单路/多路伺服电机的高速矢量控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单路/多路伺服电机的高速矢量控制方法及装置，该高速矢量控制方法包括如下步骤：步骤一，设计四个独立的并行运算的专用乘法器和两个并行加法器实现共享的基本快速运算单元；步骤二，利用该基本运算单元分别对该伺服电机的矢量控制算法的各步骤进行归一化处理；步骤三，设计单路伺服电机矢量控制状态时序控制基本运算单元完成单路电机矢量控制；以及步骤四,设计多路伺服电机矢量控制状态时序控制单路矢量控制核心算法完成多路伺服电机分时矢量控制，通过本发明专利技术，既能提高控制性能，又能有效节省硬件成本。

High speed vector control method and device for single / multiple servo motor

The invention discloses a high-speed vector control method and apparatus for single / multiple servo motor, the speed vector control method comprises the following steps: 1, the design of the four parallel computing independent dedicated multipliers and two shared parallel adder fast calculation basic unit; step two, the basic operation unit are the vector control algorithm of the servo motor of each step are normalized; step three, vector design single channel servo motor control state timing control basic operation unit to complete the single motor vector control; and step four, the design of multi-channel servo motor vector control state control sequence of single vector control core algorithm complete multi-channel servo motor at the vector control, the invention can improve the control performance, and can effectively save the cost of hardware.

【技术实现步骤摘要】
单路/多路伺服电机的高速矢量控制方法及装置
本专利技术涉及伺服驱动控制领域，特别是涉及一种基于FPGA实现单路/多路伺服电机的高速矢量控制方法及装置。
技术介绍
工业机器人控制器的核心在于伺服电机的实时运动控制，而伺服电机驱动与运动控制核心是高性能的电流环矢量控制器。在工业机器人和数控机床的运动控制器中，往往需要实现多路电流环的高速实现。目前国内大多数机器人控制器对各路伺服电机采用独立的伺服驱动，有独立的电流环矢量控制。华中科技大学伍庆学位论文《基于FPGA的交流伺服系统电流环设计》提出一种基于流水线结构的多轴同步电机电流环控制时序调度方案，在固有运算资源的基础上缩短多轴电流环控制运算时间，技术组成包括时序规划模块、矢量变换模块、电流调节器模块、空间矢量PWM模块、电流传感器接口模块、编码器反馈信号处理模块等。然而上述技术的缺点在于：①随着控制伺服电机数量的增多，系统控制的实时性就会快速降低，原因在于该技术中的关键流水线结构实现稍显复杂，所有模块都是复用的，并没有最优的充分利用FPGA资源，这样随着控制伺服电机数量的增多，流水线处理周期就会随之快速增长，降低系统的实时性；②另外，上述技术的容错性、稳定性有待提高，主要是因为在其实技术实现上，采用的是简单循环处理机制，为增进处理速度，裁掉了相应的异常处理机制。
