FPGA的高效率

FPGA的高效率，低噪声的脉冲频率空间矢量调制-第一部分朱利奥·科拉迪博士，赛灵思工业，科学和医疗集团（ISM）德国-十月04，2012功率调制是在电机控制至关重要，以确保高效率，快速响应时间，低纹波扭矩，低谐波和低噪音。脉冲宽度调制（PWM）是典型地在连续的方法，如空间矢量调制（SVM）和不连续的方法，如使用平顶调制（FTM）展品谐波和需要复杂的机制，以减轻这种谐波。的不同的调制方法，如脉冲频率调制（PFM）的属性或脉冲密度调制（PDM）可以有利单独用于支架，或组合与PWM，推动和传播噪声在感兴趣的波段，适当地塑造力量信号来降低噪声，谐波波纹，失真，开关损耗和整体调制器的复杂性。PFM是调制指数高于0.4显然有利于，从而实现一个多功能的动力调幅器允许在即时的空间矢量PWM和空间矢量之间的切换PFM，再加上快速的电流回路，实现了更少的开关，更精细的转矩脉动控制满足多种电机控制应用。本文介绍了PWM-PFM调制器多才多艺，随着它的优点和实际效果时，适用于无刷直流（BLDC）马达，永磁同步（PMSM）电机和步进电机作为一组功能的一部分实施了最新一代的7系列的所有可编程的FPGA的电机控制程序库。电源逆变器至多功率控制系统或电力驱动，在数字的心脏调制用于传输指挥的电压或电流。可控幅度和频率被用作一系列高频脉冲到负载或电动机。功率半导体交换机接收低电压脉冲，并将其转化为功率脉冲足够的负荷或发动机。负荷的行为，在一般情况下，作为积分重建的幅度和频率原来的命令信号。实际功率半导体器件，例如MOSFET，IGBT的，的GTO等，经验重要限制了降低有效传输功率到负载的因素。这通常会导致不希望的导通损耗，开关损耗，谐波无用，热失控或噪音。在近年来，这样的功率半导体的整体性能有所提升，其中有打开门，新的设计方法。调制策略极大地影响了电源开关的限制因素。特别是由调制过程用的电或磁特性的相互作用产生的谐波负载产生的力量牛逼小时的牛逼干扰机械和结构的元素创建震动和减小负荷寿命。机械减灾战略，以减少这种影响是有效的但增加额外的成本，并不总是产生所需的结果。由调制产生的谐波也产生电磁干扰（EMI）所必须最小化，以实现电磁兼容性（EMC）的行业所要求的期望的水平规范和电源分配。减灾战略由华氏度把电力滤波器和扼流圈，以阻止或减弱这种谐波，但这些额外的组件也导致额外成本和额外的空间，从而也降低了电源系统的可靠性。经营数字调制之前被塑造在源谐波含量传送到负载，提供了重要的优点，并避免或减少了所需的额外成本降低噪声和EMI的目的地。电源数字调制已被研究的很详细，但这样的研究结果难以找。对于单级逆变器可使用几种脉冲编程方法，其中所需的电压波形可以并入由脉冲序列：PWM通过改变单个脉冲宽度的PDM通过改变脉冲之间的距离PFM改变一个脉冲串的重复频率PWM发现在电力系统中更广泛的应用所必需的伏秒平衡重新在能够容易地产生的载荷预期大小。在频谱方面效率，PWM引入显著谐波内容的形式6K±1（K=1...N）的超出其基频。这样的谐波对直接负责机械相互作用和电磁干扰的问题。PWM和PFM具有较好的频谱效率比PWM提供更好的EMI减缓和内在的谐波蔓延。FPGA高效率-第2页。控制快速控制回路允许PDM和PFM管理达到最佳状态。这样的调制技术已在高功率电动机由电力切换限制和组合受阻缺乏研究。对于中低功率电机数字电流控制的速度慢由处理器或微控制器，100μs的......通常为50μs执行循环，没有足够的为充分利用PDM和PFM的优势。