CN109302114A - 基于fpga实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，采用自顶向下的设计思想和模块化设计方式，使用Verilog硬件描述语言设计了控制器所需的全部算法，包括龙伯格观测器模块、SVPWM及死区补偿模块、Clark‑Park模块、PI控制模块、CORDIC模块、AD/DA转换控制模块、角度给定模块和解码模块。该方法充分利用FPGA丰富的可编程逻辑资源将复杂的控制算法通过并行的硬件电路实现，相比软件实现控制方案，本发明具有执行效率高、计算速度快、设计灵活简洁、可移植性高等优点，在永磁同步电机无位置传感器控制，及其高速运行和多电机控制场合，具有广阔的应用前景。

Description

基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制 方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，特别涉及一种基于FPGA实 现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)以其效率高、功率密度大和调速范围宽 等优点，在高性能伺服、调速等场合得到广泛的应用。PMSM无位置 传感器控制因其省去了位置传感器，对减小电驱动系统体积，降低系 统成本，提高系统可靠性等方面具有重要意义。因此，研究高实时性 的位置估计算法代替机械式位置传感器，引起了工业界和学术界的广 泛关注。

目前，常规PMSM无位置传感器闭环控制解决方案大都采用微控 制器(MCU)来实现。普通48MHz主频的32位MCU执行一次矢量 控制和位置估计算法时间可能超过30us。因此，在高速场合，受MCU 计算资源限制，无法实现更高更新频率的PWM输出。但是，采用硬 件执行算法，可大大减小算法执行时间，开发出具有更高执行效率的 控制器或专用集成芯片(ASIC)。相比基于MCU软件实现方案，基 于FPGA硬件实现方案具有如下优势：高速且并行计算能力强、设计 灵活、可靠性高、可移植性强等，已应用于主动前端整流、多电平变 换器、交流伺服驱动器等场合。

目前，工业及家用电器领域，如风机、泵、压缩机等电驱动系统， 广泛使用PMSM。这些场合电机主要运行于中高速阶段，且其转速可 能超过10 000r/min。需要更高更新频率的PWM输出以及更快的算法 执行速度。

发明内容

为了克服已有永磁同步电机无位置传感器控制方式的执行时间较 长、性能较低的不足，本发明提供了一种基于FPGA实现的永磁同步 电机全速范围无位置传感器控制方法，采用FPGA设计控制器，采用 硬件描述语言实现全部算法，可极大减小算法执行时间，开发出高性 能的电驱动系统控制器，具有重要的应用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制 方法，所述控制方法包括永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策 略和FPGA实现策略；

所述永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略中，低速阶段 采用I/F启动控制策略，加速到一定转速后切换至基于龙伯格状态观 测器的无位置传感器闭环控制：

I/F启动控制策略，产生一个频率逐渐增大而电流幅值跟随给定值 的旋转电压矢量，分为预定位阶段和加速启动阶段；

预定位阶段采用电流闭环，即给定q轴以幅值足够大的电流，d轴 电流给定为零；给定位置为270度，这样可以将转子N极定位于α轴；

预定位使得给定d-q坐标系滞后于真实d-q坐标系90°电角度，保 证加速启动瞬间电磁转矩为零，随着给定d-q坐标系的旋转，电磁转 矩逐渐增加；根据电机功角自平衡原理，功角δ会稳定在一个固定值；

龙伯格状态观测器位置估计策略，在同步旋转估计d-q轴坐标系 上，状态空间模型表示为

式中，为状态向量，为输入向量， 为输出向量，A、B、C分别为状态空间矩阵、输入矩阵和输 出矩阵系数，定义如下：

根据式(1)，建立龙伯格观测器，表达如下：

式中，L为反馈增益矩阵，其表达如下

其中，ω_ob、ζ_ob为龙伯格状态观测器带宽、阻尼系数，为保证收敛快 速性，需选择合适观测器带宽和阻尼系数：

式中，ω_PLL为锁相环(PLL)带宽；

平滑切换策略，采用两步切换策略，即电流切换与位置切换，当 电机通过I/F启动拖至设定转速时，龙伯格状态观测器对转子位置进 行准确地估算；此时减小q轴给定电流根据电机功角自平衡原理， 功角δ会逐渐变大，给定位置会逐渐逼近实际位置；当减小至位置 误差小于指定的阈值θ_th时，用龙伯格状态观测器估计出来的位置信 号代替给定位置并进入速度电流双闭环控制；

