一种基于FPGA的伺服电机控制装置的设计的制作方法

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于FPGA的伺服电机控制装置的设计。

背景技术：

电动机可将电能转换成机械能，广泛的应用于生活的各个领域中。电机传动控制中电机的驱动与调速控制占据着重要地位。电机正在驱动不同类型设备产业的发展，包括重工业机械设备如钢铁行业、造纸行业中的轧钢机，还有微电子行业与半导体行业中的精密仪器、数控机床等。经过统计调查，我国各类电机中有80%以上为小型的异步电机，且由于设备陈旧，控制技术落后等原因，导致浪费的电能非常之多。故需要使用先进高效的电机装置与驱动、调速控制方法来提高电动机效率，可节约电能与原材料，更加高效环保，对我国的可持续发展有重大意义。

异步电机与永磁电机基本的区别是性能和成本。目前异步电机的使用相对永磁电机来说更加广泛。因为异步电机的使用环境通常对于未知调整与调速没有精确的要求。典型的如众所周知的通用电机。但是随着生产要求的日渐提高，尤其是半导体以及其它精密产品生产的需求，永磁电机因其更小巧的体积、更高的效率性能及可控性强等优点，已经逐渐成为一种应用趋势。

由于微处理器MCU技术和电力电子相关技术的更新换代，脉冲宽度调制（PWM）逆变器被广泛地应用于电气传动系统领域中。在脉冲宽度调制控制策略中，SVPWM不同于传统技术，它在算法和实现方式上做了特殊的优化，可以很大程度排除逆变器的输出波形中的谐波成分，并且减少电机的能耗损失。因为在数字信号系统中便捷的实现方式，目前它已很好的代替传统的SPWM技术。另一方面，为保证SVPWM控制策略的性能，单片的运行速度已经远远无法满足，随着人们对于高性能的数字处理芯片的需求，FPGA的发展也得到了推进，FPGA有着强大的运算性能，以及芯片内部集成功能的完整性。

FPGA是电机控制电路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。相比于传统单片机，其运算速度和处理性能是后者的数十倍，也就意味着可以在FPGA中实现更加高级复杂的算法来实现控制，很大程度上提高了系统的反应速度以及控制的精确度。FPGA搭载的运动控制系统具有极其广泛的使用范围，将对各类电器乃至工业生产上的设备驱动起到导向性的作用，特别是在冰箱，洗衣机，空调等家用电器和工业变频控制等方面。

一般的电机控制能耗较大，应用传统控制算法使得系统的反应速度较慢，控制精度有限，无法满足实际需求。本发明针对伺服控制器中的软件算法优化及减少转换能耗进行了分析研究，简化了原有算法，节省芯片资源的占用，提高了整个系统的运行效率和控制精度，减小了对外围器件的依赖，降低了成本，在交流电机的驱动控制中有着良好的发展前景。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种基于FPGA的伺服电机控制装置，解决当前电机控制中能耗大，控制技术落后，系统效率低的问题。

为了实现上述发明目的，本发明设计了硬件部分与软件部分：

硬件部分：主要包括搭载FPGA的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，伺服电机，霍尔传感器，A/D转换模块，通讯接口。各模块之间的连接关系为：功率板负责控制命令的接收与执行，驱动电机，分别与控制板（通过光耦隔离模块），霍尔传感器和伺服电机相连；控制板通过产生空间矢量PWM波（SVPWM）、控制电机定子磁场的角度和幅度等，发出PWM控制信号，通过光耦隔离模块处理后发送给功率板，实时接收由光电编码盘测得的电机转子测量数据；功率板接收到PWM控制信号后，通过功率开关器件实现对电机的控制，同时通过霍尔传感器与A/D转换模块反馈检测信号给控制板，实现闭环控制。

