针对小型永磁同步电动机的低损耗，高效率等特点，设计了一种基于可编程片上系统的永磁同步电动机控制器，以FPGA为支持，NiosⅡ为中央处理器和接口。为芯片上的设备进行数据采集。DSP Builder工具用于实现基于模型的空间矢量控制算法模块，以形成完整的片上系统，以精确控制电流，速度和位置。程实践结果表明，基于SoPC技术的永磁同步电动机控制器可实现稳定的控制效果，且精度高，响应速度快。着电子能源技术，微电子技术和稀土永磁材料的飞速发展，永磁同步电动机（PMSM）逐渐成为伺服电机领域的常用电动机。
业控制。于采用无刷结构，因此可以提高电动机运行的可靠性，并且由于不需要励磁电流且没有励磁损耗，因此可以提高效率和功率密度发动机[1]。可以在许多应用中实现高精度和高效率的控制。编程片上系统（SoPC）是近年来流行的微电子应用技术，具有可编程片上系统和灵活的设计方法的特征。传统的基于DSP或微控制器的控制器相比，基于FPGA的电机控制器具有设计周期短，可移植性好，接口灵活，计算速度快和精度高的优点。制[2]。设计使用FPGA作为主控制器，除了数据采集等外围接口逻辑外，Altera芯片随附的灵活的NiosⅡ内核还用于实现处理器的位置和速度控制算法。服控制系统。时，DSP Builder工具用于生成基于模型的电流环控制算法模块，该模块为同步永磁电动机实现了三个闭环控制器。场定向控制（FOC）的基本思想是将定子的三相交流电转换为两个独立且垂直的励磁电流分量iq，并通过矢量变换耦合电流分量id。整后，获得电压控制量，然后通过脉宽序列SVPWM控制逆变器的开关方式，以达到跟踪空间矢量的目的。用六向张力矢量合成旋转张力[3]以获得直接张力电动机具有良好的动态特性。1是PMSM矢量控制的基本原理。变器模块通过SVPWM电压调制直流电，以从控制电动机获得三相交流电。于FOC矢量控制原理，设计了基于SoPC技术的永磁同步电动机控制器。动机控制系统的整体框图如图2所示。该图中，SoPC系统在FPGA上实现，并且NiosⅡ作为系统的主处理器完成了系统参数，控制算法的配置。置和速度。多数传统的PMSM电机控制器都使用DSP FPGA架构。DSP利用其优势来管理大量浮点运算，以实现复杂的控制算法。FPGA利用其优势来执行数据管理和逻辑接口处理。于多轴电机控制系统，DSP难以获得与单轴电机相同的控制效果。用NiosⅡ代替DSP的基于SoPC的控制器可以有效解决上述问题。I3，根据系统功能需求，将控制器分为功能，主要由外围接口控制逻辑，Nios®处理器和FOC电流环路控制模块组成。面介绍了几个模块的功能。了完成永磁同步电动机的闭环控制，必须收集位置，速度和相电流信息。文档使用解析器和相应的解决方案模块来完成位置信息的收集，并使用AD7890来完成速度收集。集时，使用VHDL语言来完成几个采集芯片的接口控制逻辑。设计中使用的FPGA芯片已集成到灵活的Nios内核中，Altera公司的SoPC Builder开发工具可用于根据系统要求轻松定制芯片上的Nios ios处理器和外围设备[5]。
设计增加了构建灵活的内核系统所需的几个模块，并使用普通的PIO作为与外部模块进行数据通信的接口。Nios®IDE是用于Nios®处理器的软件开发环境。这种环境下，可以轻松编写基于C语言的软件程序。设计软件必须满足的功能主要包括：配置电流环的参数，位置控制算法，速度控制算法和同步启动信号以生成电流环。于矢量控制的原理，可以知道电流回路的控制涉及大量操作，包括Park变换，Clarke变换和Park逆变换。