技术实现思路
为克服上述现有技术存在的不足，本专利技术之目的在于提供一种单路/多路伺服电机的高速矢量控制方法及装置，通过基于FPGA的硬件电流环控制提高传统基于DSP纯软件电流环的实时性限制，本专利技术通过核心计算单元的FPGA高速并行实现和FPGA资源紧张模块的分时复用机制的系统综合设计提高矢量控制的实时性、缩短多路伺服电机实时控制的整体周期，通过状态机机制设计在保证控制频率最优的同时加入异常处理机制，增进了系统的稳定性和可靠性，从而实现真正的驱控一体，既能提高控制性能，又能有效节省硬件成本。为达上述及其它目的，本专利技术提出一种单路伺服电机的高速矢量控制方法，包括如下步骤：步骤一，设计四个独立并行运算的专用乘法器和两个独立的并行加法器实现共享的基本快速运算单元；步骤二，利用该基本快速运算单元对分别对该伺服电机的矢量控制算法的各步骤进行归一化处理。步骤三，设计单路电机伺服矢量控制状态时序控制基本快速运算单元完成单路电机矢量控制。进一步地，于步骤一中，设计四个独立乘法器和两个加法器实现如下两个共享的基本快速运算单元：y1＝c1×x1+c2×x2y2＝c3×x3+c4×x4，其中，C和X为由多路选择器在不同的状态时选择对应的量。进一步地，于步骤二中，利用状态机在控制节拍时钟的触发下，根据实际FPGA器件完成矢量控制算法的各步骤所需时间提供该矢量控制算法各步骤相应的状态量以控制该基本快速运算单元，进而实现分别对矢量控制算法的各步骤的归一化处理。为达到上述目的，本专利技术还提供一种单路伺服电机的高速矢量控制装置，包括：乘加计算核心单元，用于设计四个独立乘法器和两个加法器以实现共享的基本快速运算单元；第一状态机，在控制节拍时钟的触发下，根据实际FPGA器件完成矢量控制运算模块的每个运算步骤所需的时间给出矢量控制运算模块的各步骤对应的状态量，以控制该乘加计算核心单元的输入选择和输出的存储；参数选择单元，连接于该矢量控制运算模块与该乘加计算核心单元，以在该第一状态机输出的状态量的控制下选择矢量控制运算模块各步骤所需的参数。进一步地，该控制装置还包括中间变量存储单元，用于对该乘加计算核心单元的输出进行存储并输出至矢量控制运算模块。进一步地，该乘加计算核心单元设计四个独立乘法器和两个加法器实现如下两个共享的基本快速运算单元：y1＝c1×x1+c2×x2y2＝c3×x3+c4×x4，其中，C和X为由多路选择器在不同的状态时选择对应的量。为达到上述目的，本专利技术还提供一种多路伺服电机的高速矢量控制装置，包括：单路矢量控制核心单元，以单路伺服电机的高速矢量控制单元为核心，通过时分复用来实现多路电机的矢量控制第二状态机，在系统控制节拍时钟的控制下，给出该多个单路矢量控制核心单元对应的多路伺服电机的分时控制节拍以及相应的目前受控伺服电机的电机号，由电机号来控制多路选择单元；多路选择单元，在该第二状态机的控制下选择与目前受控伺服电机相对应的各参数至单路矢量控制核心单元以分时实现相对应的伺服电机的高速矢量控制。进一步地，该装置还包括历史变量存储单元，用于在第二状态机的控制下存储该单路矢量控制核心单元对多路伺服电机分时控制时输出的历史变量值。进一步地，该多路选择单元在该第二状态机的控制下选择与目前受控伺服电机相对应控制参数、电机转角、电机相电流以及控制调节器所需的历史变量值至该单路矢量控制核心单元以实现对多路伺服电机的分时实时控制。为达到上述目的，本专利技术还提供一种多路伺服电机的高速矢量控制方法，包括如下步骤：步骤一，在系统控制节拍时钟的控制下，利用第二状态机给出多路伺服电机的分时控制节拍以及相应的目前受控伺服电机的电机号，由电机号来控制多路选择单元选择与目前电机相对应的控制参数、电机转角、电机相电流以及控制调节器所需的历史变量值；步骤二，根据多路选择单元选择的各参数值，在多路电机的分时控制节拍的触发下，通过单路矢量控制核心完成对多路电机的分时矢量控制；步骤三，在单路矢量控制核心单元完成对当前路电机的矢量控制后，更新与目前电机号相对应的内部寄存器来存放下一个系统控制节拍所需的历史变量值。