本发明专利技术提供一种多轴交流伺服电机控制装置，包括并行总线通信模块、PWM周期计数器模块、编码器反馈信号处理模块、AD接口模块、第一时序控制模块、位置环计算模块、第一滤波器组、第二滤波器组、速度环计算模块、第三滤波器组、数据调理模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、第一、第二电流环计算模块、反电动势补偿模块、交叉解耦补偿模块、母线电压补偿模块、IPARK变换模块、ICLARK变换模块、SVPWM模块、第二时序控制模块、PWM比较器模块和死区插入模块；本发明专利技术使用时能消除位置环、速度环和电流环控制滞后，实时性好、控制精度高；且通过全局PWM周期计数器实现多个电机轴间的完全同步。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电机控制装置，具体涉及一种多轴交流伺服电机控制装置。
技术介绍
目前广泛使用的交流电机伺服驱动控制器大多基于MCU或DSP等微处理器采用软件方法实现，受软件代码串行执行的限制，在一个PWM（脉宽调制）周期内无法同时完成电流采样、控制量计算和PWM控制信号调制，造成控制滞后电流采样值一个或数个PWM周期，大大降低了伺服系统控制的实时性，容易产生对电机控制的滞后和超调，造成系统抖动，降低系统性能；而且受限于微处理器的性能，当需要构建多电机群控系统时，需采用多处理器或多个驱动器的方案，系统成本和体积大大增加，各电机轴之间依靠外部总线进行同步，分布时钟运算复杂，再叠加上控制的滞后，各电机轴间的同步误差进一步放大，不易实现高性能的多轴同步控制。为解决前述问题，目前，基于FPGA可编程逻辑器件实现基于纯硬件逻辑的多轴交流伺服电机的控制装置已见研究，如授权公告号为CN 102811012B、专利技术创造名称为“基于FPGA的多轴伺服电机电流环控制系统及控制方法”的中国专利文献，其即公开了一种基于FPGA的纯硬件逻辑的多轴伺服电机的控制系统，其可有效缩短电流环调节时间、减小电流环控制滞后并改进多轴伺服电机的控制同步性。然而，该专利技术未考虑多轴伺服电机控制中的位置环和速度环因素，因而，进一步研究控制实时性更佳、控制精度更高、控制同步性更好的多轴交流伺服电机控制装置；显得十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对
技术介绍
中的问题，提供一种多轴交流伺服电机控制装置，其在使用时，能够在一个PWM周期内完成电流采样、控制量计算以及PWM控制信号调制输出的完整的对电机位置、速度和电流的环路控制流程；消除位置环、速度环和电流环的控制滞后，保证控制实时性和控制精度；同时通过采用全局PWM周期计数器实现多个功率逆变器的全同步控制，实现多个电机轴间的完全同步。本专利技术的技术方案是：本专利技术的多轴交流伺服电机控制装置，一种多轴交流伺服电机控制装置，包括并行总线通信模块，所述的并行总线通信模块用于实现与外部的上位处理器通信，从上位处理器获取配置信息、控制使能和参数设置；并回传给上位处理器相关状态变量；其结构特点是：还包括PWM周期计数器模块、编码器反馈信号处理模块、AD接口模块、第一时序控制模块、位置环计算模块、第一滤波器组、第二滤波器组、速度环计算模块、第三滤波器组、数据调理模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、第一电流环计算模块、第二电流环计算模块、反电动势补偿模块、交叉解耦补偿模块、母线电压补偿模块、IPARK变换模块、ICLARK变换模块、SVPWM模块、第二时序控制模块、PWM比较器模块和死区插入模块；其中：PWM周期计数器模块，用于产生并向PWM比较器模块发送PWM计数值和比较器更新信号、产生并通过并行总线通信模块向所述上位处理器发送中断脉冲信号以及依据PWM周期设定产生并向第一时序控制模块发送计算启动信号；编码器反馈信号处理模块，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号，处理后输出各轴的位置反馈值Pf、速度反馈值Sf和电角度值θ，并发送给第一时序控制模块；AD接口模块，用于通过外部的AD芯片采样功率逆变器的直流母线输入电压Vdc以及各轴电机的U相驱动电流值Iu和W相电流值Iw；并将采样值发送给第一时序控制模块；第