基于 FPGA的新型高性能永磁同步电机驱动系统设计

基于FPGA的新型高性能永磁同步电机驱动系统设计

参赛队员：李宪全 李伟亮 指导教师： 杨春玲

（哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨）

摘要：为了研制高性能的全数字永磁同步电机驱动系统，本文提出了一种基于FPGA的单芯片驱动控制方案。它采用硬件模块化的现代EDA设计方法，使用VHDL硬件描述语言，实现了永磁同步电机矢量控制系统的设计。方案包括矢量变换、空间矢量脉宽调制(SVPWM)、电流环、速度环以及串行通讯等五部分。经过仿真和实验表明，系统具有良好的稳定性和动态性能，调节转速的范围可以达到0.5r/min~4200r/min，对干扰误差信号具有较强的容错性，能够满足高性能的运动控制领域对永磁同步电机驱动系统的要求。

关键词：永磁同步电机；FPGA；矢量控制

The Design of a New PMSM Drive System Based on FPGA In order to get high-performance all-digital PMSM drive system, this article has designed a control scheme which is based on single chip FPGA. According to the modem EDA design methodology which is complished by hardware modular, the logical cirduits has constructed a vector control PMSM system, including coordinate transform, SVPWM, current loop, speed loop and serial communication. The simulation and test results show that the system has excellent stablity characteristic, dynamic performance and speed regulator range. So the system could meet the requirment of the application for PMSM driver in the high-precision field.

Key Words: PMSM；FPGA；vector control

引言

在现代军事领域或民事工业中，运动控制技术占据着相当重要的地位，从数控机床、机器人到电动车等行业，都离不开对运动的精确控制。其中，伺服系统做为运动控制的基础，更是决定着运动控制的性能指标。而永磁同步电机由于具有效率高、转矩波动小、控制算法成熟、工作可靠等优点，能够在高速或低速时均达到良好的性能指标，逐渐成为了工业界应用最为广泛的高效率伺服电机，并得到了越来越多的关注。因此，基于永磁同步电机的高性能交流伺服驱动系统已成为目前运动控制领域中的研究热点。

但是，随着应用领域对电机运转精度和速度的要求越来越高，传统的基于单片机或数字信号处理器(DSP)软件运算的控制系统，由于速度慢、开发周期长等弱点，已经越来越不适应现代高性能伺服系统的要求。而为了改善软件控制系统的不足，增加系统的灵活性和可靠性，本文提出了一种基于FPGA的新型永磁同步电机驱动系统。它采用了Altera公司推出的Cyclone系列FPGA芯片，利用其内部的可编程硬件逻辑电路，开发了大量的高性能伺服控制算法的IP核，通过对这些IP核的系统级集成，最终实现了整个片上系统的设计。整个系统具有结构灵活、运行速度快、升级维护简单、可靠性高的优点，能够移植到不同工艺的FPGA平台中，满足了不同应用场合对交流伺服驱动系统的要求。

一 系统工作原理

永磁同步电机矢量控制原理结构框图如图1所示。其主要由矢量变换环节、位置和速度检测环节、转速调节器环节、电流调节器环节以及SVPWM调制环节等几部分组成。其中，矢量变换环节利用Clarke变换和Park变换，对电机三

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