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基于高云FPGA芯片的FOC电流环控制方案

高云半导体 2021-04-26 09:29 次阅读

FOC简述

磁场定向控制(Field Oriented Control,FOC),是目前无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)控制领域所采用的一种数学变换方法。FOC 精确地控制磁场大小与方向,使得电机转矩平稳、噪声小、效率高,并且具有高速的动态响应。

FOC 一般采用三环控制,分别为电流环、速度环、位置环。电流环控制电机的转矩,是FOC 控制的根本。而速度环、位置环主要通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PI调节,它的环内PI输出直接就是电流环的给定,所以速度环控制时就包含了速度环和电流环,换句话说任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。

方案介绍

基于FOC Current Loop IP 的有感FOC 系统如下图所示。整个系统包含MCUFPGA、电机功率驱动板(电机功率驱动板包括一些基本的保护、检测、控制信号,且驱动电路应符合SVPWM 调制原理)和带位置传感器接口的电机(譬如,绝对式/增量式等)。

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基于FOC Current Loop IP 的有感FOC 实现

FPGA 部分主要实现FOC 电流环闭环系统,主要包含:

GW FOC Current Loop IP,提供电流环的核心计算;

电机编码器解析模块:用于获取电机位置反馈值。

ADC 采样模块:用于采集UV 两相电流反馈值。若采用SIGMA-DELTA ADC,则FPGA内部需实现SINC3 滤波及转换处理;若采用SAR 型ADC,一般采用SPI 接口解析。

相电流偏置补偿模块:用于补偿驱动板在零电流驱动下的偏置值。

电角度转换模块:用于将获得电机位置反馈值转换为电角度。

转子初始化模块:上电时,转子的初始位置是未知的,该模块用于上电之后,校准电机转子与0 电角度对齐。

总线接口模块:FPGA 与MCU 交互数据的模块,推荐采用并行总线接口通信。

MCU 部分主要实现FOC 的速度/位置环,有:

速度环:从FPGA 侧获取位置反馈信息(电机机械角度)后,估算出当前速度值(单位rpm),再根据想要获得的速度参考值进行速度pi 控制,并输出转矩值给FPGA 侧的电流环,形成双环闭环系统。

位置环:从FPGA 侧获取位置反馈信息(电机机械角度),根据位置指令与当前位置反馈信息的偏差进行位置PI 控制,并输出参数给速度环,接着经过速度环pi 控制输出指令至FPGA 侧的电流环,形成三环闭环系统。

应用案例

该参考设计的硬件平台采用DK_START_GW2A18-PG256 开发板(FPGA 型号为GW2A-18K),主要实现相电流采集、相电流补偿、电机编码器接口、FOC current Loop IP、转子初始化及FSMC 接口功能,其中pwm 波的频率为16KHz,电流环的更新频率亦为16KHz。

基于STM32F407 的最小系统板,主要实现位置环和速度环,其中位置环和速度环的更新频率为2KHz。

电机驱动板,母线电压为24V,采用6 单元MOSFET 结构,板上含有带SPI 接口的SAR 型ADC 芯片,分别对U/V 两相上桥臂进行电流采样。

带增量式/绝对式编码器的PMSM 电机(demo 均支持),其中增强式编码器采用4x模式,角度分辨率为一圈4000。而绝对式编码器采用RS485 电平,角度分辨率为一圈2^23,在demo 中,只用了绝对式编码器的高16bit,也就是说电机转一圈计数值从0~65536。注,后续的分析默认是基于绝对式编码器。

stm32 与FPGA 采用异步FSMC的并行总线进行交互数据,交互方式为中断触发。

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GW FOC 应用参考案例

编辑:jq

原文标题:热门方案: 基于高云FPGA芯片的FOC电流环控制方案

文章出处:【微信号:gowinsemi,微信公众号:高云半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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