专利名称：一种高精度永磁同步电机伺服控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及交流电机伺服控制技术领域，具体涉及一种高精度永磁同步电机伺服控制器。
背景技术：
近年来，永磁同步电机以其体积小、结构简单、效率高、功率密度高、转矩电流比高、易于散热及维护等特点，而受到人们广泛地重视和研究。目前对永磁同步电机的高精度控制一般采用磁场空间矢量脉宽调制策略(SVPWM),针对该调制策略需要设计永磁同步电机控制器。
现有的永磁同步电机控制器采用单片数字信号处理器DSP并配合一些固化的外围电路模块来完成电机控制，其存在的不足之处是一是数字信号处理器DSP采用定点型DSP芯片，无法高精度的实时完成复杂的控制算法；二是外围模块固化，无法对控制器整体结构进行升级和改造，因此，现有的永磁同步电机控制器不能完全满足高精度电机控制的需要，尤其是对电机控制低速性能要求比较高的场合。
发明内容
为了解决现有的永磁同步电机控制器不能完全满足高精度电机控制需要的问题，本发明提供一种高精度永磁同步电机伺服控制器。本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下一种高精度永磁同步电机伺服控制器，包括浮点型DSP芯片；与所述浮点型DSP芯片相连的FPGA芯片；与所述FPGA芯片相连的编码器信号接口单元，用于将A、B、Z三路脉冲信号输入至FPGA芯片并进行脉冲计数，得到增量式编码器计数值并计算出电角度和实际转速值；与所述FPGA芯片相连的电流检测单元，用于将电流采样值输入至FPGA芯片；与所述FPGA芯片相连的数字I/O接口单元，用于接收外部功率级的故障信号并将故障信号输入至FPGA芯片；所述浮点型DSP芯片产生PWM控制信号周期中断时执行中断服务程序，浮点型DSP芯片将通过自身的外部存储器访问接口从FPGA芯片读取电流采样值，根据计算出的电角度和实际转速值，执行速度环控制器算法和电流环的空间矢量算法，产生新的PWM控制信号并输入至FPGA芯片，FPGA芯片对新的PWM控制信号和故障信号进行故障保护处理后经过数字I/O接口单元输出并驱动外部功率级，进而控制永磁同步电机。该控制器还包括与所述浮点型DSP芯片相连的外围人机接口单元和，与所述外围人机接口单元和FPGA芯片相连的以太网通信单元，所述外围人机接口单元包括与所述浮点型DSP芯片相连的液晶显示屏，通过控制所述液晶显示屏可以实时显示永磁同步电机伺服控制器控制系统的控制信息；
与所述浮点型DSP芯片相连的手动输入按钮，利用所述手动输入按钮可以控制永磁同步电机的启动和刹车；与所述浮点型DSP芯片相连的RS232通信接口和CAN通信接口 ；与所述RS232通信接口和CAN通信接口相连的上位机；所述浮点型DSP芯片通过RS232通信接口和CAN通信接口与上位机进行全双工通f目;所述以太网通信单元包括与所述FPGA芯片相连的网络控制器DM9000，所述FPGA芯片通过所述网络控制器DM9000配置以太网通信参数；
与所述上位机相连的以太网接口，所述FPGA芯片通过所述以太网接口与所述上位机进行全双工高速数据传输。所述RS232通信接口采用SP3223芯片；所述CAN通信接口采用SN65HVD230芯片，所述DSP芯片采用TMS320F28335芯片；所述FPGA芯片采用ALTERA公司的EP3C40F324 芯片。所述编码器信号接口单元包括2路数字编码器信号接口，接收来自数字编码器的A、B、Z三路脉冲信号并输入至FPGA芯片；I路模拟编码器信号接口，接收来自模拟编码器的A、B、Z三路脉冲信号并输入至FPGA芯片。所述电流检测单元包括电流传感器信号输入接口，接收来自电流传感器的电压信号；电压调理及滤波放大电路，将由电流传感器信号输入接口输入的电压信号转换为-IOV +IOV范围内的标准电压；16位AD转换芯片，采集来自电压调理及滤波放大电路的标准电压。 所述16位AD转换芯片采用AD7656芯片。所述电流检测单元的最小检测电流为0. 76mA ;所述电压调理及滤波放大电路可以将检测到的永磁同步电机的两相电流放大16倍；所述电压调理及滤波放大电路中的电阻值必须满足R3=R4=10kQ，R5=R6=160 kQ。所述数字I/O接口单元包括16路数字输入接口，用于接收外部功率级的故障信号，并将故障信号输入至FPGA
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心片；16路数字输出接口，用于输出由FPGA芯片处理后的PWM控制信号并驱动外部功率级；磁耦隔离；隔离永磁同步电机伺服控制器与外部功率级，防止电流在两通讯之间的流动，保护FPGA芯片。所述磁耦隔离采用ADI公司的ADuM141x四通道数字隔离器。本发明的有益效果是本发明的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，在结构的设计上采用了 FPGA芯片协助主控芯片DSP芯片的方式，大大减少了主控制器的任务处理时间，保证了控制器的控制系统实时性；电流检测单元能够高精度的检测弱电流信号，以便DSP芯片进行电流环的精确计算，特别适用于永磁同步电机的低速控制；同时，DSP芯片采用一种浮点型芯片，提高了浮点数运算时的计算精度。本发明的控制器具有结构灵活、性能可靠、运算精度高等特点。