所述FPGA实现策略，整套系统工作在50MHz主频下，PWM开 关频率为16kHz；各个模块使用VerilogHDL语言进行设计，并用 Modsim进行功能仿真与门级仿真，验证其正确性后封装成模块。

进一步，所述FPGA实现策略中，所有模块在一个时序控制模块 控制下，按照整体串行、局部并行的运行方式工作，所有模块包括：

CORDIC模块，由数据寄存器、移位寄存器、累加器、计数器和 查找表构成，计算转子位置角度的正余弦值，用于坐标变换和SVPWM 矢量作用时间计算；

SVPWM及死区补偿模块，包括Park逆变换、SVPWM计算以及 死区补偿，其输入为以及正余弦值，计算得到的后，再 通过SVPWM计算得到三个带死区补偿的占空比；

观测器模块，包括龙伯格状态观测器和PLL，龙伯格状态观测器 输入为估计dq轴电压、电流和估计转速，输出为估计dq轴上反电动 势分量，然后采用PLL得到估计位置和速度；使用一个IQ24格式乘 法模块，结合状态机来实现流水线式矩阵运算。

再进一步，所有模块还包括IQ24格式乘、除法模块、AD/DA控 制模块、Clark-Park坐标变换模块、角度给定模块、角度切换模块、 时序控制模块和解码模块。

本发明的技术构思为：采用自顶向下的设计思想，首先确定整套 系统要完成的功能，在利用硬件描述语言设计能实现对应功能且可复 用的模块，最后按照控制时序调用各个模块构成整套系统利用 QuartusII软件对顶层文件进行综合布线并下载到板级调试。低速阶段 采用I/F半闭环启动，中高速阶段采用龙伯格状态观测器闭环控制， 龙伯格状态观测器是基于估计的旋转坐标系建立的，既可以应用于表 贴式永磁同步电机也可以应用于内嵌式永磁同步电机。I/F启动和无位 置传感器闭环控制之间加入平滑切换策略，保证切换过程快速且无抖 动。

本发明通过采用全硬件方式实现所有控制算法，缩短算法执行时 间，提高控制性能，尤其适合高转速和多电机驱动场合。本发明低速 阶段采用恒流变频方式(I-F)启动，加速到一定转速后切换至基于龙 伯格状态观测器的无位置传感器闭环控制。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)龙伯格状态观测器建立在估计的旋转参考坐标系，可以适合 内嵌式永磁同步电机；

(2)在资源较少的单片FPGA上实现PMSM的无位置传感器控 制；

(3)Verilog硬件描述语言的编写使得程序移植更加方便，模块化 的设计使得系统功能变更更加灵活；

(4)整个算法执行时间控制在2.6us以内，可以输出更高更新频 率的PWM，提高控制性能，同时满足电机高速运行的需求，或单芯 片控制多电机场合。

附图说明

图1示出了本发明基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位 置传感器控制结构框图。

图2示出了本发明基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位 置传感控制装置结构图。

图3示出了本发明的FPGA控制器实现时序图。

图4示出了本发明的CORDIC算法实现图。

图5示出了本发明实施例提供的FPGA系统资源消耗与各模块执 行时间表。

图6示出了本发明实施例提供的额定负载情况下永磁同步电机 I-F启动至无位置传感器闭环控制的实验波形图。

图7示出了本发明实施例提供的额定负载情况下永磁同步电机速 度阶跃响应的实验波形图。

图8示出了本发明实施例提供的永磁同步电机突加突减负载的动 态性能波形的是实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无 位置传感器控制方法，通过采用全硬件方式实现所有控制算法，缩短 算法执行时间，提高控制性能，尤其适合高转速和多电机驱动场合。 本发明低速阶段采用恒流变频方式(I-F)启动，加速到一定转速后切 换至基于龙伯格状态观测器的无位置传感器闭环控制。

