Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit sind grundlegende Anforderungen an Steuerungssysteme. Frühe Motorsteuerungen basierten auf diskreten analogen Schaltungen. Mit den Fortschritten in der Elektronik hat sich die Pulsweitenmodulation (PWM) zur Drehzahlregelung mit variabler Frequenz in der Motorsteuerung weit verbreitet. Im heutigen Zeitalter der umfassenden Digitalisierung werden integrierte Schaltungen und sogar dedizierte integrierte Schaltungen für die Motorsteuerung häufig eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich eine neue Designphilosophie etabliert: die Hardware-Implementierung auf Basis von Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). Diese Technologie kann für vektorbasierte Drehzahlregelungssysteme für Asynchronmotoren genutzt werden. Obwohl ein FPGA selbst ein Standardzellenarray ohne die Funktionalitäten eines typischen ICs ist, können Anwender seine internen Strukturen mithilfe spezieller Platzierungs- und Routing-Tools programmieren, um in kürzester Zeit eigene dedizierte integrierte Schaltungen zu entwickeln und so die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte deutlich zu steigern. Da FPGAs die Parallelverarbeitung rein hardwarebasiert und ohne CPU-Ressourcen beanspruchen, kann das System eine sehr hohe Leistung erzielen. Wird diese Entwurfsmethode auf asynchrone Vektorregelungssysteme mit variabler Frequenz angewendet, dient die Stromregelung üblicherweise als Koprozessor für den DSP, während die Algorithmen für Rotordrehzahl und Rotorflussverkettung vom DSP-Host implementiert werden. Die Positionsregelung ist in der Regel flexibler und schwieriger universell zu realisieren, weshalb sie üblicherweise vom DSP übernommen wird. Drehzahl- und Stromregelung hingegen sind universell einsetzbar und können daher in einem dedizierten Chip integriert werden. So lässt sich die Drehzahlregelung realisieren, der Strom separat regeln und das Positionsregelungssystem zusammen mit dem DSP bilden. Wie in Abbildung 1 dargestellt, können bei Integration eines CPU-Kerns in den FPGA die Algorithmen für Position, Drehzahl und Strom vollständig von einem einzigen FPGA implementiert werden, wodurch ein echtes On-Chip-System entsteht [1][2]. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1 Integrierte Struktur des Drehzahlreglersystems für Asynchronmotoren Abbildung 2 Achsenanordnung der Dreiphasen- und Zweiphasenwicklung [/ALIGN] Durch die Kombination der Vorteile der hohen logischen Integration von Semi-Custom-Bausteinen mit den kurzen Entwicklungszyklen und geringen Entwicklungskosten von Standard-Logikbausteinen bietet FPGA die Vorteile einer flexiblen Struktur, hoher Dichte, hoher Leistung, fortschrittlicher Entwicklungswerkzeuge, des Verzichts auf Tests nach der Programmierung und der Echtzeit-Online-Verifizierung fertiger Produkte. Das in diesem Beitrag vorgestellte Vektorregelungssystem für die Drehzahlregelung von Asynchronmotoren folgt dem Grundprinzip des modularen Designs. Es untersucht die digitale Struktur mehrerer Hauptfunktionsmodule wie Stromvektorregelung, Drehzahl-PI-Regelung, Strom-PI-Regelung, Rückkopplungs-Drehzahlmessung, Stromflussumwandlung, SVPWM, Clarke-Transformation, Park-Transformation und inverse Park-Transformation. Layout und Routing der Hauptmodule werden auf einem einzigen Xilinx-FPGA realisiert, um den dedizierten integrierten Schaltkreis des Vektorregelungssystems für die Drehzahlregelung von Asynchronmotoren zu schaffen [3]. I. Grundprinzip der Vektorregelung. Die Achsen der