專利名稱：一種基于fpaa和fpga的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠依據(jù)不同的驅(qū)動需求對控制芯片內(nèi)部電路進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)真正意義的軟控，屬于驅(qū)動控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，市場對通用型和智能型伺服控制系統(tǒng)的需求，正按幾何級數(shù)增加。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備對控制系統(tǒng)的性能、精度和可靠性要求越來越高，客觀上需要伺服系統(tǒng)具有更高的控制性能。同時(shí)，伺服控制系統(tǒng)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，功能整合化與應(yīng)用專業(yè)化已是大勢所趨。要實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)的通用性和智能性，系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的柔性，目前的控制系統(tǒng)中主要存在以下問題(1)信號檢測電路升級難，目前信號檢測電路主要是應(yīng)用分立元件或中規(guī)模集成電路，當(dāng)系統(tǒng)變后整個(gè)電路需要重新設(shè)計(jì)，這使得開發(fā)周期長、研發(fā)成本較大；(2)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)知識要求比較高，雖然控制系統(tǒng)趨向全數(shù)字化當(dāng)信號的采樣電路還是脫離不了模擬電路，目前模擬電路的設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識要求比較高，研發(fā)流程受到工程師的專業(yè)技能限制；(3)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)性較差，隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來人們對設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制需求比較大，現(xiàn)在系統(tǒng)接口單一且智能性差不能很好適應(yīng)時(shí)代的需求；(4)控制電路的柔性差，這嚴(yán)重的阻礙了系統(tǒng)的智能性和軟控性。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明提供一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用FPAA和FPGA技術(shù)的可重構(gòu)性提高系統(tǒng)的柔性進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能性。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、FPGA算法計(jì)算單元、傳感器單元、FPAA控制單元、隔離電路、IPM模塊和電機(jī)。FPGA算法計(jì)算單元用于計(jì)算控制器各種算法、配置上位機(jī)通信及整個(gè)硬件電路；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調(diào)理電路組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的工作狀態(tài)，為電機(jī)的控制提供相應(yīng)的參數(shù)；FPAA控制單元用于控制電機(jī)；IPM驅(qū)動模塊用于實(shí)現(xiàn)逆變電路和驅(qū)動電路來完成電機(jī)的驅(qū)動。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述FPGA算法計(jì)算單元采用DSP核嵌入方式實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用DSP對各種復(fù)雜算法進(jìn)行運(yùn)算，為控制器提供精確參數(shù)。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述上位機(jī)的通信接口包括串口接口和RJ45以太網(wǎng)口，所述的串口接口自動對RS323和RS485接口進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)串口的智能化通信。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述FPAA控制單元包括PID電路、PI電路、PD電路和P電路，所述FPAA信號調(diào)理電路和PID電路采用FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是通過充分利用FPGA和FPAA技術(shù)的可重構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了交流伺服點(diǎn)擊控制系統(tǒng)的柔性重構(gòu)，串口電路可以自動識別達(dá)到串口設(shè)備的 通用性，RJ45接口的設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)通信需求。


圖1是本發(fā)明基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖2是AnadigmDesigner2中實(shí)現(xiàn)FPAA信號調(diào)理電路 圖3是AnadigmDesigner2中實(shí)現(xiàn)FPAA的P電路 圖4是AnadigmDesigner2中實(shí)現(xiàn)FPAA的PI電路 圖5是AnadigmDesigner2中實(shí)現(xiàn)FPAA的F1D電路 圖6是AnadigmDesigner2中實(shí)現(xiàn)FPAA的PID電路 圖7是RS232和RS485自動切換電路圖。圖中1、FPGA算法計(jì)算單元；2、傳感器單元；3、FPAA控制單元。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1所示，本發(fā)明基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、FPGA算法計(jì)算單元1、傳感器單元2、FPAA控制單元3、隔離電路、IPM模塊和電機(jī)，F(xiàn)PGA算法單元主要負(fù)責(zé)控制器各種算法的計(jì)算、上位機(jī)通信及整個(gè)硬件電路的配置；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調(diào)理電路組成，主要負(fù)責(zé)電機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測為電機(jī)的控制提供相應(yīng)的參數(shù)；所述FPAA控制單元主要負(fù)責(zé)電機(jī)的控制；所述IPM驅(qū)動模塊主要用來實(shí)現(xiàn)逆變電路、驅(qū)動電路來完成電機(jī)的驅(qū)動。各種傳感器實(shí)時(shí)采集電機(jī)的位置、電流、速度等參數(shù)，傳感器信號通過信號調(diào)理模塊對傳感器的信號進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號傳輸?shù)紽PGA算法運(yùn)算單元。