CN104579031A - 一种基于fpga芯片的多路永磁同步电机控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种电机控制电路，具体公开一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路,包括FPGA模块，FPGA模块的相电流信号输入端与电机相电流采集模块的信号输出端连通，FPGA模块的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块的信号输出端连通；电机转子位置采集模块的转子位置信号采集端与永磁同步电机组的转子位置信号输出端连通；电机相电流采集模块的信号输入端与永磁同步电机组的相电流信号输出端连通；电机功率驱动模块的信号输入端与FPGA模块的SVPWM控制信号输出端连通；电机功率驱动模块的信号输出端与永磁同步电机组的电流信号输入端连通。该电路能够实现多路永磁同步电机的驱动控制和协同控制功能。

Description

一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路

技术领域

本发明属于一种电机控制电路，具体涉及一种多路永磁同步电机控制电路。

背景技术

在当前的电机控制系统中，一般通过一台电机驱动器或逆变器实现驱动一台永磁同步电机的方法实现电机运转。该种电机驱动器或逆变器内部的核心芯片通常为电机控制专用的DSP芯片或MCU芯片。众所周知，由于永磁同步电机控制算法较复杂，普通的电机控制专用DSP芯片或MCU芯片只能控制一路或至多控制两路永磁同步电机运动，而其内部电机控制电流环算法的控制频率仅为100KHz左右。因此电机驱动器或逆变器内部的核心控制芯片（DSP或MCU芯片）从控制方面，限制了其控制永磁同步电机的个数和速度。随着电机控制领域、伺服领域及工业自动化的发展，越来越多的自动化设备上同时需要多台电机协同进行驱动，如多关节机械臂和机械手、多轴机械加工中心、多余度机电伺服系统等设备。而传统的永磁同步电机驱动器或逆变器不能满足该要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，该电路能够实现多路（3～12路）永磁同步电机的驱动控制和协同控制，并且提高电机控制电流环算法频率，可达到MHz级别的控制频率。

实现本发明目的的技术方案：一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，包括FPGA模块、电机转子位置采集模块、电机相电流采集模块和电机功率驱动模块，FPGA模块的相电流信号输入端与电机相电流采集模块的信号输出端连通，FPGA模块的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块的信号输出端连通；电机转子位置采集模块的转子位置信号采集端与永磁同步电机组的转子位置信号输出端连通；电机相电流采集模块的信号输入端与永磁同步电机组的相电流信号输出端连通；电机功率驱动模块的信号输入端与FPGA模块的SVPWM控制信号输出端连通；电机功率驱动模块的信号输出端与永磁同步电机组的电流信号输入端连通；FPGA模块读取电机转子位置采集模块采集的永磁同步电机组的转子位置信号；电机相电流采集模块采集永磁同步电机组的相电流并传送至FPGA模块；FPGA模块接收永磁同步电机组的转子位置信号和相电流信号，输出SVPWM开关信号给电机功率驱动模块，电机功率驱动模块驱动永磁同步电机组运动。

所述的永磁同步电机组为多路永磁同步电机并联，所述的FPGA模块包括多路永磁同步电机驱动电路。

所述的每路永磁同步电机的位置信号输出端均与电机转子位置采集模块的信号输入端连通，每路永磁同步电机的相电流信号输出端均与电机相电流采集模块的信号输入端连通；每路永磁同步电机的电流信号输入端均与电机功率驱动模块的信号输出端连通。

所述的每路永磁同步电机驱动电路均包括CLARK变换模块、PARK变换模块、永磁同步电机电流闭环模块、永磁同步电机速度闭环、永磁同步电机位置闭环模块、PARK逆变换模块、CLARK逆变换模块；CLARK变换模块的输出端依次与PARK变换模块、永磁同步电机电流闭环模块、PARK逆变换模块、CLARK逆变换模块串联；永磁同步电机电流闭环模块的速度控制输入端与永磁同步电机速度闭环模块的输出端连通；永磁同步电机速度闭环模块的输入端与永磁同步电机位置闭环模块的位置闭环输出端连通；永磁同步电机位置闭环模块的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块的信号输出端连通，永磁同步电机位置闭环模块的指令信号输入端与上位机连通；PARK变换模块的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块的信号输出端连通；CLARK逆变换模块的输出端与电机功率驱动模块的信号输入端连通。

