最优系统。互联架构支持通过从机侧仲裁进行同时多主机处理,从而管理这些连接。这些工具在每一从机端口前插入仲裁模块,以满足不同主机的要求,从主机和从机端口中提取出系统详细的互联信息。图5显示了连接系统中多个从机和主机的互联架构。
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