2012年全国优秀IC与电子产品解决方案评选

背景介绍

矢量控制 (Vector Control),又称磁场定向控制 (Field Oriented Control),是将交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向,通过坐标变换将电机定子电流正交分解为与磁场方向一致的励磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量,然后就可以像直流电机一样对励磁电流分量和转矩电流分量分别进行控制。矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制‚使交流传动系统的动态特性有了显着的改善,大大改善了异步电机的动态控制性能,使之能与直流电机的控制效果相媲美。矢量控制包括坐标变换和旋转以及其它一些包含非线性的复杂运算‚无速度传感器矢量控制(省去了轴角编码器)驱动算法的出现,把高速运算的要求推得更高。矢量控制目前已经成为伺服控制领域的标准算法,在伺服控制器产品中占据绝对的优势。当前比较流行的实现矢量控制的平台是基于MCU或者DSP，但是由于这些器件本身的局限性，在一些中高端伺服控制场合已经远远不能适应现场应用的发展。FPGA作为一种领先的可编程逻辑器件，可以通过并行处理和硬件加速功能实现一些高性能的伺服系统，它仅在数微秒之间就能完成一次矢量控制的运算，还可以把电流环、速度环和位置环放到一片FPGA里来实现，同时还支持多轴马达的控制，这些都是FPGA比现今主流的DSP方案有优势的地方。Xilinx去年隆重推出了嵌入ARM Cortex-A9 双核的Zynq芯片系列，实现了真正的 All Programmable SOC系统。该芯片将更加发挥FPGA芯片内软件和硬件集成的优势，让客户设计出更高性能的伺服控制产品。

国家在十二五计划中明确提出要推进装备制造业转型升级，提高产业核心竞争力，大力发展智能制造装备等战略性新兴产业。伺服驱动是数控技术的核心部分，通过选择先进的硬件平台和先进的伺服控制算法无疑将会大幅度提升产品的竞争力，使产业升级更加深入并且加速发展。这个基于Xilinx FPGA Zynq的电机矢量控制方案‚通过提供客户一个完整的参考方案‚可以加快研发者的起步‚大大缩短研发的周期‚为客户提供差异化的产品奠定了坚实的基础。




设计目标

安富利设计服务 (Avnet Design Services) - 香港安富利设计中心通过XILINX FPGA Zynq器件,实现全逻辑的矢量控制方案。并通过专用的控制调试软件,调教控制的参数,达至目标的性能。在该设计中,矢量控制算法用FPGA内的逻辑部分来实现,在ARM Cortex-A9处理器上运行Linux和TCP/IP协议栈。该硬件平台代表着伺服驱动领域的未来发展方向,无论在参考平台性能上和产品集成度方面都具有业界领先的水平。




硬件设置


这方案使用一个三相永磁同步电机(伺服电机)作演示,它将由一颗TI的DRV8432芯片所驱动。FPGA的角色就是通过操控DRV8432来控制电机。整个FOC控制的算法都在FPGA Zynq-7020内进行,所需的参数及系统的反馈会实时经由以太网与PC相互传输。至于FOC控制算法所需的反馈电流以及电机的转子的位置‚FPGA则会连接到外部的ADC以及电机的编码器来作采样。在每个PWM驱动的周期中,FPGA也会对电流采样,经过FOC里的演算转换后,得出反馈的电流值。根据驱动模式‚会使用反馈电流值或编码器的波型去算出电机的速度及位置。计算出来的速度值及电流值成为PID控制器的反馈值‚用以计算下周期的驱动波型。此流程不断的重复,实现闭环控制。

设计原理简图