所述的FPGA功能模块通过电机转子位置采集模块采集多路永磁同步电机的转子位置信号，FPGA功能模块通过电机相电流采集模块采集多路永磁同步电机的相电流信号；电机相电流采集模块采集的相电流信号通过CLARK变换模块进行CLARK坐标变换后，再与电机转子位置信号共同通过PARK变换模块进行PARK坐标变换，得到多路永磁同步电机的电流Id和Iq；电机转子位置信号通过永磁同步电机位置闭环模块、同步电机速度闭环模块进行速度闭环后，与电流Id、Iq共同通过永磁同步电机电流闭环模块进行电流闭环，得到多路永磁同步电机的电压Ud、Uq；电压Ud、Uq通过PARK逆变换模块、CLARK逆变换模块进行逆变换的坐标变换后，生成控制多路SVPWM开关信号，电机功率驱动模块将SVPWM开关信号进行直流电源逆变，进而驱动多路永磁同步电机运动。

本发明的有益技术效果在于：（1）多路（3～12路）永磁同步电机驱动控制算法和协同控制算法均设计高度集成在FPGA芯片中，且电机转子位置采集模块和电机相电流采集模块由FPGA功能模块统一协调控制。（2）由于多路电机的位置闭环算法、速度闭环算法和电流闭环算法均设计在一片FPGA芯片内部，故多路电机的位置、速度、电流三环算法可根据电机驱动对象不同，方便地实施相互约束、耦合或补偿控制算法设计，以达到不同的电机间运动的互相协调和配合，实现电机间协同控制功能。（3）多路电机转子位置采集模块，采用统筹设计方法。将单路电机转子位置采集模块进行多路设计优化策略，删减掉重复的电路部分，集中设计该模块，节省了成本，减小了该电路的体积。（4）多路（6路为例）电机相电流采集模块，至少需采样12路电流模拟信号。单路电机相电流采集模块可选用双路模拟信号采集芯片，而6路电机相电流采集模块，不选择6片双路模拟信号采集芯片，可一次选择12路模拟信号采集芯片即可实现功能。如此，既节省了成本，又减小了该电路的体积。本发明通过提出利用FPGA芯片设计的通用性和灵活性，将永磁同步电机控制算法移植其芯片内部，并进行多路电机控制算法的合理设计，实现多路（3～12路）永磁同步电机的驱动控制和协同控制电路。

附图说明

图1为本发明所提供的一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路的组成框图；

图2为本发明所提供的FPGA模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明所提供的一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路包括FPGA模块1、电机转子位置采集模块2、电机相电流采集模块3和电机功率驱动模块4。FPGA模块1的相电流信号输入端通过数字通讯总线与电机相电流采集模块3的信号输出端连通，FPGA模块1的转子位置信号输入端通过数字通讯总线与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。电机转子位置采集模块2的转子位置信号采集端与永磁同步电机组5的转子位置信号输出端连通。电机相电流采集模块3的信号输入端与永磁同步电机组5的相电流信号输出端连通。电机功率驱动模块4的信号输入端与FPGA模块1的SVPWM控制信号输出端连通，电机功率驱动模块4的信号输出端与永磁同步电机组5的电流信号输入端连通。

如附图1所示，永磁同步电机组5为6路永磁同步电机并联，6路永磁同步电机包括第一永磁同步电机501、第二永磁同步电机502、第三永磁同步电机503、第五永磁同步电机504、第五永磁同步电机505、第六永磁同步电机506。第一永磁同步电机501、第二永磁同步电机502、第三永磁同步电机503、第五永磁同步电机504、第五永磁同步电机505、第六永磁同步电机506的位置信号输出端均与电机转子位置采集模块2的信号输入端连通。第一永磁同步电机501、第二永磁同步电机502、第三永磁同步电机503、第五永磁同步电机504、第五永磁同步电机505、第六永磁同步电机506的相电流信号输出端均与电机相电流采集模块3的信号输入端连通。第一永磁同步电机501、第二永磁同步电机502、第三永磁同步电机503、第五永磁同步电机504、第五永磁同步电机505、第六永磁同步电机506的电流信号输入端均与电机功率驱动模块4的信号输出端连通。