大部分的努力，以减少谐波的在调制信号的内容，在不降低性能一直集中在精心制作的PWM方案没有考虑不同的调制。PWM-PFM调制由具有完善的反馈机制大大受益在负载的重建保真度。反馈需要通过控制迅速行动系统因而高速控制回路将使这一形式的数字-模拟转换非常有利。在现代电力系统（参见图1），控制是仅一部分在C0米PL（ET）E产品;电动机和驱动器要求通信监管，诊断并用的定时要求大量调制器（参见图2）生性串行和并行架构强加实现这样的系统。硬实时软实时突发模式-流式模式工业以太网无线以太网图1.现代电气传动图2.数字驱动控制部分FPGA非常适合实现高速的控制算法。实现为一个控制器再生脉冲频率调制（PFM）是一种磁场定向控制（FOC）的实施，实现1μs的闭合循环......2μs的，具有中等（100兆赫...50MHz）的时钟频率在低低成本的FPGA。这是一个50倍的改进相比典型处理器驱动的实现提供一个模拟控制的性能。RPFM型号一个RPFM是一组由Xilinx和QSYS设计的电源控制系统库的一部分。Σ-Δ调制器（SDM）是PDM-PFM的一种形式。RPFM使用SDM实现调制器通过实现扩频和噪声缩减减少电磁干扰。除根本没有普遍谐波少开关损耗。该RPFM驱动3相逆变器（见图3）通过支持向量机，从而实现了非常良好的线性，在良好的特性过调制区域和自动死区补偿导致细腻从线性模式过渡到六个步骤区域。电源逆变器的功能充分利用，有很多优点，但也有一些限制在较低的调制区。这种限制已经使用混合策略的PWMRPFM寻址在一个非常灵活和非常灵活的调制器。图3.电源逆变器原理PWM-PFM允许在预定的时刻电机的电流测量和控制决策在RPFM脉冲，或每RPFM脉冲，电机的电流非常迅速的补偿用在转矩脉动和适应不同的电机参数明显的好处轨迹和操作条件。RPFM的工作原理是用滑模控制共享许多共同的元素，因此，它也已结合成功通过测试的无传感器磁场定向控制（FOC）实现优异的成绩尤其是当与滑模观测（SMO）相结合。了解RPFM要理解为什么RPM是有用考虑功率调制的过程作为一个数字-模拟转换（DAC）的过程。的N的信号对噪声性能（SNR）的位DAC遵循数字系统作为字长的函数，可以表示为：这里N为比特数和LF是作为输入之间的比例计算出的负载因数信号均方根（RMS）和数字-模拟转换器的峰值电压。三相功率逆变器原理在图3中示出，并为每个腿它可以是视为具有一个1位DAC只有两种可能的状态：±DC_Link被引用中性点N和由S1......S6开关激活。数字控制算法产生应转移到载荷N比特PCM值。逆变器提供仅1比特，从而产生大约6分贝信噪比作为表观在等式1设定N=1。SDM可产生所需的6N分贝信噪比利用过采样和噪声整形对1位输出达到所需的输出分辨率。FPGA高效率-第3页。图4示出一个求和点，积分器，开关函数组成的1位SDM数模转换器，样品和支架（S/H）。S/H的输出命令变频器的开关产生马达即从调制信号M（t）的相减提供适当的缩放电压S（t）的。图4.SDMDAC的原理M（t）的来自控制算法，（FOC或SFOC），误差e（t）的=M（T）-S（t）被供给到积分器和其输出被施加到一个两级开关功能产生经由所述±DC链路样品和持有人在PFM脉冲频率fc，这里的SNR的报告是驱动分贝（dB）为一阶SDM为：在这里，代表调制功率和代表量化功率，WHêRe为电源比率FS/FB=2R，fs是采样频率，和FB是感兴趣的带宽。对于每一个过采样率的一倍，有一个相当于递增R，信噪比提高了9分贝从而解决了1.5位提高。