图I为本发明的一种高精度永磁同步电机伺服控制器的结构示意图；图2为图I中的各单元模块详细结构示意图；图3为本发明中的电压调理及滤波放大电路的示意图。图中I、浮点型DSP芯片，2、FPGA芯片，3、编码器信号接口单元，4、电流检测单元，31、2路数字编码器信号接口，32、I路模拟编码器信号接口，41、电流传感器信号输入接口， 42、电压调理及滤波放大电路，43、16位AD转换芯片，5、数字I/O接口单元，51、16路数字输入接口，52、16路数字输出接口，53、磁耦隔离，6、外围人机接口单元，61、液晶显示屏，62、手动输入按钮，63、RS232通信接口，64、CAN通信接口，65、上位机，7、以太网通信单元，71、网络控制器DM9000，72、以太网接口。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。如图I所示，本发明的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，主要由主控制器模块和协处理器模块两大部分组成。主控制器模块包括浮点型DSP芯片I和外围人机接口单元6，协处理器模块包括FPGA芯片2、编码器信号接口单元3、电流检测单元4、数字I/O接口单元5和以太网通信单元7 ;外围人机接口单元6与浮点型DSP芯片I相连接，FPGA芯片2与浮点型DSP芯片I相连接，编码器信号接口单元3、电流检测单元4、数字I/O接口单元5和以太网通信单元7分别与FPGA芯片2相连接。浮点型DSP芯片I是本发明的永磁同步电机伺服控制器的核心，与外围人机接口单元6和FPGA芯片2相连接，浮点型DSP芯片I采用一种浮点型DSP芯片TMS320F28335，相比于定点型DSP芯片，浮点型DSP芯片I在进行浮点数运算时具有更高的计算精度，浮点型DSP芯片I通过自身的外部存储器访问接口 XINTF与FPGA芯片2进行通信，从FPGA芯片2读取电流采样值，执行速度环控制器算法和电流环的空间矢量算法，然后产生PWM控制信号并输入到FPGA芯片2。外围人机接口单元6包括液晶显示屏61、手动输入按钮62、RS232通信接口 63、CAN通信接口 64和上位机65，液晶显示屏61、手动输入按钮62、RS232通信接口 63和CAN通信接口 64分别与浮点型DSP芯片I相连接，RS232通信接口 63和CAN通信接口 64分别与上位机65相连接，RS232通信接口 63采用SP3223芯片，CAN通信接口 64采用SN65HVD230芯片，浮点型DSP芯片I通过控制液晶显示屏61可以实时显示永磁同步电机伺服控制器控制系统的控制信息，包括角速度和系统运行状态等；利用手动输入按钮62可以控制永磁同步电机的启动和刹车；浮点型DSP芯片I通过选择RS232通信接口 63或者CAN通信接口 64实现与上位机65的全双工通信。FPGA芯片2采用ALTERA公司的EP3C40F324芯片，与编码器信号接口单元3、电流检测单元4、数字I/O接口单元5和以太网通信单元7相连接，协同浮点型DSP芯片I进行通信并从16位AD转换芯片43读取电流采样值；接收来自编码器信号接口单元3的A、B、Z脉冲信号并进行计数；通过以太网通信单元7向上位机65发送永磁同步电机的编码器位置信息；将来自浮点型DSP芯片I的PWM控制信号和数字I/O接口单元5的外部功率级故障信号进行故障保护处理。编码器信号接口单元3包括2路数字编码器信号接口 31和I路模拟编码器信号接口 32，根据外部编码器的类型选择不同的编码器信号接口。数字编码器采用SP489芯片，将A+、A-、B+、B_、Z+、Z-六路数字差分信号转换为A、B、Z三路脉冲信号通过2路数字编码器信号接口 31输入至FPGA芯片2并进行脉冲计数，2路数字编码器信号接口 31可以实现同时控制两台永磁同步电机；模拟编码器采用iC-NQI芯片，将SIN+、SIN-、COS+、COS-、ZERO+、ZERO-六路模拟差分信号转换为A、B、Z三路脉冲信号通过I路模拟编码器信号接口 32输入至FPGA芯片2并进行脉冲计数。电流检测单元4包括电流传感器信号输入接口 41、电压调理及滤波放大电路42 和16位AD转换芯片43，用以检测永磁同步电机的弱相电流信号；电压调理及滤波放大电路42包括电压滤波电路和电压调理电路(运算电路)，电流传感器信号输入接口 41接收来自电流传感器的电压信号，经过电压调理及滤波放大电路42后转换为16位AD转换芯片43可以采集的-10疒+IOV范围内的标准电压，16位AD转换芯片43采用AD7656芯片，其具体过程为输入范围I. 