如附图2所示，FPGA模块1包括6路永磁同步电机驱动电路，每路电路组成完全相同。

第一路永磁同步电机驱动电路由第一路CLARK变换模块101A、第一路PARK变换模块101B、第一路永磁同步电机电流闭环模块101C、第一路永磁同步电机速度闭环模块101D、第一路永磁同步电机位置闭环模块101E、第一路PARK逆变换模块101F、第一路CLARK逆变换模块101G组成。第一路CLARK变换模块101A的输出端依次与第一路PARK变换模块101B、第一路永磁同步电机电流闭环模块101C、第一路PARK逆变换模块101F、第一路CLARK逆变换模块101G串联。第一路永磁同步电机电流闭环模块101C的速度控制输入端与第一路永磁同步电机速度闭环模块101D的输出端连通，第一路永磁同步电机速度闭环模块101D的输入端与第一路永磁同步电机位置闭环模块101E的位置闭环输出端连通，第一路永磁同步电机位置闭环模块101E的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通，第一路永磁同步电机位置闭环模块101E的指令信号输入端与上位机连通。第一路PARK变换模块101B的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。第一路CLARK逆变换模块101G的输出端与电机功率驱动模块4的信号输入端连通。

第二路永磁同步电机驱动电路由第二路CLARK变换模块102A、第二路PARK变换模块102B、第二路永磁同步电机电流闭环模块102C、第二路永磁同步电机速度闭环模块102D、第二路永磁同步电机位置闭环模块102E、第二路PARK逆变换模块102F、第二路CLARK逆变换模块102G组成。第二路CLARK变换模块102A的输出端依次与第二路PARK变换模块102B、第二路永磁同步电机电流闭环模块102C、第二路永磁同步电机速度闭环模块102D、第二路PARK逆变换模块102F、第二路CLARK逆变换模块102G串联。第二路永磁同步电机电流闭环模块102C的速度控制输入端与第二路永磁同步电机速度闭环模块102D的输出端连通，第二路永磁同步电机速度闭环模块102D的输入端与第二路永磁同步电机位置闭环模块102E的位置闭环输出端连通，第二路永磁同步电机位置闭环模块102E的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通，第二路永磁同步电机位置闭环模块102E的指令信号输入端与上位机连通。第二路PARK变换模块102B的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。第二路CLARK逆变换模块102G的输出端与电机功率驱动模块4的信号输入端连通。

第三路永磁同步电机驱动电路由第三路CLARK变换模块103A、第三路PARK变换模块103B、第三路永磁同步电机电流闭环模块103C、第三路永磁同步电机速度闭环模块103D、第三路永磁同步电机位置闭环模块103E、第三路PARK逆变换模块103F、第三路CLARK逆变换模块103G组成。第三路CLARK变换模块103A的输出端依次与第三路PARK变换模块103B、第三路永磁同步电机电流闭环模块103C、第三路永磁同步电机速度闭环模块103D、三路PARK逆变换模块103F、第三路CLARK逆变换模块103G串联。第三路永磁同步电机电流闭环模块103C的速度控制输入端与第三路永磁同步电机速度闭环模块103D的输出端连通，第三路永磁同步电机速度闭环模块103D的输入端与第三路永磁同步电机位置闭环模块103E的位置闭环输出端连通，第三路永磁同步电机位置闭环模块103E的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通，第三路永磁同步电机位置闭环模块103E的指令信号输入端与上位机连通。第三路PARK变换模块103B的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。第三路CLARK逆变换模块103G的输出端与电机功率驱动模块4的信号输入端连通。

第四路永磁同步电机驱动电路由第四路CLARK变换模块104A、第四路PARK变换模块104B、第四路永磁同步电机电流闭环模块104C、第四路永磁同步电机速度闭环模块104D、第四路永磁同步电机位置闭环模块104E、第四路PARK逆变换模块104F、第四路CLARK逆变换模块104G组成。第四路CLARK变换模块104A的输出端依次与第四路PARK变换模块104B、第四路永磁同步电机电流闭环模块104C、第四路永磁同步电机速度闭环模块104D、第四路PARK逆变换模块104F、第四路CLARK逆变换模块104G串联。第四路永磁同步电机电流闭环模块104C的速度控制输入端与第四路永磁同步电机速度闭环模块104D的输出端连通，第四路永磁同步电机速度闭环模块104D的输入端与第四路永磁同步电机位置闭环模块104E的位置闭环输出端连通，第四路永磁同步电机位置闭环模块104E的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通，第四路永磁同步电机位置闭环模块104E的指令信号输入端与上位机连通。第四路PARK变换模块104B的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。第四路CLARK逆变换模块104G的输出端与电机功率驱动模块4的信号输入端连通。

