摘 要： 提出了一個基于FPGA的交流電動機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。該伺服控制系統(tǒng)利用SPWM原理進行控制，通過驅(qū)動三相逆變器，從而達到控制三相交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。實驗結(jié)果驗證了該交流電動機伺服控制系統(tǒng)的可行性。
　　關(guān)鍵詞： FPGA ；伺服控制系統(tǒng)；SPWM；開關(guān)dead-time

　　由于SPWM逆變器具有輸出波形中低次諧波含量低、噪聲小等優(yōu)點，能將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的交流電源，近年來被廣泛地應(yīng)用在高速和大規(guī)模的工業(yè)控制領(lǐng)域，如UPS不間斷電源系統(tǒng)、ADS可調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)、可變交流傳動控制系統(tǒng)和交流電機伺服控制系統(tǒng)[1]。
　　隨著現(xiàn)場可編程門陣列FPGA與數(shù)字信號處理器DSP等高性能數(shù)字控制芯片的迅速發(fā)展，逆變電路的控制已由模擬控制、模數(shù)混合控制過渡到全數(shù)字控制階段[2]。采用DSP芯片進行控制，可以提高控制的精確度及穩(wěn)定性，但由于電路要達到足夠的頻率響應(yīng)，復雜的控制算法，例如電流高速采樣，轉(zhuǎn)速控制和功率開關(guān)觸發(fā)信號的同時產(chǎn)生等，可能會帶來處理器運算量過大以及運算時間長的問題。FPGA具有高速運算和并行處理的特性，能夠克服DSP 芯片帶來的運算量大、占用CPU過多、運算時間長的缺點，所以，以FPGA實現(xiàn)數(shù)字電機伺服系統(tǒng)成為首選方案。本文就是利用FPGA芯片，實現(xiàn)SPWM驅(qū)動三相逆變器，從而控制三相交流電動機，以達到調(diào)整頻率命令進而調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的目的[3-4]?；贔PGA的、以SPWM為驅(qū)動的伺服控制系統(tǒng)對三相逆變器的控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)原理及模塊設(shè)計
1.1  SPWM控制實現(xiàn)
　　SPWM (Sinusoidal PWM) 是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM控制方式。SPWM控制就是以“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同”的理論為基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值對逆變電路輸出電壓的頻率和幅值進行控制。SPWM的一般實現(xiàn)方法有等面積法、硬件調(diào)制法、軟件生成法(包括自然采樣法和規(guī)則采樣法)和低次諧波消除法[5]。這里詳細介紹一下硬件調(diào)制法實現(xiàn)SPWM控制。
　　硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。其實現(xiàn)方法簡單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關(guān)器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復雜，難以實現(xiàn)精確的控制。
　　本文使用的SPWM實現(xiàn)方法，以硬件調(diào)制法為基礎(chǔ)，利用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)相應(yīng)模塊，做到全數(shù)字控制取代模擬控制，克服傳統(tǒng)硬件調(diào)制法模擬電路結(jié)構(gòu)復雜、難以精確控制的缺點。SPWM的具體實現(xiàn)方法可以用一個正弦調(diào)制波和一個等腰三角載波相交，由它們的交點確定逆變器的開關(guān)模式[6]。如圖2所示，當正弦波大于三角波時，使相應(yīng)的開關(guān)器件導通；當正弦波小于三角波時，使相應(yīng)開關(guān)器件截止。

1.2  三角波產(chǎn)生原理
　　三角波產(chǎn)生原理如圖3所示，三角載波可以通過加減計數(shù)器產(chǎn)生。計數(shù)器要求為7位二進制數(shù)，三角載波的幅度值為8位二進制數(shù)(其中最高位為符號位，1表示正，0表示負)。計數(shù)器由clk分頻后產(chǎn)生的div進行觸發(fā)。計數(shù)器的幅值為128，計數(shù)器先從0遞增到128，符號位為正，此過程的數(shù)據(jù)與符號位作為三角載波前1/4周期(即0°～90°)的幅度值；接著計數(shù)器從128遞減到0，同時符號為正，此過程的數(shù)據(jù)與符號位作為三角載波第2個1/4周期(即90°～180°)的幅度值；然后計數(shù)器從0遞增到128，同時符號為負，此過程的數(shù)據(jù)與符號位作為三角載波第3個1/4周期(即180°～270°)的幅度值；最后計數(shù)器從128遞減到0，同時符號為負，此過程的數(shù)據(jù)與符號位作為三角載波第4個1/4周期(即270°～360°)的幅度值。此后的波形重復前面4個過程，因此完成一個周期的三角載波需要計數(shù)器計算128×4=512次，需要512個計數(shù)脈沖div。