针对坐标变换模块中正余弦计算精度问题，本发明采用IQ24格式 的CORDIC算法；

针对逻辑单元(LEs，Logic Elements)消耗过多问题，本发明采 用状态机实现所提控制策略，该策略主要思想是在转速、电流PI控制 器，SVPWM及死区补偿模块，I-F启动，龙伯格状态观测器等模块实 现过程中，采用整体串行，局部并行的设计方法。

本发明的基于FPGA实现的PMSM全速范围无位置传感器控制方 法包括永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略和FPGA实现策 略；

永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略，包括：

I/F启动控制策略，其核心是产生一个频率逐渐增大而电流幅值跟 随给定值的旋转电压矢量，分为预定位阶段和加速启动阶段。

预定位阶段采用电流闭环，即给定q轴以幅值足够大的电流，d轴 电流给定为零，从而避免直接给定d、q轴电压不合适，导致电流过大 损坏功率器件。给定位置为270度(全文都为电气角度)。这样，可以 将转子N极定位于α轴。需要注意的是，定位需要持续一段时间，以 保证定位成功。

预定位使得给定d-q坐标系滞后于真实d-q坐标系90°电角度，保 证加速启动瞬间电磁转矩为零，随着给定d-q坐标系的旋转，电磁转 矩逐渐增加。根据电机功角自平衡原理，功角δ会稳定在一个固定值。 I-F启动能够保证电机在一定负载下不失步，但前提必须保证给定的电 流足够大。

龙伯格状态观测器位置估计策略，在同步旋转估计d-q轴坐标系 上，状态空间模型可表示为

式中，为状态向量，为输入向量， 为输出向量，A、B、C分别为状态空间矩阵、输入矩阵和输 出矩阵系数，定义如下：

根据式(5)，建立龙伯格观测器，表达如下：

式中，L为反馈增益矩阵，其表达如下

其中，ω_ob、ζ_ob为龙伯格状态观测器带宽、阻尼系数。为保证收敛快 速性，需选择合适观测器带宽和阻尼系数：

式中，ω_PLL为锁相环(PLL)带宽。

平滑切换策略，采用两步切换策略，即电流切换与位置切换。当 电机通过I/F启动拖至一定转速时，龙伯格状态观测器可以对转子位 置进行准确地估算。此时减小q轴给定电流根据电机功角自平衡 原理，功角δ会逐渐变大，给定位置会逐渐逼近实际位置。当减小 至位置误差小于指定的阈值θ_th时，用龙伯格状态观测器估计出来的 位置信号代替给定位置并进入速度电流双闭环控制。

所述FPGA实现策略，整套系统工作在50MHz主频下，PWM开 关频率为16kHz。各个模块使用VerilogHDL语言进行设计，并用 Modsim进行功能仿真与门级仿真，验证其正确性后封装成相应的模 块。所有模块在一个时序控制模块控制下，按照整体串行、局部并行 的运行方式工作，需设计模块如下：

CORDIC模块：主要由数据寄存器、移位寄存器、累加器、计数 器、查找表等五部分构成，计算转子位置角度的正余弦值，用于坐标 变换和SVPWM矢量作用时间计算。执行一次CORDIC算法得到相应 的正余弦值需要26个时钟周期。

SVPWM及死区补偿模块：包括Park逆变换、SVPWM计算以及 死区补偿。其输入为以及正余弦值，计算得到的后，再 通过SVPWM计算得到三个带死区补偿的占空比。整个流程仅需30 个时钟周期。

观测器模块：包含龙伯格状态观测器和PLL。龙伯格状态观测器 输入为估计dq轴电压、电流和估计转速，输出为估计dq轴上反电动 势分量，然后采用PLL得到估计位置和速度。该模块涉及大量的乘法， 综合考虑算法执行时间、精度以及LEs消耗，仅使用一个IQ24格式 乘法模块，结合状态机来实现流水线式矩阵运算。完成一次状态估计 需要126个时钟周期