Dreiphasenwicklung (A, B, C) und der Zweiphasenwicklung (α, β) des Asynchronmotors sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Achse der A-Phasenwicklung fällt mit der Achse der α-Phasenwicklung zusammen. Es handelt sich in beiden Fällen um stationäre Koordinaten, und die zugehörigen Wechselströme sind iA, iB, iC bzw. iα, iβ. Unter Anwendung der Absoluttransformation mit konstanter magnetomotorischer Kraftverteilung und Leistung ist die vom Dreiphasenwechselstrom im Raum erzeugte magnetomotorische Kraft F gleich der vom Zweiphasenwechselstrom erzeugten magnetomotorischen Kraft. Mithilfe der orthogonalen Transformationsmatrix ergibt sich die positive Transformationsformel: Die Transformation vom stationären Zweiphasen-Koordinatensystem (α, β) zum rotierenden Zweiphasen-Koordinatensystem (dq) wird als Park-Transformation bezeichnet. α und β sind stationäre Koordinatensysteme, und dq ist ein rotierendes Koordinatensystem, das sich mit einer beliebigen Winkelgeschwindigkeit ω dreht. Wird das stationäre α-β-Koordinatensystem in das rotierende dq-Koordinatensystem transformiert, ergeben sich die in Abbildung 3 dargestellten Koordinatenachsen. In Abbildung 3 bezeichnet θ den Winkel zwischen der α- und der d-Achse. Die d- und q-Wicklungen sind senkrecht zueinander angeordnet, und es fließen die Gleichströme id und iq. Die d- und q-Koordinaten rotieren mit der synchronen Drehzahl ω, wodurch eine magnetomotorische Kraft erzeugt wird, die derjenigen des α-β-Koordinatensystems entspricht. Der Winkel θ zwischen der dq- und der α-β-Achse ist eine Variable, die sich mit der Last und der Drehzahl ändert und zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedliche Werte annimmt. Die Park-Transformation, in Matrixform dargestellt, hat die folgende Formel: [ALIGN=CENTER] Abbildung 3 α-β-Koordinaten[/ALIGN] Die Vektorregelung, auch feldorientierte Regelung genannt, basiert auf folgendem Prinzip: die Regelung der dreiphasigen stationären Koordinaten durch Simulation der Regelungsmethode eines Gleichstrommotors. Nach dem Prinzip, dass die magnetomotorische Kraft und die Leistung unverändert bleiben, werden die dreiphasigen stationären Koordinaten durch eine orthogonale Transformation (Clarke-Transformation, d. h. 3Φ/α-β-Transformation, die Koordinatentransformationsbeziehung ist in Abbildung 2 dargestellt, und die quantitative Beziehung ist in Formel (1) dargestellt) in zweiphasige stationäre Koordinaten transformiert. Anschließend werden die stationären Zweiphasenkoordinaten mittels Rotationstransformation (Park-Transformation, d. h. α-β/dq-Transformation; die Koordinatentransformationsbeziehung ist in Abbildung 3 dargestellt, die quantitative Beziehung in Formel (3)) in rotierende Zweiphasenkoordinaten transformiert. Im Rahmen der α-β/dq-Transformation wird der Statorstromvektor in zwei Gleichstromkomponenten id und iq zerlegt, die entsprechend dem Rotormagnetfeld orientiert sind (wobei id die Erregerstromkomponente und iq die Drehmomentstromkomponente ist). Diese werden anschließend jeweils gesteuert. Die Steuerung von id entspricht der Steuerung des magnetischen Flusses, die Steuerung von iq der Steuerung des Drehmoments. Die beiden Gleichstromkomponenten id und iq werden mithilfe von Drehzahl- und Strom-PI-Reglern durch Strom-Spannungs-Transformation und Clarke-Inverse-Transformation (Koordinatentransformationsbeziehung ist in Abbildung 2 dargestellt, die quantitative Beziehung in Formel (2)), Park-Inverse-Transformation (Koordinatentransformationsbeziehung ist in Abbildung 3 dargestellt, die quantitative Beziehung in Formel (4)) bzw. Spannungsraumvektortransformation ermittelt. 