一时序控制模块，用于实现多轴电机控制计算的时序控制，PWM周期计数器模块发送的计算启动信号到来时，第一时序控制模块统一将AD接口模块发送的AD采样值进行锁存，然后根据轴间复用间隔设置将每个通道的电机电流采样值、编码器反馈的位置反馈值Pf、速度反馈值Sf和电角度值θ、功率逆变器的直流母线电压采样值Vdc、上位处理器经并行总线通信模块给定的各轴位置指令值Pc、位置前馈值Po以及各轴所需配置参数向相应模块发送；位置环计算模块，用于实现电机位置闭环控制；位置环计算模块根据第一时序控制模块发送的位置反馈值Pf、上位处理器给定的位置指令值Pc、位置前馈值Po以及位置环比例系数Kpp，采用式（1）计算并输出第一速度指令值Sc1： （1）；第一滤波器组，用于对位置环计算模块发送的第一速度指令值Sc1进行滤波，输出滤波后的速度指令值Sc；第二滤波器组，用于对第一时序控制模块发送的速度反馈值Sf进行滤波，输出滤波后的内部速度反馈值Sfi；速度环计算模块，用于实现速度闭环控制功能；速度环计算模块接收第一滤波器组输出的速度指令值Sc、第二滤波器组输出的内部速度反馈值Sfi、上位处理器给定的速度前馈值So、速度环比例系数Kps和速度环积分系数Kis，采用式（2）计算并输出两相d-q同步旋转坐标系下q相电流指令值Iqc： （2）；第三滤波器组，用于对速度环计算模块发送的两相d-q同步旋转坐标系下q相电流指令值Iqc 进行滤波，输出滤波后的两相d-q同步旋转坐标系下q相第一电流指令值Iq1；数据调理模块，用于将第一时序控制模块发送的功率逆变器的直流母线输入电压Vdc以及各轴电机的U相驱动电流值Iu和W相电流值Iw进行调理运算，输出调理后相应的定点值Vdc1、Ia和Ic；CLARK变换模块，用于实现将数据调理模块发送的三相a-b-c静止坐标系下的电流调理值Ia、Ic变换为α-β静止坐标系下的电流值Iα和Iβ；PARK变换模块，用于实现将CLARK变换模块发送的两相α-β静止坐标系下的电流值Iα和Iβ相应变换为两相d-q同步旋转坐标系下的q相第一电流反馈值Iq和第二电流反馈值Id；第一电流环计算模块，用于将第三滤波器组输出的第一电流指令值Iq1、PARK变换模块输出的第一电流反馈值Iq和上位处理器给定的两相d-q同步旋转坐标系下q相电流前馈值Iqo、电流环q相比例系数值Kpq、电流环q相积分系数值Kiq采用式（5）：进行比例和积分运算，输出两相d-q同步旋转坐标系下q相参考电压矢量Vq： (5)；第二电流环计算模块，用于将PARK变换模块输出的两相d-q同步旋转坐标系下d相电流反馈值Id和上位处理器给定的两相d-q同步旋转坐标系下d相电流指令值Idc、电流前馈值Ido、电流环d相比例系数值Kpd、电流环d相积分系数值Kid采用式（6）进行比例和积分运算，输出两相d-q同步旋转坐标系下d相参考电压矢量Vd： （6）；反电势补偿模块，用于补偿受控电机的反动电势；反电动势补偿模块接收第一电流环计算模块输出的q相参考电压矢量Vq、第二电流环计算模块输出的d相参考电压矢量Vd、第二滤波器组输出的内部速度反馈值Sfi；输出补偿后的d-q同步旋转坐标系下参考电压矢量Ud 和Uq；其中：Ud=Vd； Uq通过式（7）计算得出： (7)，式中，Kemf为反电动势系数，由上位处理器给定；交叉解耦补偿模块，用于实现对反电势补偿模块输出的d-q同步旋转坐标系下参考电压矢量Uq 和Ud信号进行解耦补偿；输出解耦补偿后的d-q同步旋转坐标系下参考电压矢量Uq1和Ud1；其中： （8），式中，Ld为上位处理器给定的解耦系数，Id为PARK变换模块输出的第二电流反馈值， Sfi为第二滤波器组输出的内部速度反馈值； （9），式中，Lq为上位处理器给定的解耦系数，Iq为PARK变换模块输出的第一电流反馈值本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多轴交流伺服电机控制装置，包括并行总线通信模块，所述的并行总线通信模块用于实现与外部的上位处理器通信，从上位处理器获取配置信息、控制使能和参数设置；并回传给上位处理器相关状态变量；其特征在于：还包括PWM周期计数器模块、编码器反馈信号处理模块、AD接口模块、第一时序控制模块、位置环计算模块、第一滤波器组、第二滤波器组、速度环计算模块、第三滤波器组、数据调理模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