本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的伺服電機(jī)控制裝置的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

電動(dòng)機(jī)可將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，廣泛的應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域中。電機(jī)傳動(dòng)控制中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與調(diào)速控制占據(jù)著重要地位。電機(jī)正在驅(qū)動(dòng)不同類型設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括重工業(yè)機(jī)械設(shè)備如鋼鐵行業(yè)、造紙行業(yè)中的軋鋼機(jī)，還有微電子行業(yè)與半導(dǎo)體行業(yè)中的精密儀器、數(shù)控機(jī)床等。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，我國(guó)各類電機(jī)中有80%以上為小型的異步電機(jī)，且由于設(shè)備陳舊，控制技術(shù)落后等原因，導(dǎo)致浪費(fèi)的電能非常之多。故需要使用先進(jìn)高效的電機(jī)裝置與驅(qū)動(dòng)、調(diào)速控制方法來(lái)提高電動(dòng)機(jī)效率，可節(jié)約電能與原材料，更加高效環(huán)保，對(duì)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展有重大意義。

異步電機(jī)與永磁電機(jī)基本的區(qū)別是性能和成本。目前異步電機(jī)的使用相對(duì)永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)更加廣泛。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的使用環(huán)境通常對(duì)于未知調(diào)整與調(diào)速?zèng)]有精確的要求。典型的如眾所周知的通用電機(jī)。但是隨著生產(chǎn)要求的日漸提高，尤其是半導(dǎo)體以及其它精密產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，永磁電機(jī)因其更小巧的體積、更高的效率性能及可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為一種應(yīng)用趨勢(shì)。

由于微處理器MCU技術(shù)和電力電子相關(guān)技術(shù)的更新?lián)Q代，脈沖寬度調(diào)制（PWM）逆變器被廣泛地應(yīng)用于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域中。在脈沖寬度調(diào)制控制策略中，SVPWM不同于傳統(tǒng)技術(shù)，它在算法和實(shí)現(xiàn)方式上做了特殊的優(yōu)化，可以很大程度排除逆變器的輸出波形中的諧波成分，并且減少電機(jī)的能耗損失。因?yàn)樵跀?shù)字信號(hào)系統(tǒng)中便捷的實(shí)現(xiàn)方式，目前它已很好的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SPWM技術(shù)。另一方面，為保證SVPWM控制策略的性能，單片的運(yùn)行速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足，隨著人們對(duì)于高性能的數(shù)字處理芯片的需求，F(xiàn)PGA的發(fā)展也得到了推進(jìn)，F(xiàn)PGA有著強(qiáng)大的運(yùn)算性能，以及芯片內(nèi)部集成功能的完整性。

FPGA是電機(jī)控制電路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。相比于傳統(tǒng)單片機(jī)，其運(yùn)算速度和處理性能是后者的數(shù)十倍，也就意味著可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)復(fù)雜的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，很大程度上提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度以及控制的精確度。FPGA搭載的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有極其廣泛的使用范圍，將對(duì)各類電器乃至工業(yè)生產(chǎn)上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)起到導(dǎo)向性的作用，特別是在冰箱，洗衣機(jī)，空調(diào)等家用電器和工業(yè)變頻控制等方面。

一般的電機(jī)控制能耗較大，應(yīng)用傳統(tǒng)控制算法使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度較慢，控制精度有限，無(wú)法滿足實(shí)際需求。本發(fā)明針對(duì)伺服控制器中的軟件算法優(yōu)化及減少轉(zhuǎn)換能耗進(jìn)行了分析研究，簡(jiǎn)化了原有算法，節(jié)省芯片資源的占用，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和控制精度，減小了對(duì)外圍器件的依賴，降低了成本，在交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中有著良好的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于FPGA的伺服電機(jī)控制裝置，解決當(dāng)前電機(jī)控制中能耗大，控制技術(shù)落后，系統(tǒng)效率低的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了硬件部分與軟件部分：

硬件部分：主要包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤(pán)，伺服電機(jī)，霍爾傳感器，A/D轉(zhuǎn)換模塊，通訊接口。各模塊之間的連接關(guān)系為：功率板負(fù)責(zé)控制命令的接收與執(zhí)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別與控制板（通過(guò)光耦隔離模塊），霍爾傳感器和伺服電機(jī)相連；控制板通過(guò)產(chǎn)生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機(jī)定子磁場(chǎng)的角度和幅度等，發(fā)出PWM控制信號(hào)，通過(guò)光耦隔離模塊處理后發(fā)送給功率板，實(shí)時(shí)接收由光電編碼盤(pán)測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)子測(cè)量數(shù)據(jù)；功率板接收到PWM控制信號(hào)后，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，同時(shí)通過(guò)霍爾傳感器與A/D轉(zhuǎn)換模塊反饋檢測(cè)信號(hào)給控制板，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