875疒3. 125V的电压Vin，首先经过电压滤波电路滤除电压信号中的高频噪声，然后再通过电压调理电路(运算电路)得到-10疒+IOV的标准电压Vout，运算电路的电压计算表达式为Vout= (Vin-2. 5) *16，其中，Vout表示标准电压，范围为-10疒+IOV ；Vin表示输入电压，范围为I. 875V 3. 125V。如图2所示，电压调理及滤波放大电路42，放大器A起到电压跟随的作用，放大器B作为运算放大器，借助基准2. 5V电压把I. 875V 3. 125V电压转换为-10疒+10V的标准电压,从而将检测到的永磁同步电机的两相电流放大16倍；电阻值必须满足R3=R4=10kQ，R5=R6=160 kQ，电阻值的精度越高，则差动放大器Ul的共模抑制比越大，电压调理及滤波放大电路42的精度就越高，电流检测单元4实现了高精度电流采样，最小检测电流为0. 76mA。以太网通信单元7包括网络控制器DM900071和以太网接口 72 ;FPGA芯片2通过网络控制器DM900071配置以太网通信参数，以太网接口 72与上位机65相连接，通过以太网接口 72实现与上位机65的全双工高速数据传输。数字1/0接口单元5包括16路数字输入接口 51、16路数字输出接口 52和磁耦隔离53 ;16路数字输入接口 51用于接收外部功率级的故障信号，并将故障信号通过磁耦隔离53输入至FPGA芯片2 ；FPGA芯片2对来自浮点型DSP芯片I的PWM控制信号和来自外部功率级的故障信号进行故障保护处理，将处理后的信号再通过磁耦隔离53输出至16路数字输出接口 52并驱动外部功率级；磁耦隔离53采用ADI公司的ADuM141x四通道数字隔离器，磁耦隔离53将永磁同步电机伺服控制器与外部功率级隔离开来，防止电流在这两部分之间流动，但是允许两点之间有数据或功率传送，因此，使永磁同步电机伺服控制器的控制系统中协处理芯片即FPGA芯片2与各接口系统之间隔离开，起到对协处理芯片良好的保护作用。
本发明的一种高精度永磁同步电机伺服控制器的具体工作过程是对永磁同步电机的控制选择Id=O的控制方法，根据该控制方法在浮点型DSP芯片I中设置周期为IOkHZlOkHZ的PWM控制信号周期中断；当浮点型DSP芯片I产生PWM控制信号周期中断时执行中断服务程序，在中断服务程序中浮点型DSP芯片I通过自身的外部存储器访问接口XINTF读取来自FPGA芯片2的电流传感器检测的永磁同步电机两相绕组电流值Ia和Ib，然后再读取来自FPGA芯片2的增量式编码器计数值，计算电角度0和实际转速值；根据速度引导值与实际转速值的偏差，执行速度控制器PI控制算法并输出电流Iq的参考值，利用上述提供的电流la、Ib和电角度0执行Clark变换和Park变换得到Id和Iq的实际值， 获得的电流Id和Iq与参考值相比较，并借助PI电流控制器对其进行校正；然后借助Park逆变换和空间矢量调制技术，得到新的PWM控制信号；最后浮点型DSP芯片I将新的PWM控制信号输出至FPGA芯片2，FPGA芯片2对PWM控制信号和外部功率级的故障信号进行故障保护处理后经过磁耦隔离53输出至16路数字输出接口 52并驱动外部功率级，从而实现对永磁同步电机的高精度控制。
权利要求
1.一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，包括 浮点型DSP芯片(I); 与所述浮点型DSP芯片(I)相连的FPGA芯片(2); 与所述FPGA芯片(2)相连的编码器信号接口单元(3)，用于将A、B、Z三路脉冲信号输入至FPGA芯片(2)并进行脉冲计数，得到增量式编码器计数值并计算出电角度和实际转速值； 与所述FPGA芯片(2)相连的电流检测单元(4)，用于将电流采样值输入至FPGA芯片(2)； 与所述FPGA芯片(2)相连的数字I/O接口单元(5)，用于接收外部功率级的故障信号并将故障信号输入至FPGA芯片(2); 所述浮点型DSP芯片(I)产生PWM控制信号周期中断时执行中断服务程序，浮点型DSP芯片(I)将通过自身的外部存储器访问接口从FPGA芯片(2)读取电流采样值，根据计算出的电角度和实际转速值，执行速度环控制器算法和电流环的空间矢量算法，产生新的PWM控制信号并输入至FPGA芯片(2)，FPGA芯片(2)对新的PWM控制信号和故障信号进行故障保护处理后经过数字I/O接口单元(5)输出并驱动外部功率级，进而控制永磁同步电机。
