中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

本文设计的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)控制系统旨在保持系统驱动性能的同时，减少逆变电路冗余开关动作，降低开关损耗。聚焦此目标，本文围绕PMSM的矢量控制(Vector Control，VC)原理和数学模型，结合现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的并行计算和硬件加速特性设计PMSM控制算法，实现电机转速、电流的高精度控制，提高系统实时性和响应速度，降低高频开关依赖性；并对传统模型预测电流控制(Model Prediction Current Control，MPCC)算法进行优化设计，通过仿真实验验证优化算法在降低逆变电路开关损耗方面的有效性。本文具体内容如下：
首先，介绍了PMSM的基本结构和工作原理，推导其在不同坐标系下的数学模型，通过矢量控制原理，揭示了转矩和磁场解耦控制机制。为后续多周期MPCC性能优化以及基于FPGA的PMSM矢量控制算法设计，提供理论支撑。
接着，针对传统MPCC面临高开关频率问题，对代价函数进行优化，设计基于改进代价函数的两级串联MPCC策略，达到降低平均开关频率的目的。仿真实验表明，所提出的算法在保证系统驱动性能的前提下，有效降低逆变电路平均开关频率，对于降低开关损耗具有一定可行性。
然后，基于Vivado平台，采用Verilog硬件描述语言，使用自上而下的设计思想将算法细分成多个基础模块，设计MPCC算法模块，搭建磁场定向控制(Field-Oriented Control，FOC)并行处理系统。设计内容包含使用𝐶𝑙𝑎𝑟𝑘变换、𝑃𝑎𝑟𝑘变换以及𝑃𝑎𝑟𝑘反变换实现电机电流的解耦控制、采用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术、AD电流采样、速度计算、MPCC算法等环节。仿真测试结果表明，本文所设计各模块功能正确，能够满足高速数据处理的需求，所设计算法具有一定可行性。
最后，对设计的矢量控制算法进行了实物验证，内容包括SVPWM开关调制、电流AD信号采集、PI算法、位置和速度计算以及双闭环运行系统性能测试等实验。该算法利用FPGA的并行处理能力处理三相电流采样，在动态响应速度、电流环控制精度和速度稳定性方面均有良好的性能表现，所设计算法对于提高系统实时性具有一定积极意义。