基于FPGA的双馈风机的建模方法及其系统

权利要求书： 1.一种基于FPGA的双馈风机的建模方法，应用于双馈风机，其特征在于，所述双馈风机的FPGA模块与中央处理器进行数据通信，所述数据包括转速和ABC电压，所述建模方法包括：

从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述转速，通过对所述转速进行积分以得到θ值；

通过所述θ值计算出正弦值和余弦值；

利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压；

利用所述DQ电压计算出DQ电流；

利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流；

将所述ABC电流回传给所述中央处理器。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的双馈风机的建模方法，其特征在于，所述通过对所述转速进行积分以得到θ值的步骤包括：利用求解方程 计算出θ值，并将θ值的数据格式修改成UFIX24_24格式，其中，w为所述双馈风机的所述转速。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的双馈风机的建模方法，其特征在于，所述通过所述θ值计算出正弦值和余弦值的步骤包括：截取所述θ值的高13位并利用基本处理方法计算出正弦值a；

截取所述θ值的高14位并利用所述基本处理方法计算出正弦值b；

截取所述θ值的低11位并利用所述基本处理方法计算出正弦值c；

并将所述θ值的数据格式修改成UFIX11_11格式，并利用公式 计算出正弦值y，以此类推计算出余弦值；

其中，所述基本处理方法包括：将 平均分成2048份，求出每一份的正弦值，将求出的正弦值保存在RAM中，从地址0依次读到地址2048以得到0到 之间的正弦值，从地址2048依次读到0以得到 到π之间的正弦值，将前两次得到的结果取反以得到π到 和 到2π之间的正弦值，依次类推以求出余弦值。

4.如权利要求3所述的基于FPGA的双馈风机的建模方法，其特征在于，所述利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压的步骤包括：

利用公式 和公式

将所述ABC电压转换成DQ电压。

5.如权利要求4所述的基于FPGA的双馈风机的建模方法，其特征在于，所述利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流的步骤包括：利用公式 和公式

将所述DQ电流转换成ABC电流。

6.一种基于FPGA的双馈风机的建模系统，其特征在于，所述系统包括双馈风机的FPGA模块和中央处理器，其中，所述双馈风机的FPGA模块与所述中央处理器进行数据通信，所述数据包括转速和ABC电压，所述双馈风机的FPGA模块包括：第一计算模块，用于从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述转速，通过对所述转速进行积分以得到θ值；

第二计算模块，用于通过所述θ值计算出正弦值和余弦值；

第三计算模块，用于利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压；

第四计算模块，用于利用所述DQ电压计算出DQ电流；

第五计算模块，用于利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流；

回传模块，用于将所述ABC电流回传给所述中央处理器。

7.如权利要求6所述的基于FPGA的双馈风机的建模系统，其特征在于，所述第一计算模块具体用于；

利用求解方程 计算出θ值，并将θ值的数据格式修改成UFIX24_24格式，其中，w为所述双馈风机的所述转速。

8.如权利要求7所述的基于FPGA的双馈风机的建模系统，其特征在于，所述第二计算模块具体用于：

截取所述θ值的高13位并利用基本处理方法计算出正弦值a；

截取所述θ值的高14位并利用所述基本处理方法计算出正弦值b；

截取所述θ值的低11位并利用所述基本处理方法计算出正弦值c；

并将所述θ值的数据格式修改成UFIX11_11格式，并利用公式 计算出正弦值y，以此类推计算出余弦值；

其中，所述基本处理方法包括：将 平均分成2048份，求出每一份的正弦值，将求出的正弦值保存在RAM中，从地址0依次读到地址2048以得到0到 之间的正弦值，从地址2048依次读到0以得到 到π之间的正弦值，将前两次得到的结果取反以得到π到 和 到2π之间的正弦值，依次类推以求出余弦值。

9.如权利要求8所述的基于FPGA的双馈风机的建模系统，其特征在于，所述第三计算模块具体用于：

利用公式 和公式

将所述ABC电压转换成DQ电压。

10.如权利要求8所述的基于FPGA的双馈风机的建模系统，其特征在于，所述第五计算模块具体用于：

利用公式 和公式

将所述DQ电流转换成ABC电流。

说明书： 一种基于FPGA的双馈风机的建模方法及其系统技术领域[0001] 本发明涉及通信领域，尤其涉及一种基于FPGA的双馈风机的建模方法及其系统。背景技术[0002] 现代社会中，能源是人类生产和生活的基础，能源的开发和利用也是世界各国重点研究的方向。有限的石化能能源经过不断开发已日渐枯竭，为此人类开始探索新能源的

