CN110752793A - 基于zynq的多电机直接转矩控制系统及其控制方法 - Google Patents

基于zynq的多电机直接转矩控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统及其控制方法，所述系统包括SoC模块、PWM逆变器模块和电机模块；所述SoC模块包括PS和PL两部分，PS端包括ARM双核处理器、存储模块、外部接口模块；PL端为FPGA，包括可编程逻辑单元和DSP运算单元，所述FPGA内部包括可编程逻辑单元实现的电机位置解码模块、监测保护模块、PWM脉冲产生模块、模数转换模块、PATA‑16接口转换模块，以及可编程逻辑单元和DSP运算单元实现的DTC算法模块；将各功能模块合理分配在PS和PL端，实现四电机直接转矩控制，提高集成化、减小体积、减少成本、利于通信。

Description

基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统及其控制方法。
背景技术
目前用于异步电机或者同步电机控制算法，有变压变频(VVVF)控制算法、空间矢量控制(FOC)算法和直接转矩控制(DTC)算法。VVVF控制方法电路简单，通用性强，基本解决了异步电机平滑调速的问题，但其动态控制效果不理想；FOC控制方法理论上很好的解决了交流转矩控制的问题，动静态性能优良，但FOC算法需要对定子电流进行解耦，进行复杂的数学运算，对选用的控制运算平台要求高，成本普遍较高，同时FOC控制依赖被控电机的参数，若是输入的实际电机参数有较大偏差，就难以达到理想的控制效果；而直接转矩控制算法是以转矩为核心进行磁链、转矩的综合控制，算法上不需要进行旋转坐标变化，简单检测电机定子电压电流，借助瞬时空间矢量理论估算出当前电机的磁链和转矩，经过PID调节器，控制PWM脉宽调制信号，直接对逆变器开关状态进行控制，可以获得更高的转矩动态性能，更加适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统。
目前主要使用DSP或ARM实现直接转矩控制系统，以DSP、ARM、DSP和ARM为主控制器，外接AD采样模块、故障保护模块、驱动与隔离模块等，不仅体积大、成本高、难度大，特别是当需要直接转矩控制多路电机时，整个控制系统的体积更大、成本更高、实现难度更大，而且芯片级的带宽限制容易影响转矩响应速度，从而影响直接转矩控制效果。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统及其控制方法，实现多电机的直接转矩控制、驱动一体化，集成度更高、体积更小、成本更低、更利于通信。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，所述系统包括SoC模块、PWM逆变器模块和电机模块；所述SoC模块为ZYNQ芯片，包括PS和PL两部分，PS端包括ARM双核处理器、存储模块、外部接口模块，所述ARM双核处理器内部包括控制处理模块和转速环模块；PL端为FPGA，包括可编程逻辑单元和DSP运算单元，所述FPGA内部包括可编程逻辑单元实现的电机位置解码模块、监测保护模块、PWM脉冲产生模块、模数转换模块、PATA-16接口转换模块，以及可编程逻辑单元和DSP运算单元实现的DTC算法模块，所述DTC算法模块包括坐标转换模块、转矩磁链估算模块、转矩环模块、磁链环模块；所述电机模块包括电机和电机编码器；
所述PL端的各功能模块独立生成IP，并且统一封装成AXI4-Lite接口，PS端和PL端通过片内高速总线AXI4-Lite相连；所述电机位置解码模块连接电机编码器，所述监测保护模块和PWM脉冲产生模块连接PWM逆变器模块，所述模数转换模块经线性隔离光耦连接PWM逆变器模块与电机之间相连的三相电路上的采样电阻；电机位置解码模块、监测保护模块、模数转换模块依次连接坐标转换模块、转矩磁链估算模块、转矩环模块或磁链环模块、PWM脉冲产生模块，电机位置解码模块同时依次连接转速环模块、转矩环模块。
进一步的，所述系统还包括电源模块，所述电源模块分别连接SoC模块、PWM逆变器模块和电机模块。
进一步的，所述转速环模块、转矩环模块、磁链环模块分别包括转速、转矩、磁链的比较和PID调节。
优选地，所述ZYNQ芯片为Xilinx zynq7020，所述ARM双核处理器模块为Cortex-A9ARM内核。
进一步的，所述存储模块包括DDR模块和Flash模块，DDR模块用于PL端各功能模块的高速数据缓存，Flash模块用于存储运行程序、配置参数、电机状态或系统运行状态。
进一步的，所述外部接口模块包括Uart接口、CAN接口和以太网接口；所述CAN接口连接CAN收发器，所述以太网接口连接内置的千兆MAC，通过RGMII连接外置的千兆PHY，再经过信号变压器与以太网连接。
