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可靠性和實時性是對控制系統的基本要求,最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路。隨著電子技術的進步,以脈寬調制（PWM）為基礎的變頻調速技術已廣泛應用于電機控制中。在數字化趨勢廣泛流行的今天,集成電路甚至電機控制專用集成電路已大量應用在電機控制中。特別是最近幾年興起一種全新的設計思想,即基于現場可編程門陣列（FPGA）的硬件實現技術。該技術可以應用于基于矢量控制的異步電機變頻調速系統中。FPGA本身是標準的單元陣列,沒有一般的IC所具有的功能,但用戶可以根據自己的需要,通過專門的布局布線工具對其內部進行編程,在最短的時間內設計出自己的專用集成電路,從而大大地提高了產品的競爭力。由于FPGA以純硬件的方式進行并行處理,而且不占用CPU的資源,使系統可以達到很高的性能。這種設計方法應用于異步電機矢量控制變頻調速系統時,一般把電流控制作為DSP 的協處理,轉子速度和轉子磁鏈算法由DSP 主機來實現。一般情況下,位置控制比較靈活,很難做到通用性,所以位置環節一般由DSP來完成,但速度控制和電流控制具有通用性,因此可以把它們集成到一個專用芯片中。這樣,既可以實現速度控制,又可以對電流單獨控制,還可以和DSP共同構成位置控制系統。如圖1所示,若FPGA中集成有CPU內核,則可以把位置、速度、電流3種算法完全由1片FPGA來實現,從而實現真正的片上系統。 
 

圖1 異步電機速度控制器系統的集成化結構

圖2 三相繞組與二相繞組的軸線設定 

    FPGA將半定制器件邏輯集成度高的優點與標準邏輯器件開發周期短和開發成本低的優點結合在一起后,具有結構靈活、高密度、高性能、開發工具先進、編程完畢后的成品無需測試和可實時在線檢驗等優點。本文介紹的異步電動機矢量控制調速系統按照模塊化設計的基本思想,研究電流矢量控制、速度PI調節、電流 PI調節、反饋速度測量、電流磁鏈轉換、SVPWM、 Clarke變換、 Park變換和Park逆變換等幾個主要功能模塊的數字結構,并在單片Xilinx FPGA 中完成了主要模塊的布局布線,實現異步電機矢量控制速度控制器的專用集成電路。

一.矢量控制的基本原理
    設異步電機三相繞組（A、B、C）與二相繞組（α、β）的軸線設定如圖2所示,A相繞組軸線與α相繞組軸線重合,都是靜止坐標,分別對應的交流電流為iA、iB、iC和iα、iβ。采用磁勢分布和功率不變的絕對變換,三相交流電流在空間產生的磁勢F與二相交流電流產生的磁勢相等。即采用正交變換矩陣,則其正變換公式為:

    由二相靜止坐標系（α,β）到二相旋轉坐標系（d-q）的變換稱為Park變換。α、β為靜止坐標系,d-q為任意角速度ω旋轉的旋轉坐標系。當α、β靜止坐標系變換為d-q旋轉坐標系時,坐標軸的設定如圖3所示。圖3中θ為α軸與d軸之間的夾角,d、q繞組在空間垂直放置,加上直流id和iq,并讓d、q坐標以同步轉速ω旋轉,則產生的磁動勢與α-β坐標系等效。d-q和α-β軸的夾角θ是一個變量,隨負載、轉速而變化,在不同的時刻有不同的值。Park變換,寫成矩陣形式,其公式如下:

圖3 α-β坐標 

    矢量控制亦稱磁場定向控制,其基本思路是:模擬直流電機的控制方法進行控制,根據磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標（Clarke變換即3Φ/α-β變換,其坐標變換關系如圖2,定量關系如公式（1））,然后通過旋轉變換將二相靜止坐標變成二相旋轉坐標（Park變換,即（α-β/d-q變換,坐標變換關系如圖3,定量關系如公式（3））。在α-β/d-q變換下將定子電流矢量分解成按轉子磁場定向的2個直流分量id、iq（其中id為勵磁電流分量,iq為轉矩電流分量）,并對其分別加以控制,控制id就相當于控制磁通,而控制iq就相當于控制轉矩。
    2個直流分量id和iq分別由速度和電流PI調節器經電流電壓變換和Clarke逆變換（坐標變換關系如圖2,定量關系如公式（2））、Park逆變換（坐標變換關系如圖3,定量關系如式（4））和電壓空間矢量變換后,獲得控制逆變器的6路PWM信號,從而實現對異步電機的變壓變頻控制。

二.控制器的數字硬件設計
    異步電機速度控制器的數字硬件設計主要包括Clarke變換、Clarke逆變換;Park變換、Park逆變換;電流PI調節模塊、速度PI調節模塊;電壓空間矢量模塊;轉子磁鏈計算模塊和速度檢測模塊等幾個不同部分。矢量控制異步電機調速系統的主電路和數據運算路徑如圖4所示。

2.1.矢量變換模塊設計
    矢量變換包括相坐標以及坐標旋轉正變換和反變換,式（1）～（4）給出了相應變換的定量運算公式。其中式（1）、（2）的數字實現比較簡單,1個加法器和1個乘法器就可以完成變換運算;式（3）、（4）確定的坐標旋轉正變換和逆變換,在工程實踐中可以采用查正弦表或泰勒級數展開的方式進行計算,從而完成相應的功能。

2.2 PI調節器模塊設計