论文部分内容阅读
【摘 要】当前，世界汽车工业的可持续发展正面临着两大挑战，即环境污染与石油资源的匮乏，故面对如此形势，积极研发出用来替代传统的燃油汽车的电动汽车技术俨然已经成为了研究界的一个热点话题。而电机的驱动控制系统又是该电动汽车运行的关键所在。因此，文章从分析FPGA的基本结构与技术入手，在充分利用FPGA技术的基础上对电动汽车中无刷直流电动机的控制系统展开深入的研究。
【关键词】FPGA；电动汽车；无刷直流电动机；控制系统
0. 引言
电动汽车，指的就是一种以车载电源为其动力，采用电机驱动车轮来实现正常行驶且负荷道路交通与安全法规相关要求的汽车，一般多采用高效率的充电电池或是燃料电池作为其动力源。而电机驱动控制系统作为新能源汽车——电动汽车在行驶过程中一个主要执行结构，是电动汽车的一个核心部件之一，其驱动的性能决定了电动汽车在运行中的各种性能指标，因此，选择合适的电动机是有效提升各类电动汽车运行性能的一个重要因素。故文章以无刷直流电动机为例，基于FPGA技术对其电机的控制系统展开具体的论述。
1. FPGA的基本结构
FPGA，指现场可编程门阵列，由Xillnx公司在20世纪80年代中期最早提出，之后这种新型的可编程逻辑器件就以其优越的性能得到了广泛的推广与应用。与传统可编程逻辑器件相比较，一片FPGA就可集成几千万甚至是上百万的逻辑门，且其逻辑功能单元又不仅仅只局限于逻辑门，而是具有更加复杂且高效的逻辑功能，进而使芯片的整体功能得到了大大的加强。从本质上来说，FPGA芯片主要由CLB（可配置逻辑模块）、IOB（可编程的输入输出单元）、嵌入式RAM与丰富布线资源以及底层的嵌入功能单元、内嵌式专用硬核六部分组成[1]。其中，CLB，作为可编程逻辑主体与实现用户各项功能的一个基本单元，其一般是由查找表与寄存器两者共同构成，并以阵列的形式排列分布在芯片中；IOB，属于芯片同外界电路接口的部分，用于完成各种电气特性下对相关输入/输出信号的相应驱动和匹配要求，如图1所示；嵌入式RAM，它可根据具体的设计要求实现对单端口RAM、CAM（内容地址存储器与双端口RAM等常用存储结构的合理配置；丰富布线资源，主要是用于连接FPGA的内部各单元，将各可编程逻辑单元同可编程的输入输出单元有机的连接在一起，最终构成可完成相关特定功能的电路系统；而内嵌式专用硬核与底层的嵌入功能单元，前者主要是指Hard Core，由于其通用性较弱故并不是所有的FPGA都具有该结构，而后者则是通用性较高的一种嵌入式的功能单元，包括了PLL、DSP与CPU等模块，且伴随FPGA工艺和技术的不断进步，FPGA内部嵌入模块也随之变得更加丰富，以满足不同的设计需要。
图1 IOB内部结构
2. 基于FPGA的电动汽车无刷直流电动机的控制系统
近年来，由于FPGA的不断发展，新一代的高性能FPGA集成规模也得到了逐步扩大，形成了百万逻辑门，有着巨大的应用前景。当前，FPGA主要是用于通信领域，而若将FPGA应用到电动汽车的无刷直流电机控制系统中，不仅可优化其系统的外部结构，以提高系统的抗干扰能力，还能有效提高系统的调速精度与实时性，特别是在多对象控制中有着较大的优势，有效避免了因流水线结构控制其的多对象控制编程时可能出现的各种复杂时序问题。当FPGA应用在无刷直流电机控制中时，需对系统实施数字化处理，如对传感器信号的接收、电机驱动的方式等，同时，还需完成对电机驱动信号与闭环控制算法等相关模块的设计，故基于FPGA的电机控制系统，具有十分强大的功能，是电动汽车电机控制系统新后发展的主要思路与方向。
硬件系统设计的主要目的就是通过运用具体元器件以获得方案所需的硬件结构，在设计时需考虑到功能的实现与系统的实用性、可靠性与成本因素等。故文章基于FPGA设计出了电动汽车中无刷直流电机的控制系统的总体方案，该系统的硬件电路的总体结构框架如图2所示，由控制电路与功率电路两个部分组成，其中，控制电路主要包括了FPGA芯片选型及其必要的一个扩展电路、A/D转换电路与霍尔信号接口电路、通信接口电路以及电平转换电路等，而功率电路则主要由整流电路、故障保护电路与逆变电路三部分构成。
