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永磁同步电机速度控制器的全数字化集成

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资料介绍

基于现场可编程门阵列(FPGA)设计了具有Anti-windup策略的速度控制器用于永磁同步电机伺服控制系统,并给出了相应的集成设计方法.该方法通过单片FPGA实现永磁同步电机的全数字集成控制.采用FPGA的嵌入式Nios II核完成速度环控制策略,通过FPGA的并行硬件电路实现了高速电流环控制器.为了解决速度给定较大时产生的控制器积分饱和问题,设计了具有Anti-windup策略的PI速度控制器用于有效地减小转速超调量,缩短调节时间.实验结果表明:与PI控制器相比,使用这种速度控制方法可使永磁同步电机最大转速跟踪精度提高10 r/min,且具有良好的动态性能和稳态精度.提出的设计方法满足永磁同步电机伺服控制系统的设计需要.

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第23卷第4期

V01．23

No．4

光学精密工程

and Precision

Engineering

0ptics

2015年4月

Apr．2015

文章编号1004—924X(2015)04—1105—09

永磁同步电机速度控制器的全数字化集成

李洪文n，邓永停1’2，王建立1

(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；

2．中国科学院大学，北京100039)

摘要：基于现场可编程门阵列(FPGA)设计了具有Anti—windup策略的速度控制器用于永磁同步电机伺服控制系统，并

给出了相应的集成设计方法。该方法通过单片FPGA实现永磁同步电机的全数字集成控制。采用FPGA的嵌入式

Nios

II核完成速度环控制策略，通过FPGA的并行硬件电路实现了高速电流环控制器。为了解决速度给定较大时产生

的控制器积分饱和问题，设计了具有Anti—windup策略的PI速度控制器用于有效地减小转速超调量，缩短调节时间。实

r／min，且具有良好

验结果表明：与PI控制器相比，使用这种速度控制方法可使永磁同步电机最大转速跟踪精度提高10

的动态性能和稳态精度。提出的设计方法满足永磁同步电机伺服控制系统的设计需要。

关

键

词：永磁同步电机；现场可编程门阵列；Anti—windup策略；速度控制器；PI控制器

中图分类号：TM351；TP273 文献标识码：A doi：10．3788／OPE．20152304．1105

of PMSM

controller based on FPGA

Digital integration

speed

Jian—lil

Hong—wen¨ ，DENGYong—rin91～，WANG

Mechanics and

(1．Changchun ^Instituteof Optics，Fine

Physics，

130033，China；

^ChineseAcademyof Sciences，Changchun

Chinese

100039，China)

Academyof Sciences，Beijing

University of

*CorrPspo以di以g author，E-mail：lihongwenl970 yahoo．com

anti—

Gate controller with

Array(FPGA)，a speed

the basis of the Field

Abstract：On

Programming

for the servo control

Permanent

high—performance

Magnet

strategy

designed

system

windup

method is

Motor(PMSM)．Then，a

corresponding integrating design

given．The

Synchronous

and

PMSM servo control

controller scheme realizes

system

one—chip

fully digital

integrated

and

II embedded

iS used to

the

controller

strategy

FPGA．The Nios

processor

develop

speed

controller to meet the

circuit iS utilized to

the current vector

hardware

designed parallel

implement

overcome the

windup phenomenon owing

integrator

high sampling frequency．To

requirement

controller with

anti—windup

speed

under the

changes，a

strategy

saturation

designed

large set—point

results

the overshoot and

time of the servo control

system．Experiment

to reduce

settling

to 10

that the

controller increases the

r／rain

compared

demonstrate

steady speed accuracy

the

designed requirements

proposed

satisfies

of PMSM servo control

traditional PI controller，and it

with the

收稿日期：2013—11—01；修订日期：2014—01—05．

基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新工程资助项目(No．065X32CN60)