开发和利用。新能源具有可持续开发、相对污染小等特点，因此针对新能源的开发和利用研

究成为能源短缺问题的解决方法。在目前已有的可再生能源中，风能是最具代表性的一种

有效的可再生能源之一，风能具有可再生、清洁、无污染的优点，而且风能转换装置通常只

需要较小的前期投资与较低的占地面积，因而在满足人类能源消耗问题上具有广泛前景。

[0003] 风能的利用主要有两种，一是将风能作为主要动能输入，二是将风能转换成电能再进一步利用。目前最常用的方法是通过风力发电机将风能转化为机械能，并进一步通过

电磁感应原理将机械能转换为电能。在风能转换系统中，风机结构的设计、风能的提取、风

机控制以及风能并网运行成为最重要的研究课题。典型的风机结构由转子、机舱、齿轮箱、

发电机以及电力电子变压器构成。其中，发电机的研究在近些年受到越来越广泛的关注。双

馈异步电机能在变速恒频方式下运行，具有风能转换效率高、并网简单和换流器的成本相

对较低等优点，是目前风电市场应用的主要机型之一。

[0004] 但是目前的双馈异步电机在进行电机解算中普遍存在精确度不够、解算速度慢等问题，而且极易受CPU运算步长的影响。

[0005] 因此，在电机解算中，如何摆脱CPU运算步长的影响，并且如何提高精确度和运算速度一直就是业界亟需改进的目标。

发明内容[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于FPGA的双馈风机的建模方法及其系统，基于FPGA的双馈电机模型的解算，能不受CPU运算步长影响，而且通过FPGA的小步长解

算，能实现更快速度、更高精度的解算。

[0007] 本发明提出一种基于FPGA的双馈风机的建模方法，应用于双馈风机，其中，所述双馈风机的FPGA模块与中央处理器进行数据通信，所述数据包括转速和ABC电压，所述建模方

法包括：

[0008] 从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述转速，通过对所述转速进行积分以得到θ值；

[0009] 通过所述θ值计算出正弦值和余弦值；[0010] 利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压；

[0011] 利用所述DQ电压计算出DQ电流；[0012] 利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流；[0013] 将所述ABC电流回传给所述中央处理器。[0014] 优选的，所述通过对所述转速进行积分以得到θ值的步骤包括：利用求解方程计算出θ值，并将θ值的数据格式修改成UFIX24_24格式，其中，w为所述双馈风机的

所述转速。

[0015] 优选的，所述通过所述θ值计算出正弦值和余弦值的步骤包括：[0016] 截取所述θ值的高13位并利用基本处理方法计算出正弦值a；[0017] 截取所述θ值的高14位并利用所述基本处理方法计算出正弦值b；[0018] 截取所述θ值的低11位并利用所述基本处理方法计算出正弦值c；[0019] 并将所述θ值的数据格式修改成UFIX11_11格式，并利用公式 计算出正弦值y，以此类推计算出余弦值；

[0020] 其中，所述基本处理方法包括：将 平均分成2048份，求出每一份的正弦值，将求出的正弦值保存在RAM中，从地址0依次读到地址2048以得到0到 之间的正弦值，从地址

2048依次读到0以得到 到π之间的正弦值，将前两次得到的结果取反以得到π到 和 到

2π之间的正弦值，依次类推以求出余弦值。

[0021] 优选的，所述利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压的步骤包括：

[0022] 利用公式 和公式将所述ABC电压转换成DQ电压。

[0023] 优选的，所述利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流的步骤包括：

[0024] 利用公式 和公式将所述DQ电流转换成ABC电流。

[0025] 另一方面，本发明还提供一种基于FPGA的双馈风机的建模系统，其中，所述系统包括双馈风机的FPGA模块和中央处理器，其中，所述双馈风机的FPGA模块与所述中央处理器

进行数据通信，所述数据包括转速和ABC电压，所述双馈风机的FPGA模块包括：

[0026] 第一计算模块，用于从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述转速，通过对所述转速进行积分以得到θ值；

[0027] 第二计算模块，用于通过所述θ值计算出正弦值和余弦值；[0028] 第三计算模块，用于利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压；