第五路永磁同步电机驱动电路由第五路CLARK变换模块105A、第五路PARK变换模块105B、第五路永磁同步电机电流闭环模块105C、第五路永磁同步电机速度闭环模块105D、第五路永磁同步电机位置闭环模块105E、第五路PARK逆变换模块105F、第五路CLARK逆变换模块105G组成。第五路CLARK变换模块105A的输出端依次与第五路PARK变换模块105B、第五路永磁同步电机电流闭环模块105C、第五路永磁同步电机速度闭环模块105D、第五路PARK逆变换模块105F、第五路CLARK逆变换模块105G串联。第五路永磁同步电机电流闭环模块105C的速度控制输入端与第五路永磁同步电机速度闭环模块105D的输出端连通，第五路永磁同步电机速度闭环模块105D的输入端与第五路永磁同步电机位置闭环模块105E的位置闭环输出端连通，第五路永磁同步电机位置闭环模块105E的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通，第五路永磁同步电机位置闭环模块105E的指令信号输入端与上位机连通。第五路PARK变换模块105B的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。第五路CLARK逆变换模块105G的输出端与电机功率驱动模块4的信号输入端连通。

第六路永磁同步电机驱动电路由第六路CLARK变换模块106A、第六路PARK变换模块106B、第六路永磁同步电机电流闭环模块106C、第六路永磁同步电机速度闭环模块106D、第六路永磁同步电机位置闭环模块106E、第六路PARK逆变换模块106F、第六路CLARK逆变换模块106G组成。第六路CLARK变换模块106A的输出端依次与第六路PARK变换模块106B、第六路永磁同步电机电流闭环模块106C、第六路永磁同步电机速度闭环模块106D、第六路PARK逆变换模块106F、第六路CLARK逆变换模块10G串联。第六路永磁同步电机电流闭环模块106C的速度控制输入端与第六路永磁同步电机速度闭环模块106D的输出端连通，第六路永磁同步电机速度闭环模块106D的输入端与第六路永磁同步电机位置闭环模块106E的位置闭环输出端连通，第六路永磁同步电机位置闭环模块106E的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通，第六路永磁同步电机位置闭环模块106E的指令信号输入端与上位机连通。第六路PARK变换模块106B的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块2的信号输出端连通。第六路CLARK逆变换模块106G的输出端与电机功率驱动模块4的信号输入端连通。

本发明所提供的一种于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路的工作原理：如图1和图2所示，电机转子位置采集模块2内部由光电码盘解码电路或旋转变压器励磁解码电路构成，配合永磁同步电机轴端的光电码盘或旋转变压器采集电机转子旋转角位移。FPGA模块1通过数字通讯总线，如SPI或IIC等数字总线，读取电机转子位置采集模块2采集的永磁同步电机组5（即6路永磁同步电机）的转子位置信号。电机相电流采集模块3由电流采集电路和模数转换电路构成，采集六路永磁同步电机的U相、V相、W相中的任意两相电流，或者同时采集U相、V相、W相的三相电流。电机相电流采集模块3采集电机相电流并通过数字通讯总线传送至FPGA模块1。FPGA模块1接收6路永磁同步电机的转子位置信号和相电流信号，通过处理后输出六路SVPWM开关信号（即空间矢量脉宽调制波）给电机功率驱动模块4，电机功率驱动模块4驱动永磁同步电机组5（即6路永磁同步电机）运动，从而实现驱动多路永磁同步电机运动的功能。

如图2所示，本发明所提供的FPGA功能模块1的工作原理：FPGA功能模块1通过控制电机转子位置采集模块2同时采集6路永磁同步电机的转子位置信号；FPGA功能模块1通过控制电机相电流采集模块3，同时采集6路永磁同步电机的12路或18路相电流信号（当采集六路永磁同步电机的U相、V相、W相中的任意两相电流时，每路2电流信号，6路永磁同步电机共计12路相电流信号。当采集U相、V相、W相三相电流时每路3电流信号，6路永磁同步电机共计18路相电流信号）。电机相电流采集模块3采集的相电流信号通过CLARK变换模块进行CLARK坐标变换后，再与电机转子位置采集模块2采集的电机转子位置信号共同通过PARK变换模块进行PARK坐标变换，得到6路永磁同步电机的直轴电流Id和交轴电流Iq。电机转子位置采集模块2采集的电机转子位置信号通过永磁同步电机位置闭环模块进行位置闭环计算、同步电机速度闭环模块进行速度闭环计算后，与直轴电流Id、交轴电流Iq共同通过永磁同步电机电流闭环模块进行电流闭环计算后，得到6路永磁同步电机的直轴电压Ud和交轴电压Uq。直轴电压Ud、交轴电压Uq通过PARK逆变换模块进行PARK逆变换的坐标变换、CLARK逆变换模块进行CLARK逆变换的坐标变换后，生成控制电机功率驱动模块4的6路SVPWM开关信号，电机功率驱动模块4将SVPWM开关信号进行直流电源逆变，进而驱动永磁同步电机运动。以上过程实现了6路永磁同步电机各自独立的驱动控制功能。