进一步的，所述PATA-16接口转换模块连接外设的工业以太网模块，所述工业以太网模块选用LAN9295作为EtherCAT从站控制器的桥片。
进一步的，所述控制处理模块用于协调控制各功能模块的任务调度；所述电机位置解码模块用于采集电机转速、位置和转矩信息。
一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统的控制方法，所述控制方法包括：
外部接口模块接收到给定转速ω′，经电机位置解码模块输出的电机实际转速ω在转速环模块中比较、PID调节，输出给定转矩Te′；利用采样电阻，将A、B两相电流转化为电压模拟信号，经过线性隔离光耦，模数转换模块测量电流结果为Ia，Ib。将两个反馈量经过坐标变换模块和转矩磁链估算模块，得到实际转矩Te和实际磁链ψs以及相位角θ；将给定转矩Te′与实际转矩Te、给定磁链ψs′与实际磁链ψs分别在转矩环模块、磁链环模块中比较、PID调节后，输入PWM脉冲产生模块，PWM脉冲产生模块控制PWM逆变器的IGBT功率管的通断，将直流电压逆变输出为三相交流电压，作用于电机。
进一步的，所述控制方法还包括：所述DTC算法模块能同时实现4路DCT控制算法，即所述FPGA能并行对四台电机进行直接转矩控制。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明采用ZYNQ芯片，将ARM、FPGA和DSP集成在一个SoC中，相比于单独的ARM、DSP处理器外接各模块的方案，集成化更高、体积减小、成本降低，且通过片内总线AXI4-Lite通信，不会出现通信瓶颈，通讯速度更快，抗干扰能力更强，而ZYNQ自带的ARM中搭载了嵌入式Linux操作系统，简化了系统设计，降低了软件开发的难度，提高了系统的拓展性；
(2)本发明将各功能模块合理分配在ZYNQ芯片的PS和PL端，充分发挥FPGA的并行执行能力、DSP的浮点运算能力、ARM的控制任务调度能力和算法能力，提高了整个系统的控制带宽，运算速度，从而保证多电机的直接转矩控制效果；
(3)由于DTC算法涉及多次的浮点运算，若是采用纯逻辑实现，会消耗很多的逻辑单元资源，且难度较大，稳定性也不佳；因此使用DSP运算单元中的MAC乘积器，分时复用，快速准确得到结果，极大减少了ARM的计算量，提高整机的控制带宽，而且充分利用现有资源，理论上可以实现4路DCT控制算法，即通过所述FPGA能并行对四台电机进行直接转矩控制；也极大地简化了多路电机DTC控制系统和降低了多路电机DTC控制的实现难度；
(4)本发明中FPGA的各功能模块都封装成独立的IP模块，更加方便进行功能模块的移植；
(5)本发明中ARM具有丰富的外设接口，且FPGA具有较佳的可扩展性，本发明可以广泛应用在电动汽车控制、工业控制、自动化生产线等各个领域；
(6)本发明可以通过Flash模块实时记录系统运行状态和电机状态，如母线电压、母线电流、实际力矩、实际转速、及计算得到的电机效率等，以用于大数据分析，为驾驶员驾驶提供指导，提高电机效率。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例的系统框图；
图2为本发明实施例的两路直接转矩控制方法示意图；
图3为本发明实施例两路直接转矩控制算法时PL端的资源利用表和资源利用柱形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，如图1所示，包括SoC模块、PWM逆变器模块、电机模块和电源模块，所述SoC模块为Xilinx zynq7020，包括PS和PL两部分，PS端包括低功耗的ARM双核处理器模块，即Cortex-A9双ARM内核、存储模块、外部接口模块，PL端为FPGA，包括有106K个可编程逻辑单元、220个DSP运算单元和4个模式时钟管理器(MMCM)；
所述ARM双核处理器内部包括转速环模块、控制处理模块；所述FPGA内部包括可编程逻辑单元实现的电机位置解码模块、监测保护模块、PWM脉冲产生模块、模数转换模块、PATA-16接口转换模块，以及可编程逻辑单元和DSP运算单元实现的DTC算法模块，所述DTC算法模块包括坐标转换模块、转矩磁链估算模块、转矩环模块、磁链环模块。
所述外部接口模块包括Uart接口、CAN接口和以太网接口，所述CAN接口连接CAN收发器，所述以太网接口连接内置的千兆MAC，通过RGMII连接外置的千兆PHY，再经过信号变压器与以太网连接；所述FPGA内部包含的所述PATA-16接口转换模块连接外设的工业以太网模块，所述工业以太网模块选用LAN9295作为EtherCAT从站控制器的桥片；丰富的接口可以广泛应用在电动汽车控制、工业控制、自动化生产线等各个领域。
所述存储模块包括DDR模块和Flash模块，DDR模块用于高速数据缓存，Flash模块用于存储运行程序、配置参数、电机状态或系统运行状态等，如母线电压、母线电流、实际力矩、实际转速、及计算得到的电机效率，以用于大数据分析，为驾驶员驾驶提供指导，提高电机效率。