图2 控制系统的硬件电路的总体结构框图
如图所示，该无刷直流电机控制系统，主要是以转速与电流双闭环为其主要的控制策略，工作原理是：当转子处信号经过霍尔处传感器时发出霍尔信号，进而通过霍尔信号接口电路传送至FPGA，而FPGA则根据具体的霍尔信号频率来计算其当前的电机转速，并将其同转速给定值一同经过转速调节器以获取电流调节器给定值；当A、B两相的电流信号通过A/D 转换电路被输送至FPGA时，需经过相关的处理，而后同转速调节器输出值一同通过电流调节器进行调节，从而确定其三相逆变电路PWM的曲工脉冲占空比大小，而形成的PWM信号则通过换相控制与PWM调制后被传送到逆变电路的个功率开关管处，以引导控制电机中的各相绕组实现有序的运行，最终实現对无刷直流电机的转速的有效控制[2]。同时，FPGA还可对系统运行的实时状态进行监控，一旦发生故障，则将启动声光报警，并对控制电路实时必要的保护措施，从而有效保障使用者人身安全与功率电路。此外，系统中有关电机在运行过程中的相关参数与其它的一些控制信号不仅可通过上位机进行远程控制，还可通过本地的人机交互接口进行键盘的输入，而且在电机实际运行过程中，其控制系统的相关状态信息也可通过LCD实现实时动态的显示，最终实现对电动汽车电机的全程监控。
3. 结束语
总之，电动汽车的逐步发展已经成为了汽车产业的一个主要发展思路与方向，对于这一点，国内外学界、业者与政府部门都未对此表示怀疑，故在这种情况下，对电动汽车的电机控制系统展开相关的研究与研发是实现电动汽车行业可持续发展的必然要求，故文章提出了基于FPGA的电动汽车的无刷直流电机的控制系统的硬件电路的总体设计框架，对实现电动汽车的实时监控有着重大的现实意义。■
参考文献
[1] 刘丽娜.基于FPGA的无刷直流电机控制系统的设计[D].哈尔滨工程大学，2013.
[2] 空间电机控制系统中FPGA的设计与实现[J].空间电子技术，2012，（2）：44-50.
【关键词】FPGA；电动汽车；无刷直流电动机；控制系统
0. 引言
电动汽车，指的就是一种以车载电源为其动力，采用电机驱动车轮来实现正常行驶且负荷道路交通与安全法规相关要求的汽车，一般多采用高效率的充电电池或是燃料电池作为其动力源。而电机驱动控制系统作为新能源汽车——电动汽车在行驶过程中一个主要执行结构，是电动汽车的一个核心部件之一，其驱动的性能决定了电动汽车在运行中的各种性能指标，因此，选择合适的电动机是有效提升各类电动汽车运行性能的一个重要因素。故文章以无刷直流电动机为例，基于FPGA技术对其电机的控制系统展开具体的论述。
1. FPGA的基本结构
FPGA，指现场可编程门阵列，由Xillnx公司在20世纪80年代中期最早提出，之后这种新型的可编程逻辑器件就以其优越的性能得到了广泛的推广与应用。与传统可编程逻辑器件相比较，一片FPGA就可集成几千万甚至是上百万的逻辑门，且其逻辑功能单元又不仅仅只局限于逻辑门，而是具有更加复杂且高效的逻辑功能，进而使芯片的整体功能得到了大大的加强。从本质上来说，FPGA芯片主要由CLB（可配置逻辑模块）、IOB（可编程的输入输出单元）、嵌入式RAM与丰富布线资源以及底层的嵌入功能单元、内嵌式专用硬核六部分组成[1]。其中，CLB，作为可编程逻辑主体与实现用户各项功能的一个基本单元，其一般是由查找表与寄存器两者共同构成，并以阵列的形式排列分布在芯片中；IOB，属于芯片同外界电路接口的部分，用于完成各种电气特性下对相关输入/输出信号的相应驱动和匹配要求，如图1所示；嵌入式RAM，它可根据具体的设计要求实现对单端口RAM、CAM（内容地址存储器与双端口RAM等常用存储结构的合理配置；丰富布线资源，主要是用于连接FPGA的内部各单元，将各可编程逻辑单元同可编程的输入输出单元有机的连接在一起，最终构成可完成相关特定功能的电路系统；而内嵌式专用硬核与底层的嵌入功能单元，前者主要是指Hard Core，由于其通用性较弱故并不是所有的FPGA都具有该结构，而后者则是通用性较高的一种嵌入式的功能单元，包括了PLL、DSP与CPU等模块，且伴随FPGA工艺和技术的不断进步，FPGA内部嵌入模块也随之变得更加丰富，以满足不同的设计需要。
