基于FPGA的交流电机驱动器的电流控制器1

摘要：本文的主要目的在于讲述在数字控制器中使用FPGA作为组成部分的好处。出于这个目的，各种应用于直流电机驱动器的电流控制技术得到了设计和实施。它们包括开关电流控制器，比例积分电流控制器，预测电流控制器。这种电流的控制质量得到显著地提高，这关键取决于执行的延时时间的减少。事实上，在所有上述提到的这项技术中，设计的硬件执行时间都只不过几个微秒。这项时间的减少直接得益于可能能提供的FPGA以及这种非常强大的专用设计结构。实验得到大量的结果是为了说明在电子设计系统中基于FPGA的方案取得了高控制性能的效率。

术语表

 
在过去的近20年里，电子工业控制系统已成为重要研究的焦点，同时也取得了很多重大的进步和发展[1],[2]。这些进步和发展主要得益于技术革命，技术革命带来了很多强大的器件的产生和越来越多复杂算法的诞生。在成功改善了数字技术的可靠性和性能基础上，数字控制技术在同类的模拟器件对比上占据了优势。事实上，同传统的模拟控制技术相比，数字控制提供了很多的优点，例如可以灵活地修改设计，可以适应不同的系统和不同的环境，抗干扰，以及对组成部分变异的抗扰性。当今社会，数字控制技术绝大部分是用微处理器或DSP来实现的，这主要是因为其软件的灵活性很强以及其低廉的价格。因此，许多工程师们认为DSP控制器是一种较合适的选择[3]。其组成部分ALU运算器特别用于实时的计算。它也集成了一些外围模块，如模数转换器和计时器，这些用于电子系统的驱动。然而，模拟控制的某些优点仍然是难以代替的，如精确度，以及最重要的是反馈环的延时。事实上，尽管多处理器设计或性能很高的DSP处理器可以处理这些问题，但是它们在复杂算法结构上仍然是有限的，与此同时，它们所花费的成本却超过了带来的效益[4]。

为了推进控制器的性能发展以及由此能够减少模拟世界和数字世界的鸿沟，FPGA被认为是一种更合适的选择方案[5]。就拿快速ADC来说，尽管FPGA也是运行在复杂的算法下，但是其最快只需要几微秒的实时运算时间。在另一方面，FPGA能够允许适应性强的控制结构进行瞬间自由定位采样[8],[9]。与此同时，FPGA允许在一个完整集成的片上系统（SOC）实施不同的控制功能[5]-[7]。因此，FPGA在电子驱动上的应用显得非常成熟。它已经成功地应用于PWM转换器的控制[10]，电机驱动[11],[12]，甚至多机控制系统。要进一步说明的是，像DSP控制器一样，FPGA的组成部分成本也很低。最近，一家公司甚至已经介绍了一款这样的FPGA族，它包括几项模拟功能，比如像ADC[14]。

因此，为了综合上述的这些优点以及提出的一些新的优点，本文系统地描述在交流电机驱动中应用的一个基于FPGA的电流控制器。在工业控制系统中，这些这些经典的应用正是高水平实时性能的榜样。

最先是在开关电流控制器中使用FPGA技术的。在此基础上，综合分析了两组控制器，第一组的特征是可变开关频率，而第二组则是基于一个有限的开关频率。使用基于FPGA的控制器要能极大的提高电流波形的质量，主要取决于它们极短的执行时间的大小。在这些条件下得到的数字控制器才能大约地接近它们所对应的模拟控制器。

以下综合讲述一个比例积分（PI）电流控制器。现已经证明了它对瞬间自由定位采样有贡献，这样可以增加控制性能。再要说明的是，极短的执行时间允许异步PWM策略的发展，这意味着参考电压在一个高采样频率（达到200kHz）下不断地刷新着，这对于需要低开关频率的大功耗应用有很大的好处。

之后再陈述FPGA在同步电机电流预测控制器中的实现和发展。众所周知，电流预测控制器需要复杂的计划预算[15]-[18]。因此，电流预测控制器实现数字化的特征是必存在一个延时，这个延时发生在电流感应时刻与适用的电压源型逆变器（VSI）中电压矢量即将施加的时刻之间。在此情况下，控制器的性能极大地取决于计算时间，为此计算时间必须比采样周期足够的短[19]。因此，如果计算时间不是足够的短，那么就需要复杂的调制算法来保证被控制系统基本的性能水平[20],[21]。提出的基于FPGA的电流预测控制器在没有增加任何调制算法之下确保了实时的电压矢量计算。在此情况下，整个执行时间（包括AD转换）仅仅只需4.52微秒。

尽管如此，为了达到一个高控制性能的水平，只能依靠最重要的设计努力。这就是为何笔者提出一个基于FPGA的适用设计方法论特别部分的原因。它来源于两种相反需要的折中方案，这两种需要分别是：1）一种友好的设计环境威胁不到非微电子专业设计者；2）全面考虑控制性能的需要。

所有研究的电流控制器在如图1所示的实验装置下进行了测试。所有电流控制器的一般结构包括电流控制器本身，ADC，DA转换接口，以及RS232串行通用异步接收/发送（UART）接口，这些集合在一起可以组成完整的片上系统（SOC）。
大量的实验结果表明了采用被提出的这种基于FPGA的电流控制器的好处和效力。

实验装置示意

[1]B. K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives. Englewood Cliffs, NJ：Prentice-Hall,2002.
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[6]X.Lin-Shi,F.Morel,A.Llor,B.Allard,and J.-M.Retif,“Implementation of hybrid control for motor drives,”IEEE Trans.Ind.Electron,vol.54, no.4,pp.1946–1952, Aug. 2007.
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