6-Kanal-PWM-Signal zur Ansteuerung des Wechselrichters, wodurch die variable Spannungs- und Frequenzregelung des Asynchronmotors realisiert wird. II. Digitaler Hardware-Entwurf des Reglers Der digitale Hardware-Entwurf des Drehzahlreglers für den Asynchronmotor umfasst im Wesentlichen die Clarke-Transformation, die inverse Clarke-Transformation, die Park-Transformation, die inverse Park-Transformation, ein Strom-PI-Regelmodul, ein Drehzahl-PI-Regelmodul, ein Spannungs-Raumvektormodul, ein Rotorflussberechnungsmodul und ein Drehzahlerfassungsmodul. Der Hauptschaltkreis und der Datenverarbeitungspfad des Vektorregelungssystems für die Drehzahlregelung des Asynchronmotors sind in Abbildung 4 dargestellt . 2.1. Entwurf des Vektortransformationsmoduls Die Vektortransformation umfasst Phasen- und Koordinatenrotationstransformationen (Vorwärts- und Rückwärtstransformationen). Die Gleichungen (1) bis (4) liefern die quantitativen Berechnungsformeln für die entsprechenden Transformationen. Die digitale Implementierung der Gleichungen (1) und (2) ist relativ einfach. Ein Addierer und ein Multiplizierer genügen für die Transformationsoperation. Die durch die Gleichungen (3) und (4) bestimmten Koordinatenrotationstransformationen (Vorwärts- und Rückwärtstransformationen) können in der Praxis mithilfe einer Sinustabelle oder einer Taylorreihenentwicklung berechnet werden. Zugehörige Funktionen. 2.2 Entwurf des PI-Reglermoduls [ALIGN=CENTER] Abbildung 4 Datenpfad des Drehzahlreglers [/ALIGN] Der Strom-Innenregelkreis und der Drehzahl-Außenregelkreis werden beide gemäß der PI-Regelungsstrategie angepasst. Gleichung (5) ist die Iterationsformel des bilinearen Transformations-PI-Reglers. O[n]=P[n]+I[n] (5) Die Iterationsformel des Proportionalanteils lautet: P[n]=Kp·E[n] (6) Die Iterationsformel des Integralanteils lautet: I[n]=I[n-1]+Kh（E[n]+E[n-1]） (7) In der Formel ist E[n] der Fehlereingang, Kp die Proportionalverstärkung und Kh die Integralverstärkung. Die Bereiche von Kp und Kh werden durch die Motorparameter bestimmt und ihre spezifischen Werte müssen experimentell ermittelt werden. Um ein Übersteuern zu verhindern, ist der Regler mit einer Sättigungsbegrenzung ausgestattet. Der Strom-PI-Regler gibt einen Spannungsbefehl aus, der im Die Modulationskoeffizienten werden in Form von Modulationskoeffizienten angegeben und anschließend an das SVPWM-Modul gesendet. Der Drehzahl-PI-Regler gibt einen Sollstrom aus, der direkt an den Stromregler weitergeleitet wird. Unabhängig davon, ob es sich um den Strom- oder den Drehzahlregler handelt: Ist der Sollwert zu hoch, kann der Integrator einen großen Fehlerwert erzeugen. Aufgrund der Trägheit des Integrators bleibt dieser Fehler lange bestehen und führt zu übermäßigem Überschwingen. Daher sollte beim Entwurf des PI-Reglers die Integratorwirkung sofort abgeschaltet werden, sobald der Ausgang des Integrators den Grenzwert überschreitet, um die Auswirkungen des Überschwingens zu reduzieren. 