BAE公司开发三向无刷永磁电机的面向现场的控制研究

Author(s):
Brian Mann - Selex-Galileo

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
PXI-7831R, PXI/CompactPCI, LabVIEW, FPGA Module

The Challenge:
快速开发出下一代高性能电机控制器的原型。

The Solution:
利用NI PXI平台、LabVIEW 7Express、LabVIEW 7 FPGA模块和PXI-7831R型可重配置I/O模块在Xilinx FPGA芯片上实现全数字化的电机控制器。

ACEIII档电流
下一代电机控制器设计
BAE Systems Avionics 公司设计和制造军事电子和监视系统。为了保持竞争力，航空电子部门不断评估新工具和技术，用于减少新技术的设计生产间隔时间。我们在实验室里把时间用在开发硬件和软件上，这是我们持续成功的关键。

磁场定向控制（FOC），或者矢量控制，是一项新技术，它可以改进各种电机的转矩- 速度特性，而我们公司的大多数产品都集成了至少一个直流电机。爱丁堡的BAE Systems 公司伺服系统技术集团，对增加峰值功率非常有兴趣，因为升级后的电机驱动器将为现有的电机提供额外的性能，并且通过在新设计中减少电机质量来节省航空产品的重量。

同时，随着FPGA 性能的提高，我们不仅可以使用FPGA 进行电机控制，还可以进行伺服系统控制。我们使用NI 公司的产品进行快速地原型化，显著地降低了新技术在设计早期带来的风险。

FOC 技术
由传统方波放大器驱动的电机受限于整流误差引起的不理想的转矩-速度特性和转矩脉动。正弦整流解决了转矩脉动问题，并且在低速电机上工作良好。但在速度更高时，PI 电流控制器必须提高频率来跟踪正弦电流，同时克服增加频率和幅度的反电动势问题。这将导致相位延迟，由于转矩产生的通量没有以90 度作用于转子，所以会造成每安培转矩的损失。这种影响由转矩- 速度（TS）图中的曲线表示。基本上，TS曲线包含两条线，水平线是决定最大速度的电压限制，而垂直方向是决定最大转矩的电流限制。

我们使用FOC 来改进TS 特性。这种整流方法利用变送器将正弦电流和编码位置变换至转动转子的d-q参考帧。d和q部分是直流的，所以很容易使用PI 控制器来控制它们。再对控制器输出进行反变换，输出正确相位和幅度的电压波形以保持通量与转子的90 度夹角，进而获得最大的电流到转矩功率转换。

空间矢量调制和FPGA 实现
利用全数字化控制，我们可以使用空间矢量调制（SVM）来解锁15% 以上的无负载速度。FOC 控制使得这变为可能，因为我们不再受限于母线电压/2的经典整流限制了。SVM的三角特性遵循30度、60 度和90 度三角和1、2 及边长，将相对关系改为母线电压/。从这个比例，我们可以计算出母线电压/2 除以母线电压/ 等于1.1547，或者说15% 的增加。

传统的FPGA控制算法实现伴随着巨大的风险，因为第一次的物理实现会持续服役到产品设计周期的结束。通过使用NI LabVIEW FPGA Module 软件进行快速控制器原型化，我们甚至可以在开始FPGA设计前就开始测试和进一步开发实际的硬件。

我们使用含有定点宏块集的数学模型工具包来仿真FPGA的数学功能，进行算法的开发。我们可以迅速用G代码来重写定点算法，并且在NI公司的PXI 平台或CompactRIO 可重配置控制和采集平台上运行。在编译过程中，硬件描述语言（HDL）的生成、逻辑分析、HDL 仿真以及摆放和布线操作都是完全自动化的。VHDL 代码通过PXI 机箱的背板，下载到NI PXI-7831R 的Virtex VC2V1000 中。PXI-7831R 提供了8个16位的模数转换器、8个16位的数模转换器以及96个晶体管-晶体管逻辑I/O 管脚，用于使用内插式终端卡进行快捷的硬件连接。调试也很容易，因为我们可以从任意的FPGA寄存器中读取数据，并且在运行NI LabVIEW 的主机上显示结果，而不影响FPGA 的运行。

快速系统组件原型化
我们用于研究新型技术的快速原型化系统包括了装有运行LabVIEW 软件的NI PXI 嵌入式控制器的PXI 机箱和PXI-7831R 可重配置I/O 模块。我们使用LabVIEW 图形化开发环境、LabVIEWFPGA 模块来开发所有的系统部件。正如上面描述的那样，我们直接在主机的LabVIEW环境中对PXI-7831R FPGA进行配置和编程。编译后的LabVIEW 代码可以直接下载到FPGA 中。在主机的Windows操作系统下运行的LabVIEW 软件，提供了系统监测和视觉化功能，这些也是使用LabVIEW 进行开发的。

通过使用NI 公司的PXI-7831R FPGA，我们使用最少的时间和仪器投资，向客户演示了新技术。在没有VHDL学习经历的情况下，我们创建了40kHz的实时控制器， 远远超出了以前使用的单点I/O的性能。