CN101741295B - 基于单个fpga芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统 - Google Patents

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本发明公开了一种基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统。在同一核心FPGA芯片内，集成了一个主控单元和多个电机驱动控制单元，同时实现多台稀土永磁同步电机的关联驱动，各个单元在芯片内实现数据共享和共享数据无缝连接，各被控稀土永磁同步电机可选择多种运行模式，系统还集成了多种控制模型。整个系统具有：结构简单、实时性强、响应快速、抗干扰能力好、升级方便等特点。该发明在电动汽车，轮船，工业自动化，国防等多行业均有广阔的应用空间。

Description

基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统
技术领域
本发明涉及一种基于单个FPGA芯片的多个稀土永磁同步电机驱动系统。
背景技术
多轴联动系统在电动汽车、自动化生产线、自动化设备等工程中大量应用。常见的构成模式有：
机械传动模式：主动力驱动电机的动力由机械机构进行速度、力矩变换，将动力传到各驱动轴，实现差速与力矩变换完成动力的分配。缺点是结构复杂，功能单一，功能扩充难，速差与力矩变换范围小，价格与结构的复杂程度随系统精度的提高成指数比例上升。
常规电控模式：常规多轴联动电控系统是由中控机通过通信数据线与各独立的电机驱动器相连。各电机驱动器在中控机的统一协调控制下实现多轴联动运行。因为中控机与各驱动器间传送实时数据需要时间，所以会使其系统的响应滞后、实时性下降。另外中控与各驱动器是完全独立的设备，这会使系统运行的同步性能变差。驱动器工作在复杂电气环境下，系统传送实时数据的可靠性也会下降等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为多电机协同工作场合提供一种简单、高效、稳定可靠的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，
为了克服现有技术实现多轴联动系统的不足，本发明提供了一种基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统的解决方案，该方案是由单个FPGA芯片、供电部分、各PWM驱动输出部分、各数据采集部分、通信接口部分、输入输出控制及显示部分构成，本发明的特殊之处在于所述单个FPGA芯片内集成了一个主控单元(1)和多个电机驱动控制单元(2)，主控单元(1)和多个电机驱动控制单元(2)连接；所述单个FPGA芯片还分别与输入输出控制及显示部分、数据采集部分、通信接口部分直接连接，所述电机驱动控制单元分别与PWM驱动输出部分、供电隔离测量电路、三相电流测量电路、位置传感器、id/td电流变化率采集电路连接，所述PWM驱动输出部分分别与供电部分、稀土永磁同步电机连接。
所述的数据采集部分是由：id/td电流变化率采集电路、供电隔离测量电路、三相电流测量电路、位置传感器组成。
所述的输入输出控制及显示电路、通信接口与芯片内的主控单元直接相连。
所述的供电部分、PWM驱动输出、数据采集部分与相对应的芯片内部电机驱动控制单元相连接，构成稀土永磁同步电机驱动系统。
所述的单个FPGA芯片内的多个电机驱动控制单元(2)并行运行，相互独立。
所述的主控单元(1)统一协调多个电机驱动控制单元(2)并行运行、实现数据共享和共享数据无缝连接。
所述的数据包含实时采集数据、实时控制数据、运行模型数据，以上所述数据可以同时被FPGA芯片内各并行运行的所有电机驱动控制单元(2)、自主选择使用。
9、根据权利要求1所述的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，其特征在于系统集成了以下多种运行模式：
(1)各稀土永磁同步电机驱动系统可实现同频、同相运行模式；
(2)各稀土永磁同步电机驱动系统根据电机运行特性和系统需要，可实现频差、相差、幅差的补偿运行模式；
(3)各稀土永磁同步电机驱动系统根据系统需要，可实现驱动转矩自由分配运行模式。
系统控制模型包括：
(1)当受控电机输出转矩小于系统设定转矩时，控制指令对电机转速的增加或减小控制有效；
(2)当受控电机输出转矩达到系统设定转矩时，控制指令对电机转速的增加控制无效；减小控制有效；
(3)当受控电机输出转矩已经超过系统设定转矩时，电机转速会自动减小。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意框图。
具体实施方式
图1为本发明的两个稀土永磁同步电机驱动系统实施例结构示意框图。
下面结合附图对发明内容作进一步说明：
参照图1所示，所述单个FPGA芯片内集成了一个主控单元(1)和多个电机驱动控制单元(2)，主控单元(1)和多个电机驱动控制单元(2)连接；所述单个FPGA芯片还分别与输入输出控制及显示部分9、数据采集部分、通信接口部分10直接连接，所述电机驱动控制单元A2分别与PWM驱动输出部分6、供电隔离测量电路3、三相电流测量电路7、位置传感器8、id/td电流变化率采集电路5连接，所述PWM驱动输出部分6分别与供电部分4、稀土永磁同步电机M1连接。
系统硬件由单个FPGA芯片、供电部分4、两个PWM驱动输出部分6、两个数据采集部分、通信接口部分10、输入输出控制及显示部分9构成。
数据采集部分是由：id/td电流变化率采集电路5、供电隔离测量电路3、三相电流测量电路7、位置传感器8组成。
其中输入输出控制及显示部分9、通信接口10与芯片内的主控单元1相连接；PWM驱动输出6、数据采集部分与相对应的芯片内部电机驱动控制单元A2、B2相连接。
各部分功能为：
a)FPGA芯片：运行指令接收，运行状态信息输出，系统运行核心控制；
b)输入输出控制及显示部分9：操控输入，显示系统运行信息；
c)id/td测量电路5：采集供电回路电流变化信息；
d)供电隔离测量电路3：采集供电回路电压信息；
e)PWM驱动及输出电路6：在FPGA电机驱动控制单元控制下驱动电机；
f)三相电流采集电路7：采集受控电机工作电流实时信息；
g)位置传感器8：采集受控电机位置状态信息。
系统运行过程中，FPGA芯片实时接收运行指令部件的运行命令，并根据各电机实时状态，发出相应驱动信号给两路PWM驱动及输出电路6，控制受控电机运行。同时，采集两个独立的电机驱动回路的运行信息反馈至FPGA芯片，实现在FPGA芯片控制下的两个独立电机相关联的闭环运行。
单个FPGA芯片集成了主控单元1和两个电机驱动控制单元2。系统运行过程中主控单元1接收运行控制指令，电机驱动控制单元A2、B2接收所有实时采集数据、实时控制数据、运行模型数据，并在主控单元1统一协调下两个并行运行的电机驱动控制单元A2、B2芯片内数据共享，各单元可以同步获得共享数据，实现共享数据无缝连接。
在系统运行过程中两个电机驱动控制单元A2、B2在主控单元1统一协调下，产生驱动信号送至对应的PWM驱动输出电路6，PWM驱动输出电路6产生三相交流输出驱动受控电机。
实施例的单个FPGA芯片的两个稀土永磁同步电机驱动系统集成了以下控制模式：
(1)各稀土永磁同步电机驱动系统可实现同频、同相运行模式。
(2)各稀土永磁同步电机驱动系统根据电机运行特性和系统需要，可实现频差、相差、幅差的补偿运行模式。
(3)各稀土永磁同步电机驱动系统根据系统需要，可实现驱动转矩自由分配运行模式。
实施例的单个FPGA芯片的两个稀土永磁同步电机驱动系统，具有以下控制模型：
(1)当受控电机输出转矩小于系统设定转矩时，控制指令对电机转速的增加或减小控制有效；
(2)当受控电机输出转矩达到系统设定转矩时，控制指令对电机转速的增加控制无效；减小控制有效。
(3)当受控电机输出转矩已经超过系统设定转矩时，电机转速会自动减小。
图1是本发明以单个FPGA芯片控制两个稀土永磁电机为模型的实施例，具体应用不局限于控制两个稀土永磁电机。

