基于FPGA平臺(tái)的工業(yè)電機(jī)最大效率實(shí)現(xiàn)

　　顧名思義，無(wú)刷DC電機(jī)工作時(shí)是不需要電刷的。這就是說(shuō)，電刷所起的轉(zhuǎn)換作用必須以電子方式實(shí)現(xiàn)。定子線圈順序加電，BLDC電機(jī)就能轉(zhuǎn)動(dòng)了。要計(jì)算在某一時(shí)刻哪個(gè)線圈加電，必須了解定子的位置，這通?？赏ㄟ^(guò)在定子中嵌入的三個(gè)霍爾效應(yīng)感應(yīng)器來(lái)檢測(cè)。綜合這三個(gè)感應(yīng)器信號(hào)，控制電子產(chǎn)品可確定轉(zhuǎn)換的確切順序。

　　由于無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子使用永磁而非無(wú)源線圈，其本身提供的功率相對(duì)于尺寸、重量相當(dāng)?shù)碾姼须姍C(jī)而言要高。不過(guò)，高效運(yùn)行的關(guān)鍵在于FPGA控制器。FPGA算法控制的效率高于微處理器。可以使用多種控制系統(tǒng)算法，包括梯形、正弦和場(chǎng)定向算法(FOC)。

　　梯形或六步控制是最簡(jiǎn)單同時(shí)也是性能最差的方法。就六步轉(zhuǎn)換的每一步而言，電機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)在兩個(gè)線圈之間形成電流通路，而第三個(gè)電機(jī)不連接。不過(guò)，轉(zhuǎn)矩紋波會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)、噪聲和機(jī)械磨損，并大幅降低伺服性能。

　　FOC也稱作矢量控制，能在較高電機(jī)速度下提高效率，在正弦控制技術(shù)基礎(chǔ)上更進(jìn)一步。FOC相對(duì)于其他控制技術(shù)而言，單位功率輸入可實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩，而且在負(fù)載變化時(shí)能精確控制速度，響應(yīng)速度快。FOC技術(shù)通過(guò)完美保持定子和轉(zhuǎn)子磁通，即便在瞬態(tài)過(guò)程也能確保最佳效率。

　　探討FOC

　　了解FOC工作原理的方法之一是在腦海中形成一幅完整的坐標(biāo)參考系轉(zhuǎn)換過(guò)程畫面。假設(shè)從定子角度來(lái)設(shè)想AC電機(jī)的工作，可以看到，當(dāng)正弦輸入電流施加到定子時(shí)，時(shí)變信號(hào)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通。轉(zhuǎn)子速度與旋轉(zhuǎn)磁通矢量存在一種函數(shù)關(guān)系。

　　現(xiàn)在，再?gòu)碾姍C(jī)內(nèi)部來(lái)看，假設(shè)以等同于定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通矢量的速度沿離心器運(yùn)行，在穩(wěn)定狀態(tài)下從這個(gè)角度來(lái)觀察電機(jī)，可發(fā)現(xiàn)定子電流好像為常量，且旋轉(zhuǎn)磁通矢量為固定的。歸根結(jié)底，希望控制定子電流，以獲得所需的轉(zhuǎn)子電流。通過(guò)坐標(biāo)參考系轉(zhuǎn)換，可通過(guò)簡(jiǎn)單的PI控制回路控制定子電流，如DC值。

　　FOC算法在后臺(tái)發(fā)揮作用，消除時(shí)間和速度的依賴性，能直接獨(dú)立控制磁通量和轉(zhuǎn)矩。通過(guò)數(shù)學(xué)公式(Clarke及Park變換)，可將電機(jī)的電子狀態(tài)轉(zhuǎn)換為時(shí)間不變性旋轉(zhuǎn)兩軸坐標(biāo)系。

　　空間矢量脈沖寬度調(diào)制(PWM)的高效控制電力電子技術(shù)能最大化電機(jī)電源電壓的利用率，同時(shí)最小化諧波損耗。但諧波會(huì)在電機(jī)鐵芯中形成消耗能量的渦流，從而大幅降低電機(jī)效率。

　　最重要的是，設(shè)計(jì)人員既可對(duì)AC電感與無(wú)刷DC電機(jī)采用FOC技術(shù)，以提高其效率和性能，也可將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有電機(jī)，升級(jí)控制系統(tǒng)。事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)FOC等矢量控制技術(shù)來(lái)改進(jìn)AC電感電機(jī)，實(shí)現(xiàn)類似于伺服電機(jī)的性能。

　　FPGA解決FOC面臨的挑戰(zhàn)

　　實(shí)施FOC需要功能強(qiáng)大的計(jì)算器件。針對(duì)上述要求，F(xiàn)PGA無(wú)疑是電機(jī)控制的最佳選擇。FOC系統(tǒng)必須持續(xù)以10kHz~100kHz的速度重復(fù)計(jì)算矢量控制算法。此外，還需在不影響控制算法時(shí)序的情況下并行執(zhí)行高速PWM輸出等其他IP模塊。利用FPGA自身的并行執(zhí)行功能和硬件可靠性，F(xiàn)PGA能以高達(dá)數(shù)十萬(wàn)赫茲的回路速度執(zhí)行控制算法，而且還有余力來(lái)處理通信，為主機(jī)微處理器上的用戶接口應(yīng)用提供數(shù)據(jù)。此外，F(xiàn)PGA還具有可重構(gòu)性，因此客戶能隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整控制算法。

圖3所示為FOC實(shí)施方案的系統(tǒng)圖。除實(shí)際控制算法之外，F(xiàn)PGA還并行執(zhí)行IP模塊，以讀取3個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器、1個(gè)編碼器以及3個(gè)其它模擬傳感器的值，同時(shí)生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部電子器件給電機(jī)供電。如欲與主機(jī)處理器及簡(jiǎn)單用戶接口通信，可并行執(zhí)行其他IP模塊。

　　圖4所示為基于FPGA的FOC算法實(shí)施LabVIEW FPGA的情況。Clarke變換將120°相移三軸坐標(biāo)系(Ia, Ib, Ic)轉(zhuǎn)變?yōu)閮奢S直角坐標(biāo)系(Ia, Ib)。接著，Park變換將固定的坐標(biāo)系(Ia, Ib)轉(zhuǎn)換為去耦兩軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(Id和Iq)，簡(jiǎn)單的PI控制器就能控制上述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。FOC系統(tǒng)利用逆變換(Park變換和Clarke變換)將其還原到定子線圈的固定AC三相坐標(biāo)系。

　　圖4 基于FPGA的FOC算法實(shí)施LabVIEW FPGA的情況

　　在評(píng)估控制系統(tǒng)的升級(jí)時(shí)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員通常會(huì)低估耗電成本問(wèn)題，而從機(jī)電的整個(gè)生命周期角度來(lái)看，耗電成本往往比硬件購(gòu)置成本高很多。NI致力于借助基于賽靈思FPGA技術(shù)的商用硬件解決方案成品推出具有高計(jì)算性能的高靈活性嵌入式控制器。通過(guò)二者的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，能滿足客戶最苛刻的要求，即FOC性能要求。