CN101741298A - 基于fpga芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，其主要特征在于该装置以FPGA芯片作为系统核心控制单元；公开了一种的多路模拟量数据采集方法，这种数据采集方法可以实现多路模拟量的实时并行采集，具有非常快速的实时性和良好的可扩充性；公开了稀土永磁同步电机的多种转矩控制模型，为电动汽车和工业自动化的控制提供的便利。本发明具有结构简单，可靠性高，调速平稳精确，响应快，负载特性好，扩充性强等特点。可广泛用于工业自动化，电动汽车，轮船，火车，国防等多个行业。

Description

基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置

技术领域：

本发明涉及一种基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置。

背景技术：

稀土永磁同步电机是一种公认的高效节能电机，与普通电机相比，具有节能高效，结构简单，功率密度高，转速不随负载波动的特性等特点。我国稀土元素储量丰富，为稀土永磁同步电机的广泛应用奠定了很好的基础。

稀土永磁同步电机的控制要比普通电机复杂的多，通用的变频器几乎无法可靠驱动。在稀土永磁同步电机的驱动系统中，需要实现大量的实时并行数据处理及控制，如果采用单片机或DSP来实现，系统响应速度难以满足稀土永磁同步电机的控制要求。这些问题在很大程度上影响了稀土永磁同步电机实际应用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，可靠性高，调速平稳精确，系统响应快，负载特性好，功能可扩充性强的基于FPGA为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置。

为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：一种基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，本发明的特殊之处在于该装置的硬件由FPGA芯片依次分别与供电电路、PWM驱动输出电路、id/td测量、通信接口、输入输出控制及显示部分、位置传感器、多路模拟量采集连接，多路模拟量采集与供电隔离转化和三相电流测量连接，PWM驱动输出电路、位置传感器与稀土永磁同步电机连接，且系统集成有多种转矩控制模型。

所述的多路模拟量采集部分，由芯片内模拟量采集模块与自适应锯齿波生成电路连接，该自适应锯齿波生成电路与幅值脉宽转换电路连接，幅值脉宽转换电路和芯片内模拟量采集模块连接。

所述的电流变化率采集处理部分由感应式电流变化率传感器、保护信号生成电路构成，感应式电流变化率传感器与保护信号生成电路连接，保护信号生成电路与FPGA芯片内电流变化率处理模块连接。

所述的多种转矩控制模型包括：

(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。

现有技术相比，由于本发明使用了以FPGA芯片为核心的控制单元和同步并行的多路模拟量数据采集方法，为系统并行控制奠定了基础，使系统具有很高的响应速度；多种转矩控制模型为电动汽车和工业自动化的控制提供的便利。本发明具有结构简单，可靠性高，调速平稳精确，系统响应快，负载特性好，功能可再扩充性强等特点。可广泛用于工业自动化，电动汽车，轮船，火车，国防等多个行业。

附图说明：

图1为本发明电气系统结构示意图；

图2为多路模拟量采集部分示意图；

图3为电流变化率采集处理部分结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的实施例。

下面结合附图对发明内容作进一步说明：

参照图1所示，一种基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，该装置的硬件由FPGA芯片1依次分别与供电电路3、PWM驱动输出电路6、id/td测量4、多路模拟量采集10、通信接口9、输入输出控制及显示部分2、位置传感器8连接，多路模拟量采集10与供电隔离转化5和三相电流测量5连接，PWM驱动输出电路6、位置传感器8与稀土永磁同步电机连接。

图2所示，多路模拟量采集部分由芯片内模拟量采集模块73与自适应锯齿波生成电路71连接，自适应锯齿波生成电路71与幅值脉宽转换电路72连接，幅值脉宽转换电路72与芯片内模拟量采集模块73和被采集模拟量数据相连接。

为了实现稀土永磁同步电机驱动控制装置对电流、电压等多参数并行采集的要求，提高采样数据抗干扰能力，采集运行过程为：FPGA芯片内模拟量采集模块73发出系统同步脉冲和锯齿波幅值数据到自适应锯齿波生成电路71，自适应锯齿波生成电路71将其生成的锯齿波特性数据送回片内模拟量采集模块73构成闭环，生成稳定的同步锯齿波。三相电流测量电路完成电流信号测量，供电隔离转化电路完成供电电压测量，上述电流、电压等模拟量信号和同步锯齿波在幅值脉宽转换电路72中生成各对应的方波数据并行送出，芯片内模拟量采集模块73将方波数据并行转换成模拟量数据。实现了多路模拟数据的同步并行采集。

图3所示，电流变化率采集处理部分由感应式电流变化率传感器41、保护信号生成电路42构成，感应式电流变化率传感器41与保护信号生成电路42连接，保护信号生成电路42与FPGA芯片内供电电流变化率处理模块43连接。

为了实现稀土永磁同步电机驱动控制对系统供电电流状态准确、实时监控的要求，功能实现方式为：由感应式电流变化率传感器41采集主回路电流变化信息，送至保护信号生成电路42，当主回路电流变化率超过设定值时，产生保护信息送至FPGA芯片内供电电流变化率处理模块43，完成控制。

所述的多种转矩控制模型包括：

(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。

综上所述，本发明的稀土永磁同步电机驱动装置实施例功能实现方式为：核心控制芯片FPGA与同步并行采集的多路模拟数据，位置状态构成闭环控制系统，FPGA接收输入设定或通信指令，产生驱动信号到PWM驱动输出电路，PWM驱动输出电路驱动永磁同步电机，完成稀土永磁同步电机的各种控制运行。系统运行过程中，FPGA实时监控电流、电压及电流变化率等状态，实现各种保护功能；同时FPGA与输入输出接口通信，传送相关信息。

上述系统控制除所述硬件相互连接、和完成各自的功能外，还包括有控序软件在内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，其特征在于该装置的硬件由FPGA芯片(1)依次分别与供电电路(3)、PWM驱动输出电路(6)、id/td测量(4)、多路模拟量采集(10)、通信接口(9)、输入输出控制及显示(2)、位置传感器(8)连接，多路模拟量采集(10)与供电隔离转化(5)、三相电流测量(7)连接，PWM驱动输出部分(6)与位置传感器(8)连接，位置传感器(8)的另一端与稀土永磁同步电机连接，且装置集成了多种转矩控制模型。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，其特征在于所述的多路模拟量采集是由自适应锯齿波生成电路(71)与幅值脉宽转换电路(72)构成，芯片内模拟量采集模块(73)与自适应锯齿波生成电路(71)连接，自适应锯齿波生成电路(71)与幅值脉宽转换电路(72)连接，幅值脉宽转换电路(72)与芯片内模拟量采集模块(73)和被采集模拟量数据相连接，构成多路模拟量采集部分。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，其特征在于所述的id/td测量(4)由感应式电流变化率传感器(41)、保护信号生成电路(42)构成，感应式电流变化率传感器(41)与保护信号生成电路(42)连接，保护信号生成电路(42)与FPGA芯片内供电电流变化率处理模块(43)连接，构成电流变化率采集处理部分。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA芯片为核心的稀土永磁同步电机驱动控制装置，其特征在于所述的多种转矩控制模型包括：

(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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