1.3  正弦波產(chǎn)生原理
　　正弦波產(chǎn)生原理與三角波產(chǎn)生原理不同，正弦波不需要通過計數(shù)器得到。由于正弦波本身的對稱性，所以可以通過查值表得到波形，且只需要存儲第一個1/4周期(即0°～90°)，其余部分可以由對稱性獲得，節(jié)省了資源。根據(jù)正弦波的精度要求的不同，可以設(shè)定相應(yīng)的二進制位數(shù)將波形進行細分。具體實現(xiàn)方法是：把0°～90°分成若干份(具體份數(shù)由數(shù)據(jù)精度決定，數(shù)據(jù)位數(shù)越多分得的份數(shù)越多，精度也越高)，每一份對應(yīng)一個幅值，把對應(yīng)幅值存儲在寄存器內(nèi)，其余的部分(90°～360°)通過對稱性得到。因此要得到一定頻率的正弦波，就要控制寄存器地址的產(chǎn)生頻率。而地址發(fā)生器又通過計數(shù)器實現(xiàn)，所以只要控制計數(shù)脈沖的頻率為某一數(shù)值，就可以得到相應(yīng)頻率的正弦波。
1.4 Dead-time 死區(qū)時間處理
　　本數(shù)字伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM波形應(yīng)能達到同相輸出時上下開關(guān)互補，即上關(guān)時下開，上開時下關(guān)，三相逆變電路如圖1所示。由于功率元件的turn-on時間一般小于turn-off 時間，所以在功率元件狀態(tài)變化時，將出現(xiàn)一段死區(qū)，即不能達到同時互補的情況[7]。因此有必要在功率元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換時加入一段死區(qū)時間，以防止出現(xiàn)短路情況，也能實現(xiàn)PWM波形的互補。死區(qū)時間的長短應(yīng)該根據(jù)功率元件的turn-off時間而定，一般設(shè)為turn-off時間的2～3倍。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　本文提出的交流電動機伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，其原理是將產(chǎn)生的三相正弦波與產(chǎn)生的三角波進行比較，從而產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，脈寬調(diào)制信號再經(jīng)過Dead-time發(fā)生器和隔離電路，觸發(fā)控制三相逆變電路中的MOS晶體管的通斷[8]。f為外部輸入的改變頻率值的命令或信號，用0～255的8位二進制數(shù)表示三相正弦波的頻率值變化輸入信號，三相正弦波頻率值設(shè)定在10 Hz～100 Hz。三角波發(fā)生器按照輸出幅度大小設(shè)置為-127～128的8位二進制數(shù)運算，載波頻率設(shè)置為10 kHz。三相正弦波的產(chǎn)生是以VHDL硬件描述語言中的when-else語法建立三相正弦波查值表為基礎(chǔ)來實現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
　　本文提出的交流電動機伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件能實現(xiàn)交流電動機的速度控制。交流電動機各模塊采用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)，且各模塊通過功能仿真。在這里給出三相PWM電路與Dead-time死區(qū)時間產(chǎn)生電路的代碼實現(xiàn)及其模塊的仿真波形。
3.1  三相PWM電路的軟件實現(xiàn)
　　三相PWM電路的VHDL實現(xiàn)代碼如下所示：
　　entity comparator is     ----比較器entity聲明，4輸入信號，6輸出信號
　　port(clk:in std_logic;
　　va,vb,vc:in std_logic_vector(7 downto 0);
　　pwm_a_on,pwm_a_off,pwm_b_on,pwm_b_off,pwm_c_on,pwm_c_off:out std_logic);
　　end comparator;
　　architecture rtl of comparator is     比較器邏輯功能描述
　　……
　　process(clk)                    ----三角波產(chǎn)生
　　……
　　end process;
　　process(cnt,va)          ----第1相正弦波與三角波比較
　　……
　　end process;
　　process(cnt,vb)          ----第2相正弦波與三角波比較
　　……
　　end process;
　　process(cnt,vc)           ----第3.相正弦波與三角波比較
　　……
　　end process;
　　end rtl;
　　三相PWM電路實現(xiàn)原理如圖2和圖4所示，VHDL實現(xiàn)代碼中有clk、va、vb、vc 4個輸入信號，pwm_a_on、pwm_a_off、pwm_b_on、pwm_b_off、pwm_c_on 、pwm_c_off 6個輸出信號。輸入時鐘clk設(shè)定為40 MHz，va,vb,vc為三相電壓的pwm控制命令，代表正弦波的幅值，如圖5所示，用8位二進制數(shù)表示。pwm_a_on、pwm_a_off、pwm_b_on、pwm_b_off、pwm_c_on 、pwm_c_off為正弦波與三角波比較后，正反相輸出的PWM信號。整個電路功能的實現(xiàn)由4個process來完成，包括process(clk)、process(cnt,va)、process(cnt,vb)和process(cnt,vc)。process(clk)負責利用計數(shù)器產(chǎn)生三角波，原理如圖3所示，共用到了512個計數(shù)脈沖(即CNTB)，因為要與8位正弦波作比較，所以三角波幅值用對應(yīng)的8位二進制數(shù)表示為-128～127(即A)；process(cnt,va)負責第1相的正弦波與三角波比較，判斷對應(yīng)輸出；process(cnt,vb)負責第2相的正弦波與三角波比較，判斷對應(yīng)輸出；process(cnt,vc)負責第3相的正弦波與三角波比較，判斷對應(yīng)輸出。