万方数据

第23卷

光学精密工程

with

and static

performance．

better

system

dynamic

Gate

words：Permanent

Motor(PMSM)；Field Programming

Magnet Synchronous

Array(FPGA)；

Key

controller

controller；PI

anti—windup strategy；speed

实现；算法复杂的控制策略通过嵌入式内核的软

件实现L1“。

引

言

传统的PMSM控制策略通常采用PI控制

器，PI控制器具有算法简单、易于数字实现的优

点[12‘1“。实际控制中由于受电机电流和逆变器驱

动电压的限制，当给定速度阶跃较大时，控制器会

近年来，永磁同步电机(Permanent Magnet

Synchronous Motor，PMSM)以其功率密度高、

转动惯量比高、控制精度高和调速范围宽等优点，

在高性能工业控制领域得到了广泛应用[11]。目

前，PMSM伺服控制系统普遍采用数字控制器

(DSP)配以复杂的外围电路来完成电机的控制，

因此硬件电路的灵活性较差。随着控制策略复杂

程度的增加和电流环采样频率的增大，采用单一

微型控制器的交流伺服控制系统已不能很好地满

足伺服系统的高性能控制需要，其面临着较大的

系统硬件升级挑战，而现场可编程逻辑门阵列

(FPGA)可以很好地解决伺服控制器存在的上述

问题[4]。相比专用集成电路(ASIC)，FPGA具有

以下优点：(1)用户可以根据需要，通过专门布线

工具进行重新编程；(2)开发周期短、功耗低并且

含有嵌入式内核[s]。因此，基于FPGA的交流伺

服控制系统引起了国内外学者的广泛关注[6。9]，文

献[6]提出了一种基于FPGA的全数字化交流电

机速度伺服控制系统，其控制器在低速和高速运

行状态下均能获得良好的动态和静态性能。文献

[7]采用FPGA实现了感应电机的神经网络控

制，可以对电机进行高性能控制。文献[8]设计了

基于FPGA的PMSM直接转矩滑模控制器，有

效地减小了转矩波动，提高了系统抗负载扰动能

力。文献[9]采用FPGA实现了直线感应电机的

自适应反步控制，该控制方法具有较好的动态性

能和较强的鲁棒性。但上述交流伺服控制系统仅

通过FPGA硬件语言实现，系统在线调试相对困

难，这在一定程度上增加了系统的开发周期。通

过FPGA的嵌入式内核与并行硬件电路相结合

的方式设计伺服控制系统，可以缩短伺服控制系

统的设计周期[1 。系统设计者可以采用硬件描

述语言Verilog和软件语言C相结合的方法在

FPGA中构建SoPC模块。采样频率快、运算速

度高、算法简单的电路通过FPGA硬件并行电路

4|。为了

出现积分饱和，从而导致windup现象[1

解决windup现象导致的系统超调量大和调节时

间长的问题，文献[15—17]采用Anti—windup策略

进行控制器的优化设计。文献[15]采用积分分离

方法进行PI控制器的设计，以在防止积分饱和的

同时确保系统稳态精度。文献[16]提出了跟踪反

馈计算的Anti—windup策略，将控制器与限幅环

节的输出差值作为反馈信号加到积分环节的输入

端，从而调整积分环节的输出。文献[17]提出了

一种新的具有Anti—windup策略的PI控制器，该

控制从P控制切换到PI控制时，通过设定积分初

始值来防止积分饱和，提高了系统对大阶跃信号

的响应性能。

基于上述FPGA交流伺服控制系统的优点，

本文采用Altera公司的EP3C40F324 FPGA进

行了PMSM伺服控制系统的设计，其速度控制策

略由嵌入式内核Nios II完成，AD驱动电路、编

码器信号处理电路、SVPWM信号发生器、电流

控制器及坐标变换由并行电路完成。针对给定速

度阶跃较大时控制器出现的windup现象，采用

了带有Anti—windup策略的新型PI控制器。它

具有跟踪反馈计算功能，可以减小转速的超调量

和缩短系统的调节时间，提高控制系统的动态性

能和稳态精度。

PMSM数学模型

为了简化分析，作如下假设：(1)转子永磁磁

场在气隙空间成正弦分布，定子电枢绕组中的感

应电动势也为正弦分布；(2)忽略定子铁心饱和，

认为磁路线性，电感参数不变；(3)不计铁心涡流

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