FPGA算法單元對調(diào)理模塊調(diào)理好的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以備DSP核進(jìn)行不同策略運(yùn)算用；DSP核根據(jù)上位機(jī)提供的運(yùn)算策略對傳感器傳來的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算為控制器提供控制參數(shù)；FPGA算法運(yùn)算單元將IPM模塊傳來的異常信號進(jìn)行處理并發(fā)送給報(bào)警模塊，報(bào)警模塊將信號傳送給上位機(jī)同時(shí)鳴笛警告；FPGA算法運(yùn)算單元與上位機(jī)通過串口或者RJ45接口進(jìn)行通信，向下傳送上位機(jī)的控制策略和向上傳電機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制和控制系統(tǒng)的柔性控制。FPAA控制單元接收到DSP核運(yùn)算好的各個(gè)控制參數(shù)并根據(jù)上位機(jī)的控制策略配置控制模塊電路，通過控制模塊輸出的控制數(shù)據(jù)輸入給PWM模塊，然后通過高速光耦模塊輸給IPM模塊對電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)結(jié)合傳感器模塊夠多層閉環(huán)控制系統(tǒng)。FPAA控制模塊充分利用FPAA技術(shù)在線可重構(gòu)特點(diǎn)對電路進(jìn)行快速配置滿足不同控制形式的控制，F(xiàn)PAA技術(shù)可以快速的實(shí)現(xiàn)P、P1、PD、PID電路配置。進(jìn)一步，所述串口接口是RS232和RS485公用一個(gè)接口，電路具有自動識別功能，使得接口可以很好的與RS232或RS485上位機(jī)系統(tǒng)連接。各種傳感器實(shí)時(shí)采集電機(jī)的位置、電流、速度等參數(shù)，傳感器信號通過信號調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的信號傳輸?shù)紽PGA算法運(yùn)算模塊。下面以Anadigm公司的AN221E04為例對FPAA技術(shù)設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路進(jìn)行說明，信號調(diào)理的具體電路如圖2所示。傳感器信號首先通過G模塊和低通濾波模塊然后通過2階低通、高通濾波模塊對傳感器信號進(jìn)一步濾波，濾波后的信號通過兩級G增益模塊對信號進(jìn)一步放大以滿足FPGA模塊處理信號的需求，放大后的信號再通過帶通濾波器進(jìn)一步濾波，通過多次放大和濾波后傳感器信號傳給FPGA算法運(yùn)算單元。FPGA算法運(yùn)算單元對調(diào)理模塊調(diào)理好的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以備DSP核進(jìn)行不同策略運(yùn)算用；DSP核根據(jù)上位機(jī)提供的運(yùn)算策略對傳感器傳來的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算并將運(yùn)算后的參數(shù)發(fā)送給FPAA控制器；FPAA控制模塊根據(jù)上位機(jī)的控制策略配置控制電路并運(yùn)算控制參數(shù)，F(xiàn)PAA控制模塊的輸出信號輸入到FPGA芯片設(shè)計(jì)的PWM模塊對PWM波的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行控制，處理后的PWM波經(jīng)過高速光耦隔離傳給IPM模塊。圖3至圖6提供了在軟件AnadigmDesigner2中實(shí)現(xiàn)的P、P1、PD和PID控制電路，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的需求通過編程實(shí)現(xiàn)電路的不同控制。上位機(jī)通過串口或者RJ45接口將電機(jī)的具體控制策略發(fā)送到FPGA，同時(shí)節(jié)點(diǎn)將電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)上傳給上位機(jī)。當(dāng)IPM模塊監(jiān)測到異常信號時(shí)，F(xiàn)PGA運(yùn)算模塊對異常信號進(jìn)行警報(bào)并上傳上位機(jī)提醒操作人員，以確保電機(jī)的正常工作。系統(tǒng)的各個(gè)芯片的配置信息儲存在于FPGA芯片相連接的EPROM芯片中。串口的自動切換電路如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、FPGA算法計(jì)算單元(I)、傳感器單元(2)、FPAA控制單元(3)、隔離電路、IPM模塊和電機(jī)；所述FPGA算法計(jì)算單元用于計(jì)算控制器各種算法、配置上位機(jī)通信及整個(gè)硬件電路；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調(diào)理電路組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的工作狀態(tài)，為電機(jī)的控制提供相應(yīng)的參數(shù)；所述FPAA控制單元用于控制電機(jī)；所述IPM驅(qū)動模塊用于實(shí)現(xiàn)逆變電路和驅(qū)動電路來完成電機(jī)的驅(qū)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述FPGA算法計(jì)算單元(I)采用DSP核嵌入方式實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用DSP對各種復(fù)雜算法進(jìn)行運(yùn)算，為控制器提供精確參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)的通信接口包括串口接口和RJ45以太網(wǎng)口，所述的串口接口自動對RS323和RS485接口進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)串口的智能化通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述FPAA控制單元(3)包括PID電路、PI電路、H)電路和P電路，所述FPAA信號調(diào)理電路和PID電路采用FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPAA和FPGA的智能重構(gòu)柔性電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括FPGA算法計(jì)算單元、傳感器單元、FPAA控制單元和IPM驅(qū)動模塊，F(xiàn)PGA算法計(jì)算單元用于計(jì)算控制器的各種算法、配置上位機(jī)通信及整個(gè)硬件電路；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調(diào)理電路組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測的電機(jī)工作狀態(tài)，為電機(jī)的控制提供相應(yīng)參數(shù)；FPAA控制單元用于電機(jī)的控制；IPM驅(qū)動模塊用于驅(qū)動電機(jī)。本發(fā)明利用FPGA和FPAA可重構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)控制器的柔性。該控制器在同一硬件電路上實(shí)現(xiàn)不同控制策略實(shí)施及不同類型電機(jī)的控制，增強(qiáng)了電路的通用性、柔性、智能性；本發(fā)明采用超大規(guī)模集成電路使系統(tǒng)整體面積大大縮小。
文檔編號G05B19/414GK103048955SQ201210509230
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者朱正偉, 孫廣輝, 馮瑞如 申請人:常州大學(xué), 常熟市森源電氣科技有限公司