一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及交流伺服矢量控制技术领域，公开了一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置。本发明专利技术通过基于FPGA硬件逻辑并行处理方式的电流环控制实现了将电流给定量与电流采样模块发送的信号输入电流控制器模块进行PID计算及解耦补偿处理，输出旋转坐标系下电压矢量参考值；根据编码器反馈模块输出的转子角度值和输出旋转坐标系下电压矢量参考值，输出静止坐标系下电压矢量参考值；空间矢量脉宽调制模块将所述静止坐标系下的电压矢量参考值转换为三路有效的占空比；经由带有死区插入的互补输出脉宽调制模块将三路有效的占空比转化为经过死区补偿的六路脉宽调制方波信号。采用本发明专利技术缩短了电流环控制时间，提高了电流环带宽。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及交流伺服矢量控制
，特别涉及一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置。
技术介绍
随着电力电子技术，微电子技术，新型电机控制理论的快速发展，交流伺服驱动技术已经成为现代化机电装备的关键技术之一。伺服控制通常为三环控制系统，从内到外依次是电流环，速度环，位置环。其中，电流环为系统内环，速度环和位置环为系统外环，作为多环控制系统，外环的表现依赖于内环的性能。电流环是伺服控制系统中提高控制精度和响应速度的关键。为了提高伺服系统的动态和静态性能，高频响和高精度的电流环控制是必要的。在现有的伺服控制技术中，电流环一般是通过MCU或者DSP纯软件的方式实现，其中控制算法的执行过程采用基于系统时钟的串行执行模式。然而，在现有伺服控制系统的电流环控制实现过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的伺服控制系统的电流环受限于代码串行执行的运行模式，使得电流环算法执行时间较长，导致从电流采样到脉宽调制占空比更新之间的延时较长，从而使得整个伺服控制系统的控制精度不高且动态响应较慢，严重时还可能导致系统不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置，使得电流环控制算法计算时间缩短，提高电流环的带宽。为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式提供了一种基于FPGA的电流环控制系统，包括：电流采样模块，编码器反馈模块，坐标变换模块，电流控制器模块，空间矢量脉宽调制模块和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；所述电流采样模块，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块；所述编码器反馈模块，用于实时监测编码器的运行状态并解析编码器数据帧，将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块；所述坐标变换模块，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块或所述空间矢量脉宽调制模块；所述电流控制器模块，用于将电流给定量与所述坐标变换模块发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块；所述空间矢量脉宽调制模块，用于将所述静止坐标的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，首先将所述三路有效的占空比信号进行死区补偿，然后转化为六路脉宽调制方波信号。本专利技术的实施方式还提供了一种伺服装置，包括如上所述基于FPGA的电流环控制系统。本专利技术实施方式相对于现有技术而言，本专利技术采用基于FPGA硬件逻辑的并行处理方式实现了电流环控制所需的各个算法模块，缩短了电流环算法
的执行时间，有效的提高了电流环的刷新频率，拓展了伺服系统的带宽。此外，还通过采用带有对称死区插入的互补输出脉宽调制模块将三路有效的占空比信号转化为经过死区补偿的六路脉宽调制方波信号，从而提高了整个伺服控制系统的稳速精度和动态响应。另外，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块采用对称插入方式进行死区补偿。本专利技术实施方式相对于现有技术而言，本专利技术实施方式相对于现有技术而言，本专利技术采用中心对称方式插入死区时间，将需要插入的死区时间等分插入在每一相开通和关断的两个时刻这样可以使电流环输出的电流波形具有更好的正弦性，最终提高电机运行性能。另外，所述电流控制器模块内部的所有乘法运算使用2个寄存器和1个乘法器；根据FPGA的不同时钟，每个乘法运算将数据按次序读入到所述2个寄存器中，通过复用同一个乘法器，计算出各个乘法结果。本专利技术实施方式相对于现有技术而言，本专利技术技术方案在消耗合理时钟的情况下，利用一个乘法器进行乘法运算，减小FPGA逻辑资源的消耗。另外，该系统还包括：过流保护模块；所述过流保护模块，用于检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出。所述过流保护模块通过在FPGA内部构建Sinc fast滤波器实现。本专利技术实施方式相对于现有技术而言，本专利技术技术方案通过硬件逻辑实现的Sigma-Delta解调器和比较器检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出，从而保护电机和驱动器，以防电流过大对其造成损坏。由于本专利技术技术方案的过流
保护模块采用FPGA内部构建的Sinc fast滤波器实现，可根据外部ADC芯片的特性灵活配置所述Sinc fast的抽取率和采样时间，达到采样时间和采样精度的平衡。且电流比较器的阈值可通过参数配置，使得过流保护的电流阈值可以根据功率等级按需配置，具有更高的灵活性。此外，该模块在时钟驱动下全程有效，独立运行，不受任何逻辑信号影响，可靠性高。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统的信号流示意图；图3(a)是本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统中坐标变换模块中Clarke变换和Park变换结构示意图；图3(b)是本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统中坐标变换模块中反Park变换结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统中空间矢量脉宽调制模块结构示意图；图5是本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统时序控制实现流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本专利技术各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，