能执行这种复杂的算术运算，如果使用NiosⅡ进行算法处理，也会导致计算时间的延长。长的时间会实时影响性能，并且无法获得更好的电流环路控制效果。此，请使用DSP Builder创建基于模型的FOC算法模块。级文件如图3所示。模型包括参数配置界面，各种转换，PI调整和SVPWM生成模块，以实现全电流环路控制算法。模型作为模块添加到SoPC系统，该模型的参数和启动信号由Nios®处理器通过PIO端口配置。传统DSP实现的FOC算法相比，本设计生成的FOC模型由组合逻辑组成，运算时间更短。者之间的工作时间比较如图4（a）所示。图4（a）可以看出，基于模型的电流环路可以在单个10μs的工作周期内完成，并且DSP是顺序执行的，并且控制周期更长。行电流环路一次大约需要50μs（DSP的主频率为150 MHz）。此，基于模型的方法具有较高的执行效率，并保证了电流环的控制效果。外，当系统同时控制多个电动机时，基于模型的方法的优势将更加明显，图4（b）展示了两者的运行时间比较。图中可以看出，DSP必须按顺序执行每个电流环路，并且要使N轴电机运行需要n个电机周期的运行电流，因此，较长的运行时间不可避免地会产生以下不良影响：控制。基于模型的模式下，多个电流环路可以同时运行。运行多轴电机的电流回路之后，仅需要一个周期，这与单轴电机的控制效果没有什么不同。此，在实施多轴电机控制时，仅应将相应数量的FOC模型添加到SoPC系统中。时，NiosⅡ处理器与电流环的参考值配合使用。
个电流回路并联运行，极大地改善了多轴电机。制精度。统软件工作由NiosⅡ完成，包括配置参数，完成位置和速度控制算法以及启动电流回路的中断信号。系统的运行过程如下：上位机通过串行接口发送控制命令，给出电动机的转速和目标位置。FPGA分析接收到的控制信息，恒温阀芯并将该信息传输到Nios®处理器，同时传输到处理器。信息还包括FPGA收集的位置和速度反馈值，处理器完成位置调整和速度取决于目标值和反馈值，并最终发出电流的参考值。FOC模块使用相电流返回值和参考值来调整电流环路，并发出SVPWM调制信号来驱动功率管，从而控制电动机根据订单。
完整的PMSM伺服系统的环境中检查控制器的功能。先，检查电流回路的控制效果。定电流环路的参考值为0.7A。馈电流曲线如图6（a）所示。流曲线更平滑；图6（b）是收集的电动机相电流Iu，Iv的曲线图。出了速度参考值以检查速度环，它以45（°）/ s的恒定速度运行。集的速度反馈值曲线如图7所示，速度曲线比较平滑。后检查位置环，这时，三个位置环，速度和电流一起工作。位机给出的命令是：±15°/ s在±30°之间往复运动，并且收集位置返回值，命令和实际测量值。对偏差曲线如图8所示。8（a）表明，电动机不仅可以稳定运行，而且位置控制和测量值的两条曲线几乎重合。8（b）是位置控制和测量值之间的误差，稳态跟踪误差小于0.2。°。以看出，基于SoPC的PMSM控制器具有更高的控制精度和良好的稳定性。文设计和实现基于SoPC技术的PMSM控制器，以FPGA为支持，以NiosⅡ为中央处理器，以数据采集接口作为芯片上的外围设备，并使用DSP Builder工具来实现算法模块。于模型的空间矢量控制，形成一个完整的芯片该系统提供电流，速度和位置的精确控制，以及稳定和高精度的控制效果，尤其是在控制系统中。轴电机。果会更加明显。究多轴数字永磁同步电动机的控制具有重要意义。设计已成功应用于新型雷达的伺服系统。过长时间的试飞，该设计可以精确控制雷达天线系统的工作角度，扫描速度和位置，并满足技术实践的要求。
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