　　三相PWM電路的仿真波形圖如圖6所示。

3.2 Dead-time死區(qū)時間產(chǎn)生電路的軟件實現(xiàn)
　　Dead-time死區(qū)時間產(chǎn)生電路的VHDL實現(xiàn)代碼如下所示：
　　entity dead_time is     ----死區(qū)時間產(chǎn)生電路entity聲明，4輸入信號，2輸出信號
　　port(RST,CLK1,pwm_on,pwm_off:in STD_LOGIC;
　　pwm_on_dt,pwm_off_dt:out STD_LOGIC);
　　end dead_time;
　　architecture RTL of dead_time is      ----死區(qū)時間產(chǎn)生電路的邏輯功能描述
　　……
　　process(CLK1,RST,pwm_on,pwm_off)
　　begin
　　……
　　end process;
　　end RTL;
　　Dead-time死區(qū)時間產(chǎn)生電路實現(xiàn)原理如圖1所示，VHDL實現(xiàn)代碼有RST、CLK1、pwm_on、pwm_off 4個輸入信號，pwm_on_dt,pwm_off_dt 2個輸出信號。對于a點的2個MOS管s1、s2，當輸入控制命令pwm_a_on為0、pwm_a_off為1時，s1管截止，s2管導通；當輸入控制命令pwm_a_on 由0變?yōu)?，pwm_a_off由1變?yōu)?時，s1管將由截止變?yōu)閷?，而s2管由導通變?yōu)榻刂?。由于turn-on時間小于turn-off時間，在2個MOS管狀態(tài)變化時，可能會產(chǎn)生短路現(xiàn)象，即不能確保2個MOS管之間達到狀態(tài)互補，因此需要對輸入控制信號做出Dead-time時間的輸入補償。具體做法如代碼所示，當MOS管由截止變導通時，應(yīng)使MOS管延遲Dead-time時間導通，即pwm_on信號延遲為pwm_on_dt輸出，pwm_off信號同理延遲為pwm_off_dt輸出，避免短路的發(fā)生。pwm控制命令加入Dead-time前后的時序圖如圖7所示，Dead-time死區(qū)時間產(chǎn)生電路仿真波形如圖8所示。

4 實驗結(jié)果
　　將上述數(shù)字伺服控制系統(tǒng)在Quartus II上經(jīng)過仿真編譯后，下載到Altera DE2開發(fā)板，從而驗證對交流電動機的轉(zhuǎn)速控制。當頻率輸入命令取10 Hz和20 Hz時，SPWM控制信號驅(qū)動逆變器產(chǎn)生的電流響應(yīng)分別如圖9(a)和圖9(b)所示。

　　實驗結(jié)果表明該伺服控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對交流電動機的轉(zhuǎn)速控制。
　　本文提出了一個基于FPGA的交流電動機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該伺服控制系統(tǒng)利用SPWM原理進行控制，通過驅(qū)動三相逆變器，從而達到控制三相交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。實驗表明，該伺服控制系統(tǒng)設(shè)計方案能較好地實現(xiàn)交流電動機的轉(zhuǎn)速控制，且結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。

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