2.3 Entwurf des Drehzahlmessmoduls nach der M/T-Methode Die größte Herausforderung bei einem rotorfeldorientierten, vektorgesteuerten Drehzahlregler für Asynchronmotoren ist die Messung der Rotorposition und der Rückkopplungsdrehzahl. Dieses Verfahren verwendet einen inkrementellen fotoelektrischen Geber und Hall-Sensoren zur Positionserfassung. Nach dem Einschalten erfassen die Hall-Sensoren die anfängliche Rotorposition für einen sanften Anlauf. Sobald der Z-Impuls des Gebers erscheint, werden präzise Positionsinformationen erfasst. Die Positionszählung erfolgt bei Die Frequenz der beiden orthogonalen Ausgangsimpulse des Encoders, QEP1 und QEP2, beträgt das Vierfache (siehe Abbildung 5). Die Drehzahl wird mit dem M/T-Verfahren gemessen. Dieses Verfahren vereint die Vorteile des T-Verfahrens mit denen des M-Verfahrens. Die Drehzahlmessung erfolgt wie folgt: Ein Timer (mit der Messdauer Tc) wird mit der fallenden Flanke des Drehzahl-Ausgangsimpulses gestartet. Gleichzeitig werden die Anzahl der Drehzahl-Ausgangsimpulse ml und die Anzahl der Taktimpulse m2 erfasst. Nach Ablauf der Messzeit wird zunächst die Zählung der Drehzahl-Ausgangsimpulse gestoppt. Anschließend wird die Zählung der Taktimpulse mit der nächsten fallenden Flanke des Drehzahl-Ausgangsimpulses beendet. Dadurch wird sichergestellt, dass der gesamte Ausgangsimpuls des Drehzahlsensors erfasst wird. Die festgelegte Basismesszeit TC vermeidet den Nachteil des T-Verfahrens, dass die Messzeit bei hohen Drehzahlen abnimmt. Gleichzeitig wird durch das Auslesen der Taktimpulse der Nachteil des M-Verfahrens vermieden, dass die Genauigkeit bei niedrigen Drehzahlen abnimmt. Abbildung 5: Pulswellenform; Abbildung 6: Drehzahlmessverfahren nach M/T-Methode[/ALIGN] 2.4 Entwurf des Spannungsraumvektormoduls Die Spannungsraumvektor-Pulsweitenmodulation (SVPWM), auch bekannt als Flussverfolgungs-PWM, betrachtet Motor und Wechselrichter als eine Einheit. Ziel ist die Erzeugung eines kreisförmigen Magnetfelds mit konstanter Amplitude im Motor. Als Referenz dient der ideale Fluss im Wechselstrommotor bei Betrieb mit dreiphasiger symmetrischer Sinusspannung. Der durch verschiedene Schaltmodi des Wechselrichters erzeugte effektive Flussvektor wird zur Annäherung an den Referenzkreis verwendet. Theoretische Analysen und Experimente zeigen, dass die SVPWM-Modulation ein geringes pulsierendes Drehmoment, niedriges Rauschen und eine hohe Gleichspannungsausnutzung (ca. 15 % höher als bei der herkömmlichen SPWM-Modulation) aufweist. Dieses Regelungsverfahren findet breite Anwendung in Frequenzumrichtern und Wechselrichtern. Das Blockdiagramm der Spannungsraumvektorstruktur ist in Abbildung 7 dargestellt. [ALIGN=CENTER] Abbildung 7: Hardwarestruktur der Spannungsraumvektorsteuerung[/ALIGN] In der Abbildung ist die Synthese von Der symmetrische/asymmetrische Wellenformgenerator, die Ausgangslogikschaltung und die Raumvektor-Zustandsmaschine werden über die entsprechenden Bits des Vergleichssteuerregisters gesteuert. Die genaue Funktionsweise ist in den Referenzen [5] und [6] beschrieben. Zusätzlich zu den oben genannten Hauptmodulen existieren Hilfsmodule wie ein Kommunikationsmodul, eine Registerdatei sowie Überwachungs- und Schutzfunktionen. Das Kommunikationsmodul dient hauptsächlich dem Datenaustausch mit dem DSP oder dem Host (siehe Abbildung 1). Alle diese Module bilden einen vollständigen Drehzahlregler und sind in einem FPGA implementiert. III. FPGA-Implementierung und experimentelle Ergebnisse des Hardware-Designs Alle Module der Schaltung für den Hochleistungs-Drehzahlregler für Asynchronmotoren auf Basis der Vektorsteuerung sind in der Hardwaresprache VHDL beschrieben. Nach der Funktions- und Timing-Simulation des Quellcodes wurde dieser mit der Software SynPlify synthetisiert, um eine EDF-Netzliste zu generieren, und schließlich in einem Xilinx-FPGA (Spartan II E-XC2S300E) implementiert. Layout und Routing des Bausteins wurden in der Xilinx-Entwicklungsumgebung ISE5.li erstellt. Die Systemressourcennutzung ist in Tabelle 1 dargestellt. 