其他模块：IQ24格式乘、除法模块、AD/DA控制模块、Clark-Park 坐标变换模块、角度给定模块、角度切换模块、时序控制模块、解码 模块。

在FPGA上实现对永磁同步电机进行的全程无位置传感器控制， 要解决的技术问题是：所有模块均使用Verilog硬件描述语言编写控制 FPGA逻辑资源的消耗，对控制算法进行分块处理，使用并行运算方 式提高执行效率，整套系统采用IQ24格式数据提高运算精度，设计 时序严谨的控制模块保证系统运行的可靠性，I/F启动阶段切换至龙伯 格状态观测器过程中分步切换的控制，龙伯格状态观测器基于估计的 旋转坐标系建立的，估计的转速进行滤波达到较好的估计效果。

参照图1，本发明所提供的基于FPGA的永磁同步电机全程无位置 传感器控制方法主要由I/F启动控制模块、龙伯格状态观测器速度与 位置估计模块、SVPWM及死区补偿模块、PI控制模块以及切换模块 组成。所述I/F启动模块将电机拖至一定转速切换至无位置传感器闭 环控制。

参照图2，整套装置由驱动板和控制板构成，驱动板主要完成电 源变换，首先将电网的交流整流成直流，然后利用三相全桥电路把直 流电逆变成交流电。控制板包括FPGA控制芯片，AD采样电路，DA 转换电路，通信接口。控制板通过电流互感器隔离采样电机三相电流 完成位置估计算法和电机控制。

参照图3，整套系统使用Altera公司型号为EP4CE10F的FPGA 作为主控芯片。工作开关频率为16kHz，每个开关周期起始处AD采 样芯片会采集到A、B两相电流并将数据通过SPI总线传到FPGA的 缓存中，与此同时，CORIDC模块会根据转子的位置角度算出对应的 正余弦值。然后，Clark-Park变换模块开始工作，把静止三相坐标系 中的电流值转化到d-q轴电流，转换完成后开启d-q轴PI并行控制运 算模块得到相应的d-q轴电压值。最后，SVPWM及死区补偿模块开 始工作计算出三个带死区补偿的比较值用于PWM模块产生六路 PWM脉冲控制信号。龙伯格观测器在当前周期d-q轴电流获取后开始 工作，与其他模块并行运算，其结果用于下一周期转子位置控制。受 益于FPGA强大的并行处理能力，整套算法执行时间被控制在2.6us 以内。

所述CORDIC模块其核心为旋转模式CORDIC算法，CORDIC算 法的本质是一种基于查找表的迭代算法。CORDIC模块内有一个32 位24深度的角度查找表，这也决定了正余弦精度。CORDIC算法有三 个初始变量X、Y、Z，并且设定器初始值分别为1/K(K为伸缩因子， 其值为0.6073)、0、输入角度，经过旋转变换处理使Z变为0时，X 的输出就是正弦值，Y的输出就是余弦值。CORDIC模块由三个数据 选择器、三个数据寄存器、三个加法器、两个移位寄存器、一个计数 器和一个查找表构成，如图4所示。计数器会计录移位次数，当计数 器次数达到查找表底时，该模块就输出运算的结果。

所述SVPWM及死区补偿模块，包括了Park逆变换、扇区判断、 死区补偿等三个部分，Park逆变换把PI控制器输出的d-q坐标系电压 值转化到α-β坐标系电压值，扇区判断根据α-β轴电压值判断出当前时 刻合成矢量需要的非零矢量，死区补偿会在计算得到的占空比基础上 进行修改，补偿死区及功率器件非线性特性带来的电压损失和畸变。

所述观测器模块，其核心是完成四阶矩阵的乘法运算。按照PMSM 的状态方程，构成龙伯格状态观测器。使用一个IQ24格式乘法，在 状态机的控制下顺序地执行相应矩阵运算。该模块在每个PWM周期 开始处读取AD采样得到的电流值，同时CORDIC模块会计算出估计 角度的正余弦值，然后使用Clark-Park坐标变换计算对应的估计d-q 轴电流。观测器模块使用估计d-q轴上的电流、电压进行运算，得到 估计d-q轴上反电动势，利用PLL把估计的d-q轴锁定到真实的d-q 轴上，从而完成角度估计，估计速度通过估计出的角度微分并通过一 阶低通滤波器得到。