也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。本专利技术的第一实施方式涉及一种基于FPGA的电流环控制系统。具体结构如图1所示。该系统包括：电流采样模块101，编码器反馈模块102，坐标变换模块103，电流控制器模块104，空间矢量脉宽调制模块105和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106；所述电流采样模块101，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块104；所述编码器反馈模块102，用于实时解析编码器数据帧，监测编码器的运行状态并将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块103；所述坐标变换模块103，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块104或所述空间矢量脉宽调制模块105；所述电流控制器模块104，用于将电流给定量与所述电流采样模块101发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块103；所述空间矢量脉宽调制模块105，用于将所述静止坐标系下的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106；所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106，首先将所述三路有效的占空比信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，包括：电流采样模块，编码器反馈模块，坐标变换模块，电流控制器模块，空间矢量脉宽调制模块和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；所述电流采样模块，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块；所述编码器反馈模块，用于实时监测编码器的运行状态并将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块；所述坐标变换模块，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块或所述空间矢量脉宽调制模块；所述电流控制器模块，用于将电流给定量与所述电流采样模块发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块；所述空间矢量脉宽调制模块，用于将所述静止坐标系下的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，首先将所述三路有效的占空比信号进行死区补偿，然后转化为六路脉宽调制方波信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，包括：电流采样模块，编码器反馈模块，坐标变换模块，电流控制器模块，空间矢量脉宽调制模块和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；所述电流采样模块，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块；所述编码器反馈模块，用于实时监测编码器的运行状态并将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块；所述坐标变换模块，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块或所述空间矢量脉宽调制模块；所述电流控制器模块，用于将电流给定量与所述电流采样模块发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块；所述空间矢量脉宽调制模块，用于将所述静止坐标系下的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，首先将所述三路有效的占空比信号进行死区补偿，然后转化为六路脉宽调制方波信号。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，通过d、q轴电流和转子当前位置判断电流矢量的方向，并根据所述电流矢量方向进行死区补偿；所述电流矢量方向判断采用如下算法： i q i d = arctan φ ]]>其中，id和iq代表电机定子电流矢量在dq坐标系上的两个电流分量，值代表电流矢量在dq坐标系中的方向；所述电流矢量在dq坐标系中的方向的值与所述编码器反馈模块所获取到的有效的角度值相加，得到电流方向信号。3.根据权利要求2所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块采用中心对称方式插入死区时间。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述电流采样模块，接收电流采样模数转化器的输出信号，并将所述模数转化器的输出信号进行标定处理，获取三相电流值ia，ib，ic，通过将三相电流值ia，ib，ic输入所述坐标变换模块，获取反馈计算量id和iq；所述坐标变换模块包括：Clarke变换和Park变换；其中，所述Clarke变换公式为： i α i β = 2 3 1 - 1 2 - 1 2 0 3 2 - 3 2 i a i b i c ...

【专利技术属性】
技术研发人员：严彩忠，丁信忠，李虎修，柳竹青，周建坤，
申请(专利权)人：上海新时达电气股份有限公司，上海辛格林纳新时达电机有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31