[0029] 第四计算模块，用于利用所述DQ电压计算出DQ电流；[0030] 第五计算模块，用于利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流；[0031] 回传模块，用于将所述ABC电流回传给所述中央处理器。[0032] 优选的，所述第一计算模块具体用于；[0033] 利用求解方程 计算出θ值，并将θ值的数据格式修改成UFIX24_24格式，其中，w为所述双馈风机的所述转速。

[0034] 优选的，所述第二计算模块具体用于：[0035] 截取所述θ值的高13位并利用基本处理方法计算出正弦值a；[0036] 截取所述θ值的高14位并利用所述基本处理方法计算出正弦值b；[0037] 截取所述θ值的低11位并利用所述基本处理方法计算出正弦值c；[0038] 并将所述θ值的数据格式修改成UFIX11_11格式，并利用公式 计算出正弦值y，以此类推计算出余弦值；

[0039] 其中，所述基本处理方法包括：将 平均分成2048份，求出每一份的正弦值，将求出的正弦值保存在RAM中，从地址0依次读到地址2048以得到0到 之间的正弦值，从地址

2048依次读到0以得到 到π之间的正弦值，将前两次得到的结果取反以得到π到 和 到

2π之间的正弦值，依次类推以求出余弦值。

[0040] 优选的，所述第三计算模块具体用于：[0041] 利用公式 和公式将所述ABC电压转换成DQ电压。

[0042] 优选的，所述第五计算模块具体用于：[0043] 利用公式 和公式将所述DQ电流转换成ABC电流。

[0044] 本发明提供的技术方案具有以下优点：基于FPGA的双馈电机模型的解算，能不受CPU运算步长影响，而且通过FPGA的小步长解算，能实现更快速度、更高精度的解算。

附图说明[0045] 图1为本发明一实施方式中基于FPGA的双馈风机的建模方法的流程示意图；[0046] 图2为本发明一实施方式中双馈风机的FPGA模块的解算整体流程示意图；[0047] 图3为本发明一实施方式中求解θ值的详细流程示意图；[0048] 图4为本发明一实施方式中对正、余弦进行求解的详细流程示意图；[0049] 图5为本发明一实施方式中将ABC电压转换成DQ电压的详细流程示意图；[0050] 图6为本发明一实施方式中将DQ电流转换成ABC电流的详细流程示意图；[0051] 图7为本发明一实施方式中电机解算的详细流程示意图；[0052] 图8为本发明一实施方式中基于FPGA的双馈风机的建模系统结构示意图。具体实施方式[0053] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并

不用于限定本发明。

[0054] 以下将对本发明所提供的一种基于现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)的双馈风机的建模方法进行详细说明。

[0055] 请参阅图1，为本发明一实施方式中基于FPGA的双馈风机的建模方法的流程示意图。

[0056] 在本实施方式中，基于FPGA的双馈风机的建模方法，应用于双馈风机，双馈风机的FPGA模块与中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)进行数据通信，数据包括转速、

ABC电压、电流、配置参数等等，例如双馈风机的FPGA模块通过PCIE接口与中央处理器进行

数据通信，双馈风机的FPGA模块主要功能是从中央处理器接收ABC电压，求解出ABC电流，并

将ABC电流回传给中央处理器，其中，双馈风机的FPGA模块的解算整体流程如图2所示，具体

的，第一步，利用电机转速w算出电角度θ；第二步，通过电角度θ值求出sinθ和cosθ；第三步，

利用sinθ、cosθ、转子侧的ABC线电压rab、转子侧的ABC线电压rbc算出转子侧的DQ电压Urd、

Urq，并且利用sinθ、cosθ、定子侧的ABC线电压sab、定子侧的ABC线电压sbc算出定子侧的DQ

电压Usd、Usq；第四步，利用转子侧的DQ电压Urd、Urq以及定子侧的DQ电压Usd、Usq对微分方程进

行求解，得到转子侧的DQ电流ird、irq以及定子侧的DQ电流isd、isq；第五步，利用sinθ、cosθ、

转子侧的DQ电流ird、irq求解出转子侧的ABC线电流ira、irb，并且利用sinθ、cosθ、定子侧的DQ

电流isd、isq求解出定子侧的ABC线电流isa、isb。

[0057] 在步骤S11中，从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述转速，通过对所述转速进行积分以得到θ值。

[0058] 在本实施方式中，步骤S11具体包括：利用求解方程 计算出θ值，w为所述双馈风机的所述转速，单位为rad/min，本发明为了方便后续求解正弦值和余弦值，该处