、第一电流环计算模块、第二电流环计算模块、反电动势补偿模块、交叉解耦补偿模块、母线电压补偿模块、IPARK变换模块、ICLARK变换模块、SVPWM模块、第二时序控制模块、PWM比较器模块和死区插入模块；其中：PWM周期计数器模块，用于产生并向PWM比较器模块发送PWM计数值和比较器更新信号、产生并通过并行总线通信模块向所述上位处理器发送中断脉冲信号以及依据PWM周期设定产生并向第一时序控制模块发送计算启动信号；编码器反馈信号处理模块，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号，处理后输出各轴的位置反馈值Pf、速度反馈值Sf和电角度值θ，并发送给第一时序控制模块；AD接口模块，用于通过外部的AD芯片采样功率逆变器的直流母线输入电压Vdc以及各轴电机的U相驱动电流值Iu和W相电流值Iw；并将采样值发送给第一时序控制模块；第一时序控制模块，用于实现多轴电机控制计算的时序控制，PWM周期计数器模块发送的计算启动信号到来时，第一时序控制模块统一将AD接口模块发送的AD采样值进行锁存，然后根据轴间复用间隔设置将每个通道的电机电流采样值、编码器反馈的位置反馈值Pf、速度反馈值Sf和电角度值θ、功率逆变器的直流母线电压采样值Vdc、上位处理器经并行总线通信模块给定的各轴位置指令值Pc、位置前馈值Po以及各轴所需配置参数向相应模块发送；位置环计算模块，用于实现电机位置闭环控制；位置环计算模块根据第一时序控制模块发送的位置反馈值Pf、上位处理器给定的位置指令值Pc、位置前馈值Po以及位置环比例系数Kpp，采用式（1）计算并输出第一速度指令值Sc1：（1）；第一滤波器组，用于对位置环计算模块发送的第一速度指令值Sc1进行滤波，输出滤波后的速度指令值Sc；第二滤波器组，用于对第一时序控制模块发送的速度反馈值Sf进行滤波，输出滤波后的内部速度反馈值Sfi；速度环计算模块，用于实现速度闭环控制功能；速度环计算模块接收第一滤波器组输出的速度指令值Sc、第二滤波器组输出的内部速度反馈值Sfi、上位处理器给定的速度前馈值So、速度环比例系数Kps和速度环积分系数Kis，采用式（2）计算并输出两相d‑q同步旋转坐标系下q相电流指令值Iqc：（2）；第三滤波器组，用于对速度环计算模块发送的两相d‑q同步旋转坐标系下q相电流指令值Iqc 进行滤波，输出滤波后的两相d‑q同步旋转坐标系下q相第一电流指令值Iq1；数据调理模块，用于将第一时序控制模块发送的功率逆变器的直流母线输入电压Vdc以及各轴电机的U相驱动电流值Iu和W相电流值Iw进行调理运算，输出调理后相应的定点值Vdc1、Ia和Ic；CLARK变换模块，用于实现将数据调理模块发送的三相a‑b‑c静止坐标系下的电流调理值Ia、Ic变换为α‑β静止坐标系下的电流值Iα和Iβ；PARK变换模块，用于实现将CLARK变换模块发送的两相α‑β静止坐标系下的电流值Iα和Iβ相应变换为两相d‑q同步旋转坐标系下的q相第一电流反馈值Iq和第二电流反馈值Id；第一电流环计算模块，用于将第三滤波器组输出的第一电流指令值Iq1、PARK变换模块输出的第一电流反馈值Iq和上位处理器给定的两相d‑q同步旋转坐标系下q相电流前馈值Iqo、电流环q相比例系数值Kpq、电流环q相积分系数值Kiq采用式（5）：进行比例和积分运算，输出两相d‑q同步旋转坐标系下q相参考电压矢量Vq：(5)；第二电流环计算模块，用于将PARK变换模块输出的两相d‑q同步旋转坐标系下d相电流反馈值Id和上位处理器给定的两相d‑q同步旋转坐标系下d相电流指令值Idc、电流前馈值Ido、电流环d相比例系数值Kpd、电流环d相积分系数值Kid采用式（6）进行比例和积分运算，输出两相d‑q同步旋转坐标系下d相参考电压矢量Vd：（6）；反电势补偿模块，用于补偿受控电机的反动电势；反电动势补偿模块接收第一电流环计算模块输出的q相参考电压矢量Vq、第二电流环计算模块输出的d相参考电压矢量Vd、第二滤波器组输出的内部速度反馈值Sfi；输出补偿后的d‑q同步旋转坐标系下参考电压矢量Ud 和Uq；其中：Ud=Vd； Uq通过式（7）计算得出：(7)，式中，Kemf为反电动势系数，由上位处理器给定；交叉解耦补偿模块，用于实现对反电势补偿模块输出的d‑q同步旋转坐标系下参考电压矢量Uq 和Ud信号...