图1 IOB内部结构
2. 基于FPGA的电动汽车无刷直流电动机的控制系统
近年来，由于FPGA的不断发展，新一代的高性能FPGA集成规模也得到了逐步扩大，形成了百万逻辑门，有着巨大的应用前景。当前，FPGA主要是用于通信领域，而若将FPGA应用到电动汽车的无刷直流电机控制系统中，不仅可优化其系统的外部结构，以提高系统的抗干扰能力，还能有效提高系统的调速精度与实时性，特别是在多对象控制中有着较大的优势，有效避免了因流水线结构控制其的多对象控制编程时可能出现的各种复杂时序问题。当FPGA应用在无刷直流电机控制中时，需对系统实施数字化处理，如对传感器信号的接收、电机驱动的方式等，同时，还需完成对电机驱动信号与闭环控制算法等相关模块的设计，故基于FPGA的电机控制系统，具有十分强大的功能，是电动汽车电机控制系统新后发展的主要思路与方向。
硬件系统设计的主要目的就是通过运用具体元器件以获得方案所需的硬件结构，在设计时需考虑到功能的实现与系统的实用性、可靠性与成本因素等。故文章基于FPGA设计出了电动汽车中无刷直流电机的控制系统的总体方案，该系统的硬件电路的总体结构框架如图2所示，由控制电路与功率电路两个部分组成，其中，控制电路主要包括了FPGA芯片选型及其必要的一个扩展电路、A/D转换电路与霍尔信号接口电路、通信接口电路以及电平转换电路等，而功率电路则主要由整流电路、故障保护电路与逆变电路三部分构成。
图2 控制系统的硬件电路的总体结构框图
如图所示，该无刷直流电机控制系统，主要是以转速与电流双闭环为其主要的控制策略，工作原理是：当转子处信号经过霍尔处传感器时发出霍尔信号，进而通过霍尔信号接口电路传送至FPGA，而FPGA则根据具体的霍尔信号频率来计算其当前的电机转速，并将其同转速给定值一同经过转速调节器以获取电流调节器给定值；当A、B两相的电流信号通过A/D 转换电路被输送至FPGA时，需经过相关的处理，而后同转速调节器输出值一同通过电流调节器进行调节，从而确定其三相逆变电路PWM的曲工脉冲占空比大小，而形成的PWM信号则通过换相控制与PWM调制后被传送到逆变电路的个功率开关管处，以引导控制电机中的各相绕组实现有序的运行，最终实現对无刷直流电机的转速的有效控制[2]。同时，FPGA还可对系统运行的实时状态进行监控，一旦发生故障，则将启动声光报警，并对控制电路实时必要的保护措施，从而有效保障使用者人身安全与功率电路。此外，系统中有关电机在运行过程中的相关参数与其它的一些控制信号不仅可通过上位机进行远程控制，还可通过本地的人机交互接口进行键盘的输入，而且在电机实际运行过程中，其控制系统的相关状态信息也可通过LCD实现实时动态的显示，最终实现对电动汽车电机的全程监控。
3. 结束语
总之，电动汽车的逐步发展已经成为了汽车产业的一个主要发展思路与方向，对于这一点，国内外学界、业者与政府部门都未对此表示怀疑，故在这种情况下，对电动汽车的电机控制系统展开相关的研究与研发是实现电动汽车行业可持续发展的必然要求，故文章提出了基于FPGA的电动汽车的无刷直流电机的控制系统的硬件电路的总体设计框架，对实现电动汽车的实时监控有着重大的现实意义。■
参考文献
[1] 刘丽娜.基于FPGA的无刷直流电机控制系统的设计[D].哈尔滨工程大学，2013.
[2] 空间电机控制系统中FPGA的设计与实现[J].空间电子技术，2012，（2）：44-50.