1. Die äquivalente Gatteranzahl des gesamten Designs beträgt ca. 350.000 und liegt damit nahe an der Sättigungsgrenze. Für zukünftige Funktionserweiterungen ist ein Chip mit höherer Kapazität erforderlich, das bestehende Design kann jedoch ohne größere Änderungen wiederverwendet werden [7]. In diesem Design arbeitet das IC-System zur Drehzahlregelung des Asynchronmotors mit einer Taktfrequenz von 33,33 MHz. Verschiedene Parameter des Regelsystems lassen sich über den Host-Computer durch Zugriff auf die internen Register einstellen. Dieser IC-Chip kann zusammen mit dem DSP TMS320L2812 und weiteren Schaltungen zu einem kompletten System für die Positionsregelung verwendet werden oder eigenständig als Drehzahlregelungssystem. Im Experiment zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Drehzahlreglers wurde ein 1,5-kW-Asynchronmotor mit einer maximalen Drehzahl von 4900 U/min und 4900 Encoder-Linien angesteuert. Schaltfrequenz und Abtastfrequenz betrugen jeweils 12 kHz. Abbildungen 8 und 9 zeigen die Drehzahlregelung des Motorrotors. Die Stromantwortkurve der α-Achse wurde unter verschiedenen Drehzahlvorgaben gemessen. Die Drehzahlvorgabe in Abbildung 8 ist ein Sprung von 0 auf 1168 U/min mit einer dynamischen Ansprechzeit von unter 0,5 ms, einem maximalen Überschwingen von unter 0,8 % und einem stationären Fehler von unter 0,02 %. Die Drehzahlvorgabe in Abbildung 9 ist eine Rampenvorgabe mit einer Beschleunigung von 0,42 U/min/Abtastung. Die Zieldrehzahl beträgt 495 U/min, der dynamische Regelfehler liegt innerhalb von 4 % und der stationäre Fehler bei etwa 0,03 %. Durch eine weitere Erhöhung der Schalt- und Abtastfrequenz lässt sich die Leistungsfähigkeit des Regelsystems noch weiter verbessern [8]. [ALIGN=CENTER] Abbildung 8: Antwortkurve bei Sprungvorgabe. Abbildung 9: Antwortkurve bei Rampenvorgabe.[/ALIGN] Monolithische Integration, Hybridintegration und Systemintegration können als unterschiedliche Stufen und Formen der Leistungselektronikintegration betrachtet werden. Derzeit ist die monolithische Integration auf den Niederleistungsbereich beschränkt; der mittlere Leistungsbereich Im Leistungsbereich wird überwiegend auf hybride Integration oder eine Kombination aus hybrider und Systemintegration gesetzt; im Hochleistungsbereich basiert die Integration weiterhin hauptsächlich auf Systemintegration. Monolithische und hybride Integration stellen aufgrund ihres höheren Integrationsgrades und ihrer besseren Performance die wichtigsten Entwicklungsrichtungen zukünftiger Integrationstechnologien dar [9]. Der in dieser Arbeit vorgestellte FPGA-basierte Drehzahlregler-IC für Asynchronmotoren integriert Clarke- und Parker-Konvertierung. Das System umfasst Algorithmen für Transformation, inverse Park-Transformation, PI-Regler für Drehzahl, PI-Regler für Strom in d- und q-Richtung, Rotorflussverkettung und Drehzahlerkennung, Spannungs-Raumvektor-Pulsweitenmodulation und PWM-Signalgenerierung. Die Abtastfrequenzen für den äußeren Drehzahlregelkreis und den inneren Stromregelkreis erreichen 35 kHz bzw. 20 kHz. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass dieser dedizierte Regler im Betrieb ein exzellentes dynamisches und statisches Verhalten aufweist. Dieser dedizierte IC wurde bereits erfolgreich in leistungsstarken integrierten CNC-Systemen eingesetzt und liefert wertvolle Referenz für die Entwicklung dedizierter Drehzahlregler-Chips für Vektor-gesteuerte Asynchronmotoren mit eigenem geistigen Eigentum. Rechte.