CN108075708A - 一种开关磁阻电机的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机的驱动系统，主要包括FPGA芯片(1)、驱动电路(2)、功率变换器(3)、电机本体(4)、位置检测模块(5)、电流检测模块(6)、电源(7)。其特征在于：电源模块(7)连接FPGA芯片(1)给芯片供电，经过FPGA芯片(1)内的控制器算法计算得出适当的驱动信号，由PWM模块输出给驱动电路(2)，经过功率变换器(3)对电机本体(4)进行控制以使其运转，运转的同时由位置检测模块(5)采集其位置信号反馈给FPGA芯片(1)，电流检测模块(6)进行相电流检测。本发明提出的驱动系统使用FPGA通过硬件描述语言设计转速计算和驱动信号生成并行硬件处理模块，具有响应速度快、转矩脉动小以及系统稳定性高的优点。

Description

一种开关磁阻电机的驱动系统

技术领域

本发明涉及于开关磁阻电机的控制技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机的驱动系统设计。

背景技术

开关磁阻电机调速系统，简称SRD，是融电力电子技术、微电子技术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性能，是一种新型的调速系统，它不但兼具交、直流调速的基本优点，而且具备独特的高速性能以及容错能力。它结构简单、坚固耐用、成本低廉、可控参数多、控制方式灵活多样、可得到各种所需的机械特性，且在宽广的调速范围内均具有较高的效率。因此在工业电气传动、自动控制、航空航天以及各种民用制造业的交、直流传动等领域得到了广泛的关注，具有很好的应用前景。传统的开关磁阻电机控制系统虽然具有一系列的优点，但是开关磁阻电机也存在转矩大小与转子位置和绕组电流瞬时值之间关系呈现明显非线性，进而导致电机转矩脉动和噪声的问题。传统中使用线性模型及准线性模型描述电机磁链与角度、电流的关系，精度较差，更加恶化了控制效果。因此，取代传统的控制系统，克服传统控制系统带来的一系列的不足，设计一种新型高效的开关磁阻电机驱动系统具有十分重要的实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服传统开关磁阻电机的驱动系统的不足，提供了一种基于FPGA硬件的开关磁阻电机的驱动系统。FPGA片上应用系统是本发明的控制核心。本发明提供的具体技术方案是：

1)一种开关磁阻电机的驱动系统，主要包括FPGA芯片1、驱动电路2、功率变换器3、电机本体4、位置检测模块5、电流检测模块6、电源7。其特征在于：电源模块7连接FPGA芯片1给芯片供电，经过FPGA芯片1内的控制器实现算法计算得出适当的驱动信号，由PWM模块输出给驱动电路2，驱动电路2产生驱动信号经过功率变换器3对电机本体4进行控制以使其运转，运转的同时由位置检测模块5采集其位置信号反馈给FPGA芯片1，电流检测模块6进行相电流检测，实现开关磁阻电机驱动系统转速、电流双闭环控制。

2)FPGA芯片1包括Avalon总线、RISC结构CPU(Nios II)以及SDRAM Control等标准组件、SDRAM控制器、EPCS控制器、自定义PWM模块、UART模块。

3)驱动电路2包括用于隔离信号的光电耦合器、驱动信号放大的图腾柱电路。

3)功率变换器3包括不对称半桥型主回路，三组桥臂6个IGBT以及续流二级管构成形成续流和退磁反馈回路。

4)电机本体4包括6/4开关磁阻电机。

5)位置检测模块5包括采集位置信号的传感器和处理位置信号的位置信号电路。

6)电流检测模块6包括用于采样电机相电流的霍尔电流传感器及相关电路。

7)电源7包括用于给控制芯片供电的直流开关电源。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明提出的驱动系统采用基于FPGA的可编程片上系统SOPC技术，具有响应速度快、转矩脉动小以及系统稳定性高的优点。

(2)本发明提出的驱动系统针对电机高速运行时转子位置信号频率高处理困难，还有驱动信号生成占用系统资源较多的问题，具有使用FPGA通过硬件描述语言设计转速计算和驱动信号生成并行硬件处理模块的特点。