所述电机模块包括电机和电机编码器。
所述PWM逆变器模块选用大功率IGBT实现，所述大功率IGBT为STGIB30M60TS-L。
所述电源模块，内部包括整流器、多路变压器、DC-DC、低压差线性稳压器等模块，实现了过流、过温、过压短路保护，高低电压隔离，输出5V、3.3V或1.2V、600V电压，为SoC模块、外部接口模块、PWM逆变器模块提供安全、稳定、持续电压。
所述PL端的各功能模块独立生成IP，并且统一封装成AXI4-Lite接口，通过DDR模块缓存和提取数据信号，PS端和PL端通过片内高速AXI4-Lite总线相连，由所述ARM双核处理器的控制处理模块控制DDR模块和PS端的数据存取，各功能模块间的连接关系如下：
所述电源模块分别连接SoC模块、PWM逆变器模块和电机模块；所述电机位置解码模块连接电机编码器，所述监测保护模块和PWM脉冲产生模块连接PWM逆变器模块，所述模数转换模块经线性隔离光耦连接PWM逆变器模块与电机之间相连的三相电路上的采样电阻；电机位置解码模块、监测保护模块、模数转换模块依次连接坐标转换模块、转矩磁链估算模块、转矩环模块或磁链环模块、PWM脉冲产生模块，电机位置解码模块同时依次连接转速环模块、转矩环模块。
所述电机位置解码模块采集电机转速、位置和转矩信息；PWM脉冲产生模块生成PWM驱动信号；模数转换模块对采集的三相电流进行模数转换；坐标转换模块包括clark变换和park变换；所述转速环模块、转矩环模块、磁链环模块分别包括转速、转矩、磁链的比较和PID调节。
本发明所述的基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，以两路直接转矩控制方法为例，则有分别对应的两组PWM脉冲产生模块、DTC算法模块、PWM逆变器模块和电机模块连接，通过如图2所示的如下控制方法实现：
外部接口模块接收到给定转速ω′，经电机位置解码模块输出的电机实际转速ω在转速环模块中比较、PID调节，输出给定转矩Te′；利用采样电阻，将A、B两相电流转化为电压模拟信号，经过线性隔离光耦，模数转换模块测量电流结果为Ia，Ib。将两个反馈量经过坐标变换模块和转矩磁链估算模块，得到实际转矩Te和实际磁链ψs以及相位角θ；将给定转矩Te′与实际转矩Te、给定磁链ψs′与实际磁链ψs分别在转矩环模块、磁链环模块中比较、PID调节后，输入PWM脉冲产生模块，PWM脉冲产生模块控制PWM逆变器的IGBT功率管的通断，将直流电压逆变输出为三相交流电压，三相交流电的最大输出为600V，60A的三相电压Ua、Ub、Uc，作用于电机。
所述DTC算法模块通过所述DSP运算单元进行了浮点乘法运算，图3是实现两路直接转矩控制算法时PL端的资源利用表和资源利用柱形图，LUT是逻辑单元，LUTRAM是边上存储，FF是寄存器，DSP是DSP运算单元MAC乘积器，BUFG是全局时钟网络单元，MMCM是混合时钟管理模块。DTC算法涉及多次的浮点运算，若是采用纯逻辑实现，会消耗很多的LUT，且难度较大，稳定性也不佳，因此使用DSP运算单元的MAC乘积器，分时复用，快速准确得到结果，极大减少了ARM的计算量，提高整机的控制带宽。从现有资源使用情况来看，两路DCT控制算法运行时，DSP资源占用为46％，因此，理论上PL端可以实现4路DCT控制算法，即通过所述FPGA能并行对四台电机进行直接转矩控制。
综上可知，通过上述的基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统及其控制方法，具有如下优点：
(1)本发明采用ZYNQ芯片，将ARM、FPGA和DSP集成在一个SoC中，相比于单独的ARM、DSP处理器外接各模块的方案，集成化更高、体积减小、成本降低，且通过片内总线AXI4-Lite通信，不会出现通信瓶颈，通讯速度更快，抗干扰能力更强，而ZYNQ自带的ARM中搭载了嵌入式Linux操作系统，简化了系统设计，降低了软件开发的难度，提高了系统的拓展性；
(2)本发明将各功能模块合理分配在ZYNQ芯片的PS和PL端，充分发挥FPGA的并行执行能力、DSP的浮点运算能力、ARM的控制任务调度能力和算法能力，提高了整个系统的控制带宽，运算速度，从而保证多电机的直接转矩控制效果；
(3)由于DTC算法涉及多次的浮点运算，若是采用纯逻辑实现，会消耗很多的逻辑单元资源，且难度较大，稳定性也不佳；因此使用DSP运算单元中的MAC乘积器，分时复用，快速准确得到结果，极大减少了ARM的计算量，提高整机的控制带宽，而且充分利用现有资源，理论上可以实现4路DCT控制算法，即通过所述FPGA能并行对四台电机进行直接转矩控制；也极大地简化了多路电机DTC控制系统和降低了多路电机DTC控制的实现难度；
