基于FPGA平臺的工業(yè)電機最大效率實現(xiàn)

　　顧名思義，無刷DC電機工作時是不需要電刷的。這就是說，電刷所起的轉(zhuǎn)換作用必須以電子方式實現(xiàn)。定子線圈順序加電，BLDC電機就能轉(zhuǎn)動了。要計算在某一時刻哪個線圈加電，必須了解定子的位置，這通?？赏ㄟ^在定子中嵌入的三個霍爾效應(yīng)感應(yīng)器來檢測。綜合這三個感應(yīng)器信號，控制電子產(chǎn)品可確定轉(zhuǎn)換的確切順序。

　　由于無刷電機的轉(zhuǎn)子使用永磁而非無源線圈，其本身提供的功率相對于尺寸、重量相當?shù)碾姼须姍C而言要高。不過，高效運行的關(guān)鍵在于FPGA控制器。FPGA算法控制的效率高于微處理器?？梢允褂枚喾N控制系統(tǒng)算法，包括梯形、正弦和場定向算法(FOC)。

　　梯形或六步控制是最簡單同時也是性能最差的方法。就六步轉(zhuǎn)換的每一步而言，電機驅(qū)動會在兩個線圈之間形成電流通路，而第三個電機不連接。不過，轉(zhuǎn)矩紋波會產(chǎn)生震動、噪聲和機械磨損，并大幅降低伺服性能。

　　FOC也稱作矢量控制，能在較高電機速度下提高效率，在正弦控制技術(shù)基礎(chǔ)上更進一步。FOC相對于其他控制技術(shù)而言，單位功率輸入可實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩，而且在負載變化時能精確控制速度，響應(yīng)速度快。FOC技術(shù)通過完美保持定子和轉(zhuǎn)子磁通，即便在瞬態(tài)過程也能確保最佳效率。

　　探討FOC

　　了解FOC工作原理的方法之一是在腦海中形成一幅完整的坐標參考系轉(zhuǎn)換過程畫面。假設(shè)從定子角度來設(shè)想AC電機的工作，可以看到，當正弦輸入電流施加到定子時，時變信號會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通。轉(zhuǎn)子速度與旋轉(zhuǎn)磁通矢量存在一種函數(shù)關(guān)系。

　　現(xiàn)在，再從電機內(nèi)部來看，假設(shè)以等同于定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通矢量的速度沿離心器運行，在穩(wěn)定狀態(tài)下從這個角度來觀察電機，可發(fā)現(xiàn)定子電流好像為常量，且旋轉(zhuǎn)磁通矢量為固定的。歸根結(jié)底，希望控制定子電流，以獲得所需的轉(zhuǎn)子電流。通過坐標參考系轉(zhuǎn)換，可通過簡單的PI控制回路控制定子電流，如DC值。

　　FOC算法在后臺發(fā)揮作用，消除時間和速度的依賴性，能直接獨立控制磁通量和轉(zhuǎn)矩。通過數(shù)學公式(Clarke及Park變換)，可將電機的電子狀態(tài)轉(zhuǎn)換為時間不變性旋轉(zhuǎn)兩軸坐標系。

　　空間矢量脈沖寬度調(diào)制(PWM)的高效控制電力電子技術(shù)能最大化電機電源電壓的利用率，同時最小化諧波損耗。但諧波會在電機鐵芯中形成消耗能量的渦流，從而大幅降低電機效率。

　　最重要的是，設(shè)計人員既可對AC電感與無刷DC電機采用FOC技術(shù)，以提高其效率和性能，也可將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有電機，升級控制系統(tǒng)。事實上，設(shè)計人員可通過FOC等矢量控制技術(shù)來改進AC電感電機，實現(xiàn)類似于伺服電機的性能。

　　FPGA解決FOC面臨的挑戰(zhàn)

　　實施FOC需要功能強大的計算器件。針對上述要求，F(xiàn)PGA無疑是電機控制的最佳選擇。FOC系統(tǒng)必須持續(xù)以10kHz~100kHz的速度重復計算矢量控制算法。此外，還需在不影響控制算法時序的情況下并行執(zhí)行高速PWM輸出等其他IP模塊。利用FPGA自身的并行執(zhí)行功能和硬件可靠性，F(xiàn)PGA能以高達數(shù)十萬赫茲的回路速度執(zhí)行控制算法，而且還有余力來處理通信，為主機微處理器上的用戶接口應(yīng)用提供數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)PGA還具有可重構(gòu)性，因此客戶能隨時根據(jù)需要調(diào)整控制算法。

圖3所示為FOC實施方案的系統(tǒng)圖。除實際控制算法之外，F(xiàn)PGA還并行執(zhí)行IP模塊，以讀取3個霍爾效應(yīng)傳感器、1個編碼器以及3個其它模擬傳感器的值，同時生成PWM信號驅(qū)動外部電子器件給電機供電。如欲與主機處理器及簡單用戶接口通信，可并行執(zhí)行其他IP模塊。

　　圖4所示為基于FPGA的FOC算法實施LabVIEW FPGA的情況。Clarke變換將120°相移三軸坐標系(Ia, Ib, Ic)轉(zhuǎn)變?yōu)閮奢S直角坐標系(Ia, Ib)。接著，Park變換將固定的坐標系(Ia, Ib)轉(zhuǎn)換為去耦兩軸旋轉(zhuǎn)坐標系(Id和Iq)，簡單的PI控制器就能控制上述旋轉(zhuǎn)坐標。FOC系統(tǒng)利用逆變換(Park變換和Clarke變換)將其還原到定子線圈的固定AC三相坐標系。

　　圖4 基于FPGA的FOC算法實施LabVIEW FPGA的情況

　　在評估控制系統(tǒng)的升級時，機械設(shè)計人員通常會低估耗電成本問題，而從機電的整個生命周期角度來看，耗電成本往往比硬件購置成本高很多。NI致力于借助基于賽靈思FPGA技術(shù)的商用硬件解決方案成品推出具有高計算性能的高靈活性嵌入式控制器。通過二者的強強聯(lián)合，能滿足客戶最苛刻的要求，即FOC性能要求。