【技术特征摘要】
1.一种多轴交流伺服电机控制装置，包括并行总线通信模块，所述的并行总线通信模块用于实现与外部的上位处理器通信，从上位处理器获取配置信息、控制使能和参数设置；并回传给上位处理器相关状态变量；其特征在于：还包括PWM周期计数器模块、编码器反馈信号处理模块、AD接口模块、第一时序控制模块、位置环计算模块、第一滤波器组、第二滤波器组、速度环计算模块、第三滤波器组、数据调理模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、第一电流环计算模块、第二电流环计算模块、反电动势补偿模块、交叉解耦补偿模块、母线电压补偿模块、IPARK变换模块、ICLARK变换模块、SVPWM模块、第二时序控制模块、PWM比较器模块和死区插入模块；其中：PWM周期计数器模块，用于产生并向PWM比较器模块发送PWM计数值和比较器更新信号、产生并通过并行总线通信模块向所述上位处理器发送中断脉冲信号以及依据PWM周期设定产生并向第一时序控制模块发送计算启动信号；编码器反馈信号处理模块，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号，处理后输出各轴的位置反馈值Pf、速度反馈值Sf和电角度值θ，并发送给第一时序控制模块；AD接口模块，用于通过外部的AD芯片采样功率逆变器的直流母线输入电压Vdc以及各轴电机的U相驱动电流值Iu和W相电流值Iw；并将采样值发送给第一时序控制模块；第一时序控制模块，用于实现多轴电机控制计算的时序控制，PWM周期计数器模块发送的计算启动信号到来时，第一时序控制模块统一将AD接口模块发送的AD采样值进行锁存，然后根据轴间复用间隔设置将每个通道的电机电流采样值、编码器反馈的位置反馈值Pf、速度反馈值Sf和电角度值θ、功率逆变器的直流母线电压采样值Vdc、上位处理器经并行总线通信模块给定的各轴位置指令值Pc、位置前馈值Po以及各轴所需配置参数向相应模块发送；位置环计算模块，用于实现电机位置闭环控制；位置环计算模块根据第一时序控制模块发送的位置反馈值Pf、上位处理器给定的位置指令值Pc、位置前馈值Po以及位置环比例系数Kpp，采用式（1）计算并输出第一速度指令值Sc1： （1）；第一滤波器组，用于对位置环计算模块发送的第一速度指令值Sc1进行滤波，输出滤波后的速度指令值Sc；第二滤波器组，用于对第一时序控制模块发送的速度反馈值Sf进行滤波，输出滤波后的内部速度反馈值Sfi；速度环计算模块，用于实现速度闭环控制功能；速度环计算模块接收第一滤波器组输出的速度指令值Sc、第二滤波器组输出的内部速度反馈值Sfi、上位处理器给定的速度前馈值So、速度环比例系数Kps和速度环积分系数Kis，采用式（2）计算并输出两相d-q同步旋转坐标系下q相电流指令值Iqc： （2）；第三滤波器组，用于对速度环计算模块发送的两相d-q同步旋转坐标系下q相电流指令值Iqc 进行滤波，输出滤波后的两相d-q同步旋转坐标系下q相第一电流指令值Iq1；数据调理模块，用于将第一时序控制模块发送的功率逆变器的直流母线输入电压Vdc以及各轴电机的U相驱动电流值Iu和W相电流值Iw进行调理运算，输出调理后相应的定点值Vdc1、Ia和Ic；CLARK变换模块，用于实现将数据调理模块发送的三相a-b-c静止坐标系下的电流调理值Ia、Ic变换为α-β静止坐标系下的电流值Iα和Iβ；PARK变换模块，用于实现将CLARK变换模块发送的两相α-β静止坐标系下的电流值Iα和Iβ相应变换为两相d-q同步旋转坐标系下的q相第一电流反馈值Iq和第二电流反馈值Id；第一电流环计算模块，用于将第三滤波器组输出的第一电流指令值Iq1、PARK变换模块输出的第一电流反馈值Iq和上位处理器给定的两相d-q同步旋转坐标系下q相电流前馈值Iqo、电流环q相比例系数值Kpq、电流环q相积分系数值Kiq采用式（5）：进行比例和积分运算，输出两相d-q同步旋转坐标系下q相参考电压矢量Vq： (5)；第二电流环计算模块，用于将PARK变换模块输出的两相d-q同步旋转坐标系下d相电流反馈值Id和上位处理器给定的两相d-q同步旋转坐标系下d相电流指令值Idc、电流前馈值Ido、电流环d相比例系数值Kpd、电流环d相积分系数值Kid采用式（6）进行比例和积分运算，输出两相d-q同步旋转坐标系下...
【专利技术属性】
技术研发人员：李梁，姜雪芹，
申请(专利权)人：李梁，姜雪芹，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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