需要对θ值进行标幺化处理，即将θ值的结果映射到0到1区间上去，即0到1代表弧度0到2π，

具体实现方法是：利用求解方程 计算出θ值，并将θ值的数据格式修改成UFIX24_24

格式，其中，w为所述双馈风机的所述转速，UFIX24_24表示该数一共24位并且24位都代表小

数，其中，求解θ值的详细流程如图3所示，图3为通过转速w求解电角度θ的过程，当复位信号

为1时，电角度θ的输出为初始角度，即电机当前不工作；当复位信号为0时，电角度θ的值为

转速w对时间的积分，表示电机当前正常工作。

[0059] 在步骤S12中，通过所述θ值计算出正弦值和余弦值。[0060] 在本实施方式中，步骤S12具体包括：[0061] 截取所述θ值的高13位并利用基本处理方法计算出正弦值a；[0062] 截取所述θ值的高14位并利用所述基本处理方法计算出正弦值b；[0063] 截取所述θ值的低11位并利用所述基本处理方法计算出正弦值c；[0064] 并将所述θ值的数据格式修改成UFIX11_11格式，并利用公式 计算出正弦值y，以此类推计算出余弦值；

[0065] 其中，所述基本处理方法包括：将 平均分成2048份，求出每一份的正弦值，将求出的正弦值保存在随机存储器(RandomAccessMemory，RAM)中，则RAM的2048个地址中保

存了sin0到 之间的2048个正弦值，因此，从地址0依次读到地址2048以得到0到 之间

的正弦值，从地址2048依次读到0以得到 到π之间的正弦值，将前两次得到的结果取反以

得到π到 和 到2π之间的正弦值，依次类推以求出余弦值。

[0066] 在本实施方式中，本发明采用线性插值的方法对正、余弦进行求解。从θ值的求解方法可以看出，格式为UFIX24_24的θ值代表弧度0到2π，因此本发明截取θ值的高13位，因为

最高2位可以用来区分处于哪个1/4周期，低11位可以作为地址从RAM中读出正弦值，利用基

本处理方法求解出正弦值a，但是不够精确，因为θ值的低11位未做处理，因此在θ值的高13

位的基础上加上1，再次利用基本处理方法求解出正弦值b，则本发明可以得出更精确的正

弦值在a和b之间。将θ值的低11位看成c，并将数据格式设置成UFIX11_11(即数值处于0到1

之间)，则利用公式 可以求出更精确的正弦值y，以此类推可以求出余弦值。在

本实施方式中，采用线性插值的方法对正、余弦进行求解的详细流程如图4所示，图4为利用

电角度θ值求解sinθ和cosθ的过程，截取出θ的高13位，求出对应的正余弦值，同时将该高13

位加1，得到新的13位的数，并求出对应的正余弦值；利用两次求出的正余弦值以及电角度θ

的低11位，通过公式 求解出更精确的sinθ和cosθ。

[0067] 在步骤S13中，利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压。

[0068] 在本实施方式中，步骤S13具体包括：[0069] 利用公式 和公式将所述ABC电压转换成DQ电压。

[0070] 在本实施方式中，将ABC电压转换成DQ电压的详细流程如图5所示，图5为ABC电压和DQ电压的转换过程，通过sinθ和cosθ计算出电压转换所需的系数，将相应的系数分别与

定子侧的线电压sab、sbc相乘得到定子侧的DQ电压Usd和Usq；将相应的系数分别于转子侧的

线电压rbc、rab相乘得到转子侧的DQ电压Urq和Urd。该计算方法中的乘法器可以复用，节

约芯片中的乘法器资源。

[0071] 在步骤S14中，利用所述DQ电压计算出DQ电流。[0072] 在本实施方式中，本发明的坐标系采用两相同步旋转坐标系，方程为其中P为微分算子， 在该坐标

系下，其坐标轴仍用d、q表示，但是dq坐标轴的旋转速度ωdqs等于定子磁场频率的同步角转

速ω1，而转子的转速为ω，因此dq轴相对于转子的角转速ωdqr＝ω1?ω＝ω；

[0073] 其中[0074] 整个求解过程为，先通过方程组(1)求出 在将四个值代入到方程组(2)中求出isd、isq、isd、isq。为了求解方便，将方程组(1)中的定子磁场频率定为d轴，

则

[0075] 在步骤S15中，利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流。[0076] 在本实施方式中，步骤S15具体包括：[0077] 利用公式 和公式将所述DQ电流转换成ABC电流。