(3)本发明使用SDRAM存储器，可以对FPGA硬件进行并行操作，增加了控制的精度可以减少开关磁阻电机控制不良时的抖振情况。

(4)本发明提出的驱动系统能够提高响应速度以减弱转矩脉动，并将控制板中逻辑处理电路集成到控制器内部。

(5)本发明提出的驱动系统中软核只负责适合程序处理部分，实现对驱动系统软硬件设计的同时进行优化。

(6)本发明提出的驱动系统利用FPGA高可靠性改善以往处理器在强干扰下程序运行不稳定的问题，以实现扩展开关磁阻电机驱动系统在高铁、汽车、民用和军工领域的运用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的驱动系统框图。

图2为本发明的FPGA芯片设计流程框图

图3为本发明的SOPC系统设计任务框图。

图4为本发明的SOPC系统模块连接框图。

图5为本发明的处理器算法实现框图。

图6为本发明的控制系统主程序流程图。

图7为启动子程序流程图

图1中1为FPGA芯片、2为驱动电路、3为功率变换器、4为电机本体、5为位置检测模块、6为电流检测模块、7为电源。

具体实施方式

本发明提出的驱动系统能够实现开关磁阻电机驱动系统转速、电流双闭环控制。使用FPGA通过硬件描述语言设计转速计算和驱动信号生成并行硬件处理模块，具有响应速度快、转矩脉动小以及系统稳定性高的优点。

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对对发明的技术方案进行详细说明：

图1为开关磁阻电机驱动系统框图，它包括FPGA芯片、驱动电路、功率变换器、电机本体、位置检测模块、电流检测模块、电源。

1、FPGA芯片

FPGA芯片的内部结构详见图2，FPGA芯片中的所有硬件模块都在Quartus II软件中采用Verilog或VHDL硬件描述语进行编写，广泛应用于嵌入式系统的一款RISC构CPU(NIOSII)以及AVALON总线、SDRAM Control等标准组件已被定义成IP软核，开发者均可在Quartus II中调用SOPC Builder对系统所需模块进行配置。

而完成特定业务用户自定定义设计的逻辑模块也可封装成IP核，以供SOPCbuilder配置调用，系统所有组件包括用户自定义模块均可通过Avalon总线与NIOSII软核通讯，设计者能够用SOPC Builder系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统，在经连接和分配地址中断后处理器系统可生成软件设计所用C头文件、函数库以及外设驱动.

整个硬件系统设计完毕后需要综合，并利用综合后的文件进行仿真以验证系统满足设计要求，最后经布线布局后才能完成所有硬件设计工作，整体功能波形仿真过程使用Modelsim SE，综合布局布线下载都通过ISE完成。

Nios II软核具有包括编译器、集成开发环境(IDE)、JTAG调试器等完备的软件开发工具软件编写可在开源集成开发环境Eclipse针对FPGA的Nios II IDE下进行，利用硬件系统提供的C头文件、函数库、外设驱动可以很方便的实现对各模块的控制、数据的读取和写入，配合系统库中的其他功能函数，可以方便快捷的设计控制所需功能。编译链接后生成的可执行文件与硬件配置文件一同下载到FPGA中。

2、驱动电路

驱动电路包括用于隔离信号的光电耦合器、驱动信号放大的图腾柱电路。

本发明中的光电耦合器选用HCPL-316J或其他可代替的型号，具有软关断、错误状态反馈、过电压和欠电压检测以及欠电压锁定等功能

本发明中的图腾柱电路采用P型和N型对管，并采用栅极二极管限幅。

本发明中的驱动电路在SOPC系统模块连接方式，具体结合图4说明。

3、功率变换器

功率变换器包括不对称半桥型主回路，三组桥臂6个IGBT以及续流二级管构成形成续流和退磁反馈回路。

本发明中的功率变换器主要负责定子绕组与直流电源的接通和关断，并提供续流回路，且无需考虑通电方向，只需按照电机转向改变各桥臂间通电次序即可。

本发明中的功率变换器针对开关磁阻电机具体工作特点，采用不对称半桥型主回路，与其他形式相比，这种结构增加了开关器件数量和辅助电路但是实现了各相之间完全独立控制，在斩波期间提供续流和在换相时退磁回路，适用于高电压大功率场合。