与现有技术相比，本专利技术一种单路/多路伺服电机的高速矢量控制方法及装置通过设计四个独立乘法器和两个加法器以实现共享的基本运算单元，利用快速基本运算单元分别对矢量控制算法的各步骤进行归一化处理，既能保证算法的快速实时性,提高计算精度，又能有效减少对资源的需求，同时，本专利技术通过核心计算单元的FPGA高速并行实现和FPGA资源紧张模块的分时复用机制的系统综合设计有效缩短了多路伺服电机实时控制的整体周期及减少了对FPGA紧张资源的占用率。附图说明图1为常用的永磁同步电机空间矢量控制结构图；图2为本专利技术一种单路伺服电机的高速矢量控制方法的步骤流程图；图3为本专利技术具体实施例之单路伺服电机的高速矢量控制装置的系统架构及功能示意图；图4为本专利技术单路伺服电机的高速矢量控制装置的状态机的状态时序图；图5为本专利技术具体实施例之多路伺服电机的高速矢量控制装置的系统架构及功能示意图；图6为本专利技术多路伺服电机的高速矢量控制装置的状态机的状态时序图；图7为本专利技术一种多路伺服电机的高速矢量控制方法的步骤流程图。具体实施方式以下通过特定的具体实例并结合附图说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其它优点与功效。本专利技术亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本专利技术的精神下进行各种修饰与变更。图1显示了常用的永磁同步电机空间矢量控制框图。在图中θe,n分别是电机电转角，电机转速；P,I分别是电流环的比例、积分调节器。电流环首先采集相电流，经过Clarke和Park变换进行磁链解耦，从而实现当采用isdref＝0的转子磁链定向控制后，通过isqref来线性控制电机转矩。整个算法可以分为以下几步：1)Clarke变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单路伺服电机的高速矢量控制方法，包括如下步骤：步骤一，设计四个独立并行运算的专用乘法器和两个独立的并行加法器实现共享的基本快速运算单元；步骤二，利用该基本快速运算单元对分别对该伺服电机的矢量控制算法的各步骤进行归一化处理。步骤三，设计单路电机伺服矢量控制状态时序控制基本快速运算单元完成单路电机矢量控制。

【技术特征摘要】
1.一种单路伺服电机的高速矢量控制方法，包括如下步骤：步骤一，设计四个独立并行运算的专用乘法器和两个独立的并行加法器实现共享的基本快速运算单元；步骤二，利用该基本快速运算单元对分别对该伺服电机的矢量控制算法的各步骤进行归一化处理。步骤三，设计单路电机伺服矢量控制状态时序控制基本快速运算单元完成单路电机矢量控制。2.如权利要求1所述的一种单路伺服电机的高速矢量控制方法，其特征在于，于步骤一中，设计四个独立乘法器和两个加法器实现如下两个共享的基本快速运算单元：y1＝c1×x1+c2×x2y2＝c3×x3+c4×x4，其中，C和X为由多路选择器在不同的状态时选择对应的量。3.如权利要求2所述的一种单路伺服电机的高速矢量控制方法，其特征在于：于步骤二中，利用状态机在控制节拍时钟的触发下，根据实际FPGA器件完成矢量控制算法的各步骤所需时间提供该矢量控制算法各步骤相应的状态量以控制该基本快速运算单元，进而实现分别对矢量控制算法的各步骤的归一化处理。4.一种单路伺服电机的高速矢量控制装置，包括：乘加计算核心单元，用于设计四个独立乘法器和两个加法器以实现共享的基本快速运算单元；第一状态机，在控制节拍时钟的触发下，根据实际FPGA器件完成矢量控制运算模块的每个运算步骤所需的时间给出矢量控制运算模块的各步骤对应的状态量，以控制该乘加计算核心单元的输入选择和输出的存储；参数选择单元，连接于该矢量控制运算模块与该乘加计算核心单元，以在该第一状态机输出的状态量的控制下选择矢量控制运算模块各步骤所需的参数。5.如权利要求4所述的一种单路伺服电机的高速矢量控制装置，其特征在于：该控制装置还包括中间变量存储单元，用于对该乘加计算核心单元的输出进行存储并输出至矢量控制运算模块。6.如权利要求5所述的一种单路伺服电机的高速矢量控制装置，其特征在于，该乘加计算核心单元设计四个独立乘法器和两个加...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敬良，王宝磊，贾庆伟，
申请(专利权)人：宁波韦尔德斯凯勒智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33