用FPGA平台实现工业电机最大效率

FPGA解决FOC面临的挑战

实施FOC需要功能强大的计算器件。针对上述要求，FPGA无疑是电机控制的最佳选择。FOC系统必须持续以10kHz~100kHz的速度重复计算矢量控制算法。此外，还需在不影响控制算法时序的情况下并行执行高速PWM输出等其他IP模块。利用FPGA自身的并行执行功能和硬件可靠性，FPGA能以高达数十万赫兹的回路速度执行控制算法，而且还有余力来处理通信，为主机微处理器上的用户接口应用提供数据。此外，FPGA还具有可重构性，因此客户能随时根据需要调整控制算法。

图3所示为FOC实施方案的系统图。除实际控制算法之外，FPGA还并行执行IP模块，以读取3个霍尔效应传感器、1个编码器以及3个其它模拟传感器的值，同时生成PWM信号驱动外部电子器件给电机供电。如欲与主机处理器及简单用户接口通信，可并行执行其他IP模块。



图4所示为基于FPGA的FOC算法实施LabVIEW FPGA的情况。Clarke变换将120°相移三轴坐标系(Ia, Ib, Ic)转变为两轴直角坐标系(Ia, Ib)。接着，Park变换将固定的坐标系(Ia, Ib)转换为去耦两轴旋转坐标系(Id和Iq)，简单的PI控制器就能控制上述旋转坐标。FOC系统利用逆变换(Park变换和Clarke变换)将其还原到定子线圈的固定AC三相坐标系。



在评估控制系统的升级时，机械设计人员通常会低估耗电成本问题，而从机电的整个生命周期角度来看，耗电成本往往比硬件购置成本高很多。NI致力于借助基于赛灵思FPGA技术的商用硬件解决方案成品推出具有高计算性能的高灵活性嵌入式控制器。通过二者的强强联合，能满足客户最苛刻的要求，即FOC性能要求。

作者：美国国家仪器公司嵌入式系统业务总监 Greg Crouch    来源:电子设计应用2009年第12期