2.根据权利要求I所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，该控制器还包括与所述浮点型DSP芯片(I)相连的外围人机接口单元(6 )和，与所述外围人机接口单元(6)和FPGA芯片(2)相连的以太网通信单元(7)，所述外围人机接口单元(6)包括 与所述浮点型DSP芯片(I)相连的液晶显示屏(61 )，通过控制所述液晶显示屏(61)可以实时显示永磁同步电机伺服控制器控制系统的控制信息； 与所述浮点型DSP芯片(I)相连的手动输入按钮(62)，利用所述手动输入按钮(62)可以控制永磁同步电机的启动和刹车； 与所述浮点型DSP芯片(I)相连的RS232通信接口(63)和CAN通信接口(64); 与所述RS232通信接口(63)和CAN通信接口(64)相连的上位机(65)； 所述浮点型DSP芯片(I)通过RS232通信接口( 63 )和CAN通信接口( 64 )与上位机(65 )进行全双工通信； 所述以太网通信单元(7)包括 与所述FPGA芯片相连的网络控制器DM9000 (71)，所述FPGA芯片(2)通过所述网络控制器DM9000 (71)配置以太网通信参数； 与所述上位机(65)相连的以太网接口(72)，所述FPGA芯片(2)通过所述以太网接口(72)与所述上位机(65)进行全双工高速数据传输。
3.根据权利要求2所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述RS232通信接口(63)采用SP3223芯片；所述CAN通信接口(64)采用SN65HVD230芯片。
4.根据权利要求I或2所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述DSP芯片(I)采用TMS320F28335芯片；所述FPGA芯片(2)采用ALTERA公司的EP3C40F324芯片。
5.根据权利要求I所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述编码器信号接口单元(3)包括 2路数字编码器信号接口(31)，接收来自数字编码器的A、B、Z三路脉冲信号并输入至FPGA 芯片(2)； I路模拟编码器信号接口(32)，接收来自模拟编码器的A、B、Z三路脉冲信号并输入至FPGA 芯片(2)。
6.根据权利要求I所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述电流检测单元(4)包括 电流传感器信号输入接口(41 )，接收来自电流传感器的电压信号； 电压调理及滤波放大电路(42)，将由电流传感器信号输入接口(41)输入的电压信号转换为-IOV +IOV范围内的标准电压； 16位AD转换芯片(43)，采集来自电压调理及滤波放大电路(42)的标准电压。
7.根据权利要求6所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述16 位AD转换芯片(43)采用AD7656芯片。
8.根据权利要求6所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述电流检测单元(4)的最小检测电流为O. 76mA ;所述电压调理及滤波放大电路(42)可以将检测到的永磁同步电机的两相电流放大16倍；所述电压调理及滤波放大电路(42)中的电阻值必须满足R3=R4=10kQ , R5=R6=160 kQ。
9.根据权利要求I所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述数字I/o接口单元(5)包括 16路数字输入接口(51)，用于接收外部功率级的故障信号，并将故障信号输入至FPGA芯片(2)； 16路数字输出接口(52)，用于输出由FPGA芯片(2)处理后的PWM控制信号并驱动外部功率级； 磁耦隔离(53);隔离永磁同步电机伺服控制器与外部功率级，防止电流在两通讯之间的流动，保护FPGA芯片(2)。
10.根据权利要求9所述的一种高精度永磁同步电机伺服控制器，其特征在于，所述磁耦隔离(53)采用ADI公司的ADuM141x四通道数字隔离器。
全文摘要
一种高精度永磁同步电机伺服控制器，涉及交流电机伺服控制技术领域，解决了现有永磁同步电机控制器满足不了高精度电机控制的需要。本发明包括浮点型DSP芯片；FPGA芯片；将脉冲信号输入至FPGA芯片的编码器信号接口单元；将电流采样值输入至FPGA芯片的电流检测单元；接收故障信号并将其输入至FPGA芯片的数字I/O接口单元；浮点型DSP芯片产生PWM控制信号周期中断服务程序并通过外部存储器访问接口从FPGA芯片读取电流采样值，执行速度环控制器算法和电流环的空间矢量算法，FPGA芯片对新PWM控制信号和故障信号进行故障保护处理后经过数字I/O接口单元输出并驱动外部功率级。本发明性能可靠、运算精度高。
文档编号H02P6/00GK102969949SQ201210428570
公开日2013年3月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者李洪文, 邓永停, 王建立 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所