Claims (6)

1.一种基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，该系统由单个FPGA芯片、供电部分、各PWM驱动输出部分、各数据采集部分、通信接口部分、输入输出控制及显示部分构成，所述的数据采集部分是由：di/dt电流变化率采集电路(5)、供电隔离测量电路(3)、三相电流测量电路(7)、位置传感器(8)组成，其特征在于所述单个FPGA芯片内集成了一个主控单元(1)和多个电机驱动控制单元(2)，主控单元(1)和多个电机驱动控制单元(2)连接；所述主控单元(1)还分别与输入输出控制及显示部分(9)、通信接口部分(10)直接连接；所述电机驱动控制单元(2)分别与对应的PWM驱动输出部分(6)、供电隔离测量电路(3)、三相电流测量电路(7)、位置传感器(8)、di/dt电流变化率采集电路(5)连接，所述PWM驱动输出部分(6)分别与供电部分(4)、稀土永磁同步电机(M1)连接，且系统集成了多种运行模式和控制模型。
2.根据权利要求1所述的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，其特征在于所述的单个FPGA芯片中各电机驱动控制单元(2)并行运行，相互独立。
3.根据权利要求1所述的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，其特征在于所述的主控单元(1)统一协调多个电机驱动控制单元(2)并行运行、实现数据共享和共享数据无缝连接。
4.根据权利要求3所述的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，其特征在于所述的数据包含实时采集数据、实时控制数据、运行模型数据，以上所述数据可以同时被FPGA芯片内各并行运行的所有电机驱动控制单元(2)自主选择使用。
5.根据权利要求1所述的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，其特征在于系统集成了以下多种运行模式：
(1)各稀土永磁同步电机驱动系统可实现同频、同相运行模式；
(2)各稀土永磁同步电机驱动系统根据电机运行特性和系统需要，可实现频差、相差、幅差的补偿运行模式；
(3)各稀土永磁同步电机驱动系统根据系统需要，可实现驱动转矩自由分配运行模式。
6.根据权利要求1所述的基于单个FPGA芯片的多稀土永磁同步电机驱动系统，其特征在于系统控制模型包括：
(1)当受控电机输出转矩小于系统设定转矩时，控制指令对电机转速的增加或减小控制有效；
(2)当受控电机输出转矩达到系统设定转矩时，控制指令对电机转速的增加控制无效；减小控制有效；
(3)当受控电机输出转矩已经超过系统设定转矩时，电机转速会自动减小。
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