所述FPGA控制芯片选用Altera公司生产的Cyclone系列的FPGA作为控制核心，是电机控制专用芯片，可接收与存储测量数据，产生SVPWM控制信号。

所述霍尔传感器选用霍尔传感器CS040GT实现对电流的采集，将电流信号转换为电压信号。

所述光耦隔离模块选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来实现对功率开关器件的控制，进一步来驱动大功率电机。

所述A/D转换模块选用AD7705芯片，将输入的电压信号转换为数字信号。

所述光电编码盘选用欧姆龙公司的E6B2-CWZ3E型号光电编码器，其输出信号传送至FPGA控制板，其中的两路A、B输出用于测速，来进一步控制电机的定子磁场。

所述伺服电机选用SM060R20B30MN型号，额定功率为200W，由功率板上的功率开关器件来驱动，并通过光电编码盘将转子的转速与位置传送至FPGA芯片。

软件部分：本发明软件编程实现都在CCS5.5的平台上完成，以实现电机控制所要实现的功能。本发明中程序主要解决以下几个问题：

1.数据的采集。系统需要知道电机定子磁场的角度和幅度，需要对电机的电压、电流、转速进行测量采集，所有这些数据必须按照一定的控制器计算频率，并需要各自的频率协调一致。

2.模糊PID控制。需要协调控制器内部工作的流程，确保输入量的正确输入，保证控制量能够准确输出是控制器执行程序的关键所在。

与现有技术相比，本发明的创新与益处在于：

一般的电机控制反应速度慢，控制精度有限，本发明简化了原有的传统算法，节省了芯片占用资源，使用新型的高性能低功耗硬件，将软件算法与FPGA芯片结合，程序兼容性好，硬件系统减小了对外围器件的依赖，提高了系统的运行效率与控制精度。

附图说明

图1是本发明所述一种基于FPGA的伺服电机控制装置的硬件总体结构框图。

图2是本发明所述一种基于FPGA的伺服电机控制装置的软件部分程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1所示为本发明所述一种基于FPGA的伺服电机控制装置的硬件总体结构框图，主要包括搭载FPGA的控制板，光耦隔离模块，功率板，光电编码盘，伺服电机，霍尔传感器，A/D转换模块，通讯接口。控制板可产生空间矢量PWM波（SVPWM）、控制电机定子磁场的角度和幅度等，输出SVPWM信号并经光耦隔离模块处理后转换为可驱动功率开关器件的信号传送至功率板，进一步来驱动电机旋转。同时通过霍尔传感器将功率板上输出的电信号送至A/D转换模块，实现数模转换后将信号反馈给控制板，通过光电编码盘将电机的转子数据反馈至控制板，形成闭环控制。

所述FPGA控制芯片选用Altera公司生产的Cyclone系列的FPGA作为控制核心，是电机控制专用芯片，可接收与存储测量数据，产生SVPWM控制信号。

所述霍尔传感器采用霍尔传感器CS040GT实现对电流的采集，将电流信号转换为电压信号。

所述A/D转换模块选用AD7705芯片，将输入的电压信号转换为数字信号。

所述光耦隔离模块选用6N137系列隔离芯片，处理控制板上输出的电信号来实现对功率开关器件的控制，进一步来驱动大功率电机。

所述光电编码盘采用欧姆龙公司的E6B2-CWZ3E型号光电编码器，其输出信号传送至FPGA控制板，其中的两路A、B输出用于测速，来进一步控制电机的定子磁场。

所述伺服电机选用SM060R20B30MN型号，额定功率为200W，由功率板上的功率开关器件来驱动，并通过光电编码盘将转子的转速与位置传送至FPGA控制板。

图2所示为本发明所述一种基于FPGA的伺服电机控制装置的软件部分程序流程图。主要采用模块化编程思想，首先初始化各模块，重置各模块的状态，通过转速计算模块和A/D转换模块反馈的电机转速与电流值，与实际值作比较，比较后控制量会在PWM模块中产生PWM波，经过换相模块处理后生成驱动电机旋转的控制信号。这种工作方式的计算速度优于传统方式，可以提供系统效率与稳定性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。