4、电机本体

电机本体包括6/4开关磁阻电机及其方式的开关磁阻电机。

本发明中的电机内三对定子极AA`、BB`、CC`分别经三根导线缠绕，形成三相绕组，转子侧无绕组，每项绕组在功率变换器内与一组功率器件相对应，每组中上下两个桥臂功率器件与定子绕组相串联。

本发明中的电机本体的处理器控制算法实现，具体结合图5说明。

5、位置检测模块

位置检测模块包括采集位置信号的传感器和处理位置信号的位置信号电路。

本发明中的用光电开关H219及其他型号对转子位置进行检测，检测得到的电平信号经光电隔离后传入控制器进行逻辑综合。

本发明中选用45°间隔8齿遮光盘与转子同轴安装，其中遮光盘齿槽分布及尺寸与转子齿槽相同，三个光电开关需彼此相隔(30+n*θ)度沿定子槽安装(其中θ＝90，n为任意自然数)。

6、电流检测模块

电流检测模块包括用于采样电机相电流的霍尔电流传感器及相关电路。

本发明中的电流检测模块用霍尔电流传感器采样电机相电流，采样信号除经电压比较生成过流保护故障信号外也传至控制器用于生成电机电流闭环控制。

本发明中的霍尔电流传感器，采集获得信号经放大器放大后输出电压信号，其电压大小代表电路中电流大小，一方面其经AD转换成数字量后输入控制器另一方面经电流保护电路后生成过流保护故障信号。

7、电源

电源包括用于给控制芯片供电的直流开关电源

图3为基于SOPC技术的控制器设计中，除Nios II等标准组件直接配置外，硬件系统中主要设计转速计算模块、IGBT驱动模块实现对转速计算和IGBT信号生成的硬件处理。

SOPC设计包括硬件设计和软件设计，两部分协同进行，用户自定义逻辑模块采用硬件控制算法实现，从而将原有处理器中通过软件编程实现的业务处理在处理器外使用硬件高速处理，不再占用系统时间片，而且由于硬件处理采用并行设计、流水线结构可实现大数据量的快速响应，释放的系统时间片用于更加复杂算法的解算和不适合硬件系统的算法控制。

它不用处理器资源，并将位置信号处理和故障信号处理集成到FPGA控制器内部，简化控制板，提高系统响应速度和抗干扰能力。

在软核中主要根据绕组电流大小、电机转速计算，实现启动低速时对电流的斩波控制、在稳态时的角度位置控制。

图4为SOPC系统模块连接框图。在以往的开关磁阻电机驱动系统的控制器程序中，由于采用光电开关获得转子位置信号并不能直接获得电机转速，因此在要在控制器中占用大量的系统资源以对转子位置进行处理获得电机转速。三路光电开关信号并不能有效指导。转子换相，需要取反与前相信号取与以分析出A、B、C三相的换相信号，要在控制板中增加非门和与门逻辑器件，为实现对主回路电压过大或不足、功率器件温度保护和及绕组电流过大的处理，当系统发生故障时关断IGBT驱动信号，防止系统进一步损坏，直到控制器发出恢复指令，在控制板设计互锁电路，这些功能进一步增加了控制板复杂程度。

因此基于SOPC技术的控制器设计中，除Nios II等标准组件直接配置外，硬件系统中主要设计转速计算模块、IGBT驱动模块实现对转速计算和IGBT信号生成的硬件处理，不再占用处理器资源，并将位置信号处理和故障信号处理集成到FPGA控制器内部，简化控制板，提高系统响应速度和抗干扰能力，而在软核中主要根据绕组电流大小、电机转速计算，实现启动低速时对电流的斩波控制、在稳态时的角度位置控制。