整套系统各模块资源消耗如图5所示。

参考图6，电机从静止状态带额定负载I-F启动到一定转速后切换 到估计位置进行无位置传感器双闭环控制。I-F启动过程中，估计q 轴电流稳定跟随设定值，电机转速有一定的波动，切换过程，估计位 置误差在不断地缩小。切换到估计位置后电机转速稳定、位置误差减 小。

参考图7，给电机以转速阶跃信号，电机转速从1 200r/min加速 到额定转速3000r/min。加速前后速度运行平稳，加速过程位置误差 波动小，动态性能好。

参考图8，电机在额定负载下突加、突减负载，整个过程转速波 动小，位置估计误差波动小，动态性能好。

Claims (3)

1.一种基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：所述控制方法包括永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略和FPGA实现策略；

所述永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略中，低速阶段采用I/F启动控制策略，加速到一定转速后切换至基于龙伯格状态观测器的无位置传感器闭环控制：

I/F启动控制策略，产生一个频率逐渐增大而电流幅值跟随给定值的旋转电压矢量，分为预定位阶段和加速启动阶段；

预定位阶段采用电流闭环，即给定q轴以幅值足够大的电流，d轴电流给定为零；给定位置为270度，这样可以将转子N极定位于α轴；

预定位使得给定d-q坐标系滞后于真实d-q坐标系90°电角度，保证加速启动瞬间电磁转矩为零，随着给定d-q坐标系的旋转，电磁转矩逐渐增加；根据电机功角自平衡原理，功角δ会稳定在一个固定值；

龙伯格状态观测器位置估计策略，在同步旋转估计d-q轴坐标系上，状态空间模型表示为

式中，为状态向量，为输入向量，为输出向量，A、B、C分别为状态空间矩阵、输入矩阵和输出矩阵系数，定义如下：

根据式(1)，建立龙伯格观测器，表达如下：

式中，L为反馈增益矩阵，其表达如下

其中，ω_ob、ζ_ob为龙伯格状态观测器带宽、阻尼系数，为保证收敛快速性，需选择合适观测器带宽和阻尼系数：

式中，ω_PLL为锁相环(PLL)带宽；

平滑切换策略，采用两步切换策略，即电流切换与位置切换，当电机通过I/F启动拖至设定转速时，龙伯格状态观测器对转子位置进行准确地估算；此时减小q轴给定电流根据电机功角自平衡原理，功角δ会逐渐变大，给定位置会逐渐逼近实际位置；当减小至位置误差小于指定的阈值θ_th时，用龙伯格状态观测器估计出来的位置信号代替给定位置并进入速度电流双闭环控制；

所述FPGA实现策略，整套系统工作在50MHz主频下，PWM开关频率为16kHz；各个模块使用VerilogHDL语言进行设计，并用Modsim进行功能仿真与门级仿真，验证其正确性后封装成模块。

2.如权利要求1所述的基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：所述FPGA实现策略中，所有模块在一个时序控制模块控制下，按照整体串行、局部并行的运行方式工作，所有模块包括：

CORDIC模块，由数据寄存器、移位寄存器、累加器、计数器和查找表构成，计算转子位置角度的正余弦值，用于坐标变换和SVPWM矢量作用时间计算；

SVPWM及死区补偿模块，包括Park逆变换、SVPWM计算以及死区补偿，其输入为以及正余弦值，计算得到的后，再通过SVPWM计算得到三个带死区补偿的占空比；

观测器模块，包括龙伯格状态观测器和PLL，龙伯格状态观测器输入为估计dq轴电压、电流和估计转速，输出为估计dq轴上反电动势分量，然后采用PLL得到估计位置和速度；使用一个IQ24格式乘法模块，结合状态机来实现流水线式矩阵运算。

3.如权利要求2所述的基于FPGA实现的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：所有模块还包括IQ24格式乘、除法模块、AD/DA控制模块、Clark-Park坐标变换模块、角度给定模块、角度切换模块、时序控制模块和解码模块。