即本发明实现了多路永磁同步电机的驱动控制和协同控制电路。驱动控制指控制单路永磁同步电机正常运动，协同控制指可以协同多路永磁同步电机相互配合运动，以同时驱动同一机械装置完成预定功能。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。例如永磁同步电机组5可以为3～12路永磁同步电机并联，FPGA模块1相应的为3～12路永磁同步电机驱动电路并联，即永磁同步电机的数量与FPGA模块1的永磁同步电机驱动电路数量相同，本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (5)

1.一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，其特征在于：包括FPGA模块（1）、电机转子位置采集模块（2）、电机相电流采集模块（3）和电机功率驱动模块（4），FPGA模块（1）的相电流信号输入端与电机相电流采集模块（3）的信号输出端连通，FPGA模块（1）的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块（2）的信号输出端连通；电机转子位置采集模块（2）的转子位置信号采集端与永磁同步电机组（5）的转子位置信号输出端连通；电机相电流采集模块（3）的信号输入端与永磁同步电机组（5）的相电流信号输出端连通；电机功率驱动模块（4）的信号输入端与FPGA模块（1）的SVPWM控制信号输出端连通；电机功率驱动模块（4）的信号输出端与永磁同步电机组（5）的电流信号输入端连通；FPGA模块（1）读取电机转子位置采集模块（2）采集的永磁同步电机组（5）的转子位置信号；电机相电流采集模块（3）采集永磁同步电机组（5）的相电流并传送至FPGA模块（1）；FPGA模块（1）接收永磁同步电机组（5）的转子位置信号和相电流信号，输出SVPWM开关信号给电机功率驱动模块（4），电机功率驱动模块（4）驱动永磁同步电机组（5）运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，其特征在于：所述的永磁同步电机组（5）为多路永磁同步电机并联，所述的FPGA模块（1）包括多路永磁同步电机驱动电路。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，其特征在于：所述的每路永磁同步电机的位置信号输出端均与电机转子位置采集模块（2）的信号输入端连通，每路永磁同步电机的相电流信号输出端均与电机相电流采集模块（3）的信号输入端连通；每路永磁同步电机的电流信号输入端均与电机功率驱动模块（4）的信号输出端连通。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，其特征在于：所述的每路永磁同步电机驱动电路均包括CLARK变换模块、PARK变换模块、永磁同步电机电流闭环模块、永磁同步电机速度闭环、永磁同步电机位置闭环模块、PARK逆变换模块、CLARK逆变换模块；CLARK变换模块的输出端依次与PARK变换模块、永磁同步电机电流闭环模块、PARK逆变换模块、CLARK逆变换模块串联；永磁同步电机电流闭环模块的速度控制输入端与永磁同步电机速度闭环模块的输出端连通；永磁同步电机速度闭环模块的输入端与永磁同步电机位置闭环模块的位置闭环输出端连通；永磁同步电机位置闭环模块的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块（2）的信号输出端连通，永磁同步电机位置闭环模块的指令信号输入端与上位机连通；PARK变换模块的转子位置信号输入端与电机转子位置采集模块（2）的信号输出端连通；CLARK逆变换模块的输出端与电机功率驱动模块（4）的信号输入端连通。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA芯片的多路永磁同步电机控制电路，其特征在于：所述的FPGA功能模块（1）通过电机转子位置采集模块（2）采集多路永磁同步电机的转子位置信号，FPGA功能模块（1）通过电机相电流采集模块（3）采集多路永磁同步电机的相电流信号；电机相电流采集模块（3）采集的相电流信号通过CLARK变换模块进行CLARK坐标变换后，再与电机转子位置信号共同通过PARK变换模块进行PARK坐标变换，得到多路永磁同步电机的电流Id和Iq；电机转子位置信号通过永磁同步电机位置闭环模块、同步电机速度闭环模块进行速度闭环后，与电流Id、Iq共同通过永磁同步电机电流闭环模块进行电流闭环，得到多路永磁同步电机的电压Ud、Uq；电压Ud、Uq通过PARK逆变换模块、CLARK逆变换模块进行逆变换的坐标变换后，生成控制多路SVPWM开关信号，电机功率驱动模块（4）将SVPWM开关信号进行直流电源逆变，进而驱动多路永磁同步电机运动。