由调制器产生的脉冲串需要一个重构滤波器来重建模拟信号。用于电机的情况下，重构滤波器电动机本身表现为低通滤波器所提供的采样频率足够高（FS）。分析RPFM方便WH简转化SDM系统，在图5和示出电机的微分方程到其对应的离散。非线性量化线性化和由噪声源，Q[n]的模型中，添加到信号M[n]的，产生的量化输出信号S[n]的。反馈S[n]是调制器的数字序列±1乘以直流链路。图5.SDMDAC的离散版本RPFM已在三相永磁电机，并且步进为广泛的测试在这篇文章中的定子电压的函数的电机的定子电流的目的可以被建模为：其中，Rs为初级电阻（相-相电阻除以2），Lm为初级电感（相-相电感除以2），是在定子的电流，Vs为定子电压，Δt为采样周期（即，1/FS）和BEMF是电机反电动势;粗体所有的数量都在矢量形成。定子电压Vs是从序列S[n]的产生的±DC链路切换功能。公式3代表一阶数字滤波器，即使假设在T改变，他的主要阻力和电感，而在电动机工作时，过滤器形式保持相同功能的重建滤波器和组合SDM形成一个完整的一阶Σ-ΔDAC。电流在电机注入的量成正比训练脉冲振幅比。在RPFM调制反馈S[n]被由DC链路表示，即幅度比如果DC链路波动则自动因为没有昂贵的反馈环路的校正归一。DC链路在每个脉冲一体转移，因而，如果它是脉动，如在谐振转换器的情况下，这将有可能换向在零交叉，没有损失。操作带宽是特定的电动机和RPFM的功能已在非常不同的测试电机。高速电机高达每分钟30000转数（RPM），1对极旋转电频率高达500Hz和普通电机（3600和9000RPM之间），也导致在电频率范围高达500Hz由于较高数目的极。式（1）应用驱动电机等立即显示以fs=实现1.95us是带宽FB=500Hz的，具有11位分辨率以fs=122ns分辨率移到14位和FS=61ns分辨率移动到15bits。噪声也推向更高的频率，出FB，因为结果计算图5系统分区的传递函数如下面向对象的模块化方法因为FPGA正成为每一代新大。该模块还可以结合被重新组合以创建新的功能的外控制环或补充现有之一。单片，非模块化系统，都非常依赖具体实施，因此不容易扩展或便携式从一个产品一代到接下来，不允许像RPFM独立模块的使用。为了获得更好的保真度重建滤波器应该表现为一个高阶滤波器。线路滤波器它们通常以降低EMI。然而，这是最重要的一点，该RPFM是在高速的FOC即在fs期间关闭其循环中，校正的残余误差的循环。这是经由调制命令M[n]的在反馈电流减小的功能来实现残余的带内噪声表现为更高阶滤波器。下一页：模块化FOC关于作者朱利奥·科拉迪博士与赛灵思工业的高级系统架构师，科学和医疗（ISM）集团在德国慕尼黑。他在管理25年的经验，软件工程和ASIC的发展，FPGA在工业，自动化和医疗系统，特别是在控制和通信的主要领域公司。DSP算法，应用色谱法，电机控制，实时通信和功能安全是他的主要焦点。1997年，年-2005年他管理的几个欧洲资助的研究项目，列车通信网络和无线远程诊断系统。从2000-2005年，他率领的IEC61375一致性测试标准。2006年，科拉迪博士加入赛灵思慕尼黑办事处的促成对工业网络和电机控制参考平台，提供客户在功能安全应用的指导。科拉迪博士在大学的电子工程博士学位帕多瓦（意大利），他也有一个长期的合作作为共同的顾问，DSP的控制系统和微电子系统。他是用的卡尔斯鲁厄理工学院活跃技术（德国），用于安全系统中，大学的Cergy-Pontoise酒店（法国）和马里博尔大学（斯洛文尼亚）的电力系统。