(4)本发明中FPGA的各功能模块都封装成独立的IP模块，更加方便进行功能模块的移植；
(5)本发明中ARM具有丰富的外设接口，且FPGA具有较佳的可扩展性，本发明可以广泛应用在电动汽车控制、工业控制、自动化生产线等各个领域；
(6)本发明可以通过Flash模块实时记录系统运行状态和电机状态，如母线电压、母线电流、实际力矩、实际转速、及计算得到的电机效率等，以用于大数据分析，为驾驶员驾驶提供指导，提高电机效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述系统包括SoC模块、PWM逆变器模块和电机模块；所述SoC模块为ZYNQ芯片，包括PS和PL两部分，PS端包括ARM双核处理器、存储模块、外部接口模块，所述ARM双核处理器内部包括控制处理模块和转速环模块；PL端为FPGA，包括可编程逻辑单元和DSP运算单元，所述FPGA内部包括可编程逻辑单元实现的电机位置解码模块、监测保护模块、PWM脉冲产生模块、模数转换模块、PATA-16接口转换模块，以及可编程逻辑单元和DSP运算单元实现的DTC算法模块，所述DTC算法模块包括坐标转换模块、转矩磁链估算模块、转矩环模块、磁链环模块；所述电机模块包括电机和电机编码器；
所述PL端的各功能模块独立生成IP，并且统一封装成AXI4-Lite接口，PS端和PL端通过片内高速总线AXI4-Lite相连；所述电机位置解码模块连接电机编码器，所述监测保护模块和PWM脉冲产生模块连接PWM逆变器模块，所述模数转换模块经线性隔离光耦连接PWM逆变器模块与电机之间相连的三相电路上的采样电阻；电机位置解码模块、监测保护模块、模数转换模块依次连接坐标转换模块、转矩磁链估算模块、转矩环模块或磁链环模块、PWM脉冲产生模块，电机位置解码模块同时依次连接转速环模块、转矩环模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块，所述电源模块分别连接SoC模块、PWM逆变器模块和电机模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述转速环模块、转矩环模块、磁链环模块分别包括转速、转矩、磁链的比较和PID调节。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述ZYNQ芯片为Xilinx zynq7020，所述ARM双核处理器模块为Cortex-A9 ARM内核。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述存储模块包括DDR模块和Flash模块，DDR模块用于PL端各功能模块的高速数据缓存，Flash模块用于存储运行程序、配置参数、电机状态或系统运行状态。
6.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述外部接口模块包括Uart接口、CAN接口和以太网接口；所述CAN接口连接CAN收发器，所述以太网接口连接内置的千兆MAC，通过RGMII连接外置的千兆PHY，再经过信号变压器与以太网连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述PATA-16接口转换模块连接外设的工业以太网模块，所述工业以太网模块选用LAN9295作为EtherCAT从站控制器的桥片。
8.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统，其特征在于，所述控制处理模块用于协调控制各功能模块的任务调度；所述电机位置解码模块用于采集电机转速、位置和转矩信息。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
外部接口模块接收到给定转速ω′，经电机位置解码模块输出的电机实际转速ω在转速环模块中比较、PID调节，输出给定转矩Te′；利用采样电阻，将A、B两相电流转化为电压模拟信号，经过线性隔离光耦，模数转换模块测量电流结果为Ia，Ib。将两个反馈量经过坐标变换模块和转矩磁链估算模块，得到实际转矩Te和实际磁链ψs以及相位角θ；将给定转矩Te′与实际转矩Te、给定磁链ψs′与实际磁链ψs分别在转矩环模块、磁链环模块中比较、PID调节后，输入PWM脉冲产生模块，PWM脉冲产生模块控制PWM逆变器的IGBT功率管的通断，将直流电压逆变输出为三相交流电压，作用于电机。
10.根据权利要求9所述的一种基于ZYNQ的多电机直接转矩控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：所述DTC算法模块能同时实现4路DCT控制算法，即所述FPGA能并行对四台电机进行直接转矩控制。
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