所述FPGA控制芯片選用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列的FPGA作為控制核心，是電機(jī)控制專用芯片，可接收與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)。

所述霍爾傳感器選用霍爾傳感器CS040GT實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的采集，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的控制，進(jìn)一步來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)。

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊選用AD7705芯片，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

所述光電編碼盤(pán)選用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號(hào)光電編碼器，其輸出信號(hào)傳送至FPGA控制板，其中的兩路A、B輸出用于測(cè)速，來(lái)進(jìn)一步控制電機(jī)的定子磁場(chǎng)。

所述伺服電機(jī)選用SM060R20B30MN型號(hào)，額定功率為200W，由功率板上的功率開(kāi)關(guān)器件來(lái)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)光電編碼盤(pán)將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與位置傳送至FPGA芯片。

軟件部分：本發(fā)明軟件編程實(shí)現(xiàn)都在CCS5.5的平臺(tái)上完成，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制所要實(shí)現(xiàn)的功能。本發(fā)明中程序主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)需要知道電機(jī)定子磁場(chǎng)的角度和幅度，需要對(duì)電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量采集，所有這些數(shù)據(jù)必須按照一定的控制器計(jì)算頻率，并需要各自的頻率協(xié)調(diào)一致。

2.模糊PID控制。需要協(xié)調(diào)控制器內(nèi)部工作的流程，確保輸入量的正確輸入，保證控制量能夠準(zhǔn)確輸出是控制器執(zhí)行程序的關(guān)鍵所在。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新與益處在于：

一般的電機(jī)控制反應(yīng)速度慢，控制精度有限，本發(fā)明簡(jiǎn)化了原有的傳統(tǒng)算法，節(jié)省了芯片占用資源，使用新型的高性能低功耗硬件，將軟件算法與FPGA芯片結(jié)合，程序兼容性好，硬件系統(tǒng)減小了對(duì)外圍器件的依賴，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率與控制精度。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所述一種基于FPGA的伺服電機(jī)控制裝置的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明所述一種基于FPGA的伺服電機(jī)控制裝置的軟件部分程序流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

圖1所示為本發(fā)明所述一種基于FPGA的伺服電機(jī)控制裝置的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖，主要包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤(pán)，伺服電機(jī)，霍爾傳感器，A/D轉(zhuǎn)換模塊，通訊接口?？刂瓢蹇僧a(chǎn)生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機(jī)定子磁場(chǎng)的角度和幅度等，輸出SVPWM信號(hào)并經(jīng)光耦隔離模塊處理后轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)器件的信號(hào)傳送至功率板，進(jìn)一步來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)通過(guò)霍爾傳感器將功率板上輸出的電信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換后將信號(hào)反饋給控制板，通過(guò)光電編碼盤(pán)將電機(jī)的轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)反饋至控制板，形成閉環(huán)控制。

所述FPGA控制芯片選用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列的FPGA作為控制核心，是電機(jī)控制專用芯片，可接收與存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)。

所述霍爾傳感器采用霍爾傳感器CS040GT實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的采集，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

所述A/D轉(zhuǎn)換模塊選用AD7705芯片，將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的控制，進(jìn)一步來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)。

所述光電編碼盤(pán)采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號(hào)光電編碼器，其輸出信號(hào)傳送至FPGA控制板，其中的兩路A、B輸出用于測(cè)速，來(lái)進(jìn)一步控制電機(jī)的定子磁場(chǎng)。

所述伺服電機(jī)選用SM060R20B30MN型號(hào)，額定功率為200W，由功率板上的功率開(kāi)關(guān)器件來(lái)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)光電編碼盤(pán)將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與位置傳送至FPGA控制板。

圖2所示為本發(fā)明所述一種基于FPGA的伺服電機(jī)控制裝置的軟件部分程序流程圖。主要采用模塊化編程思想，首先初始化各模塊，重置各模塊的狀態(tài)，通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流值，與實(shí)際值作比較，比較后控制量會(huì)在PWM模塊中產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)換相模塊處理后生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制信號(hào)。這種工作方式的計(jì)算速度優(yōu)于傳統(tǒng)方式，可以提供系統(tǒng)效率與穩(wěn)定性。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。