[0078] 在本实施方式中，将DQ电流转换成ABC电流的详细流程如图6所示，图6为DQ电流和ABC电流的转换过程，通过sinθ和cosθ计算出电流转换所需的相关系数，将相关的系数分别

与定子侧的DQ电流isd、isq相乘，得到定子侧的ABC电流isa、isb；将相关系数分别与转子侧的

DQ电压ird、irq相乘，得到转子侧的ABC电流ira、irb，该计算方法中的乘法器可以复用，节约芯

片中的乘法器资源。

[0079] 在步骤S16中，将所述ABC电流回传给所述中央处理器。[0080] 在本实施方式中，电机解算的详细流程如图7所示，图7为通过DQ电压解算出DQ电流的过程，Usd、Usq为定子侧DQ电压，Urd、Urq为转子侧DQ电压，isd、isq为定子侧DQ电流，ird、irq

为转子侧DQ电流，φsd、φsq为定子磁链，φrd、φrq为转子磁链，Rs为定子电阻，Rr为转子电

阻，利用当前求出的Usd、Usq、Urd、Urq、Rs、Rr、Ts、机械角度W以及上一次求出的φsd、φsq、φrd、

φrq、isd、isq、ird、irq，求出当前的φsd、φsq、φrd、φrq，将当前求出的φsd、φsq、φrd、φrq代入

到公式 则可以求出当前的isd、isq、ird、irq。

[0081] 请参阅图8，为本发明一实施方式中基于FPGA的双馈风机的建模系统的结构示意图。

[0082] 在本实施方式中，基于FPGA的双馈风机的建模系统1包括双馈风机的FPGA模块2和中央处理器3，其中，所述双馈风机的FPGA模块2与所述中央处理器3进行数据通信，所述数

据包括转速和ABC电压，所述双馈风机的FPGA模块2包括：第一计算模块21、第二计算模块

22、第三计算模块23、第四计算模块24、第五计算模块25以及回传模块26。

[0083] 第一计算模块21，用于从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述转速，通过对所述转速进行积分以得到θ值。

[0084] 在本实施方式中，第一计算模块21具体用于；[0085] 利用求解方程 计算出θ值，并将θ值的数据格式修改成UFIX24_24格式，其中，w为所述双馈风机的所述转速。

[0086] 第二计算模块22，用于通过所述θ值计算出正弦值和余弦值。[0087] 在本实施方式中，第二计算模块22具体用于：[0088] 截取所述θ值的高13位并利用基本处理方法计算出正弦值a；[0089] 截取所述θ值的高14位并利用所述基本处理方法计算出正弦值b；[0090] 截取所述θ值的低11位并利用所述基本处理方法计算出正弦值c；[0091] 并将所述θ值的数据格式修改成UFIX11_11格式，并利用公式 计算出正弦值y，以此类推计算出余弦值；

[0092] 其中，所述基本处理方法包括：将 平均分成2048份，求出每一份的正弦值，将求出的正弦值保存在RAM中，从地址0依次读到地址2048以得到0到 之间的正弦值，从地址2048

依次读到0以得到 到π之间的正弦值，将前两次得到的结果取反以得到π到 和 到2π之

间的正弦值，依次类推以求出余弦值。

[0093] 第三计算模块23，用于利用所述正弦值和所述余弦值将从所述中央处理器接收所述双馈风机的所述ABC电压转换成DQ电压。

[0094] 在本实施方式中，第三计算模块23具体用于：[0095] 利用公式 和公式将所述ABC电压转换成DQ电压。

[0096] 第四计算模块24，用于利用所述DQ电压计算出DQ电流。[0097] 第五计算模块25，用于利用所述正弦值和所述余弦值将所述DQ电流转换成ABC电流。

[0098] 在本实施方式中，第五计算模块25具体用于：[0099] 利用公式 和公式将所述DQ电流转换成ABC电流。

[0100] 回传模块26，用于将所述ABC电流回传给所述中央处理器。[0101] 在本实施方式中，第一计算模块21、第二计算模块22、第三计算模块23、第四计算模块24、第五计算模块25、回传模块26中每一个模块的详细计算流程参阅本发明具体实施

方式中方法实施例中的相关描述，在此不做重复描述。

[0102] 本发明提供的技术方案具有以下优点：基于FPGA的双馈电机模型的解算，能不受CPU运算步长影响，而且通过FPGA的小步长解算，能实现更快速度、更高精度的解算。

[0103] 值得注意的是，上述实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也

只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

[0104] 另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介

质中，的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

[0105] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。