基于FPGA的永磁同步电机矢量控制时序与资源协同优化策略

摘要

针对永磁同步电机矢量控制在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）实现中存在的时序收敛困难与资源占用冗余问题，提出了一套对时序与资源协同优化的设计策略.首先，针对底层算力资源，通过移位加法逻辑替代常数乘法释放数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）资源；其次，在算法实现上，提出多环路间分时复用结构的PI调节器设计与基于有限状态机的折叠式坐标旋转数字计算机算法，以大幅降低资源占用；最后，于系统架构层面，构建运算与驱动解耦的并行流水线以优化时序.实验结果显示，相较于仅采用全流水线展开架构的策略，优化后的系统在实现50 kHz控制频率的同时，DSP资源占用减少66.7%，查找表资源占用减少41.9%，动态功耗降低25.5%，系统最差负时序裕量优化幅度达237.2%.综上，提出的策略显著提升了矢量控制系统于FPGA实现时的时序收敛能力，并有效降低了资源占用.

关键词

永磁同步电机 / 矢量控制 / 时序收敛 / FPGA / ZYNQ