整个可编程片上系统按照模块化设计原则，自上而下将任务分块，进行功能分离，每一块可独立开发，实现低耦合。在Quartus II主要进行AD控制模块、转速计算模块、IGBT驱动模块以及故障综合模块的开发，并且在SOPC buider中将AD控制模块、转速计算模块、IGBT驱动模块封装成IP核连接在AVALON总线上，实现与系统中其他模块高速通信，与NiosII软核、System ID、EPSC_CONTROL、SDRAM_CONTROL、JTAG_UART、UART配置生成顶层文件。

图5为处理器算法实现框图。驱动系统算法实现使用C语言实现。SRD控制框图中双闭环控制部分，即根据电机转速、电流大小以及转子位置信号确定功率器件控制信号。

在整个过程中FPGA控制器采用SOPC技术实现了对Nios II软核、转速计算模块、AD控制模块、转子位置处理、IGBT驱动模块、故障综合模块的集成。

其中Nios II软核内算法实现了对电机转速和电流双闭环控制，转速计算模块通过采集到转子位置信号计算电机转速，传至软核内部，电机根据电机转速设定采用电流斩波控制或者角度位置控制，并调整开通角和关断角大小，从软核输出信号传至IGBT驱动模块，完成电机换相并根据开通角和关断角的计算，控制驱动电路中功率器件的工作。

基于SOPC技术的控制器不同于以往通用处理器，根据在SOPC builder中设计的专用硬件处理系统，Quartus II软件可自动根据系统结构为软件开发提供编程接口，在硬件抽象层提供了底层设备驱动，为软件开发提供了HAL API，结合C标准库等资源可以方便的在应用层进行软件开发。

图6为控制系统主程序流程图。驱动系统控制算法运行的全过程中要经历启动、速度调整到指定转速并持续运行、停止三个阶段。

当系统开始运行后循环判断电机是否启动，当电机从静止开始起动后由于此时电机转速为零因此进入启动程序直接输出IGBT驱动信号使电机转动。

为实现电机由静止到基速具有恒转矩特性，基速以上具有恒功率特性，电流控制模块采用电流斩波与角度位置控制相结合的方式实现。随着转速上升，由电流斩波过渡为角度位置控制，电机特性也从恒转矩过渡为恒功率.

图7为启动子程序流程图。在之后的过程中返回主程序，读取电机电流和转速，通过PI调节计算电流输出值，在确定开通角和关断角大小后，控制内核通过总线输出开通角关断角大小、斩波信号等，直到系统停止运转。

Claims (8)

1.一种开关磁阻电机的驱动系统，主要包括FPGA芯片(1)、驱动电路(2)、功率变换器(3)、电机本体(4)、位置检测模块(5)、电流检测模块(6)、电源(7)，其特征在于：电源模块(7)连接FPGA芯片(1)给芯片供电，经过FPGA芯片(1)内的控制器实现算法计算得出适当的驱动信号，由PWM模块输出给驱动电路(2)，驱动电路(2)产生驱动信号经过功率变换器(3)对电机本体(4)进行控制以使其运转，运转的同时由位置检测模块(5)采集其位置信号反馈给FPGA芯片(1)，电流检测模块(6)进行相电流检测，实现开关磁阻电机驱动系统转速、电流双闭环控制。

2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的FPGA芯片(1)包括Avalon总线、RISC结构CPU(Nios II)以及SDRAM Control等标准组件、SDRAM控制器、EPCS控制器、自定义PWM模块、UART模块。

3.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的驱动电路(2)包括用于隔离信号的光电耦合器、驱动信号放大的图腾柱电路。

4.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的功率变换器(3)包括不对称半桥型主回路，三组桥臂6个IGBT以及续流二级管构成形成续流和退磁反馈回路。

5.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的电机本体(4)包括6/4开关磁阻电机。

6.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的位置检测模块(5)包括采集位置信号的传感器和处理位置信号的位置信号电路。

7.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的电流检测模块(6)包括用于采样电机相电流的霍尔电流传感器及相关电路。

8.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：所述的电源(7)包括用于给控制芯片供电的直流开关电源。