一种基于SOPC技术的机电伺服控制平台的制作方法

本发明涉及一种机电伺服控制平台，具体说涉及一种伺服系统用的基于sopc技术的智能机电伺服控制平台。

背景技术：

随着伺服系统向小型化，低成本，智能化，高集成度的方向发展，机电伺服以其“结构简单、性能可靠、投产便捷、性价比高”等优良的性能，已经在航天、军工，以及军转民技术项目中得到广泛的应用。原有系统采用的主要技术dsp处理器+fpga架构的控制系统实现平台的弊端日益显现。一方面dsp与fpga这两个芯片间是通过pcb板级互连，其数据传输率必然受到总线带宽及接口的限制很难得到提高；其次当硬件平台设计制作完成后，如果出现需求变化或者新增需求时，需要更改系统结构。硬件平台必须重新设计生产，极大的限制了其应用范围。

sopc是以fpga为载体进行设计的片上系统，其结合了soc和fpga的优点，系统可定制，拥有强大的并行计算能力，高速通信总线，丰富的ip核资源，基于标准接口的ip复用，形成了一个基于单芯片的综合电子系统，将sopc技术用于机电伺服控制平台可以提升设计的系列化、模块化、通用化水平，提高效率，降低成本，具有良好的发展前景。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于sopc技术的智能机电伺服控制平台，其主要技术特点在于：在单片fpga上，将控制软核、控制逻辑、pwm模块，通信模块等以ip核的形式组成一个片上控制单元，外围添加a/d采集单元，旋变解码单元，功率驱动单元，最终完成对机电伺服机构的闭环控制。其具有高性能，可裁剪，可配置，软硬件可复用的特点，可以灵活适配于不同总线系统的需求，实现高度机电一体化集成，同时可以通过动态重构智能匹配通道数实现一对多的机电控制。

工作原理：通过斜v型结构实现承载过程中刚度的自适应变化，通过调节斜v形结构倾角、厚度及分布间距实现变刚度特性的优化设计。

一种基于sopc技术的机电伺服控制平台，包括总线接口、片上控制单元、解码器r/d变换单元、功率驱动单元、a/d采集单元、伺服机构；所述片上控制单元通过总线接口接收控制系统的控制指令，之后采集所述解码器r/d变换单元反馈的电机转速与电机定子位置信息，采集a/d采集单元反馈的uv相电流和作动器位移信号；所述片上控制单元根据接收的控制指令和采集的位置信息与位移信号运行位置环、速度环、电流环控制算法，根据计算结果输出控制信号pwm；控制信号pwm经平台中的功率驱动单元驱动伺服机构运动。

进一步的，所述平台还包括供电单元、配置单元、电流信号调理、限流单元，所述供电单元负责整个控制系统的供电；所述配置单元由外部存储器构成，用来存储片上控制单元的配置数据、用户数据，配置单元通过专用总线与片上控制单元通信；限流单元接收经过电流信号调理电路的uv相电流，当检测到所述uv相电流超过设定的电流阀值时，输出信号给片上控制单元，片上控制单元根据控制算法关闭输出控制信号，达到保护伺服控制平台的功能。

进一步的，所述片上控制单元由基于sopc技术的片上可编程系统组成，包括嵌入式软核、定制ip、hdl单元；其中所述嵌入式软核主要实现控制计算功能，定制ip实现嵌入式软核与外部各功能单元进行交互的功能，以及实现用户的特定定制功能，hdl单元包括组合逻辑与时序逻辑，实现整个伺服控制平台所需的控制逻辑。

进一步的，所述嵌入式软核由嵌入式core、双口ram、片上bram、debug单元组成，嵌入式core是一个高度集成的处理系统，适用于fpga，数据与代码存储在双口ram或片上bram上，debug单元用于处理系统的功能调试。

进一步的，所述定制ip包括基于标准总线外设ip和基于标准总线功能ip，基于标准总线外设ip是实现用户所需功能的标准片上外设，不需用户自行开发，包括定时器、数据接口、中断控制、通信接口、gpio；基于标准总线功能ip是能实现用户特定功能的定制ip，包括并行计算模块、pwm模块。

进一步的，所述hdl单元包括电流保护逻辑、pwm死区插入逻辑、控制时序逻辑；基于标准总线的定制ip通过标准总线与嵌入式软核交互，hdl单元通过io信号与定制ip或嵌入式软核进行交互；所述的定制ip与hdl单元中的各功能模块可根据实际需要添加删减。

进一步的，并行计算模块根据应用定制成闭环控制算法，包括坐标变换，svpwm算法，滤波算法；pwm模块能够根据应用生成任意路pwm，然后通过pwm死区插入逻辑生成带死区的对称互补pwm。

进一步的，所述伺服机构包括电机、旋转变压器、作动器以及电位计，其中所述旋转变压器解码r/d变换单元反馈的电机转速与电机定子位置信息。

本发明的有益效果：(1)本发明提供的系统可裁剪、可定制，通用性强，智能化设计，适用系列化产品化设计；(2)本发明设计软核处理器和硬件逻辑一体化设计，节省空间与成本，提高比功率；(3)硬件逻辑实现闭环算法，实现并行运算，提高实时性与响应速度；(4)本发明可智能扩展多路pwm，实现超多通道机电伺服控制；(5)本发明实现了力矩实时有效输出，降低发热与噪声，提高系统效率与性能；(6)本发明将sopc技术用于机电伺服控制平台可以提升设计的系列化、模块化、通用化水平，提高效率，降低成本，具有良好的发展前景。

附图说明

图1一种基于sopc技术的机电伺服控制平台的基本构成方框图；

图2基于sopc的片上控制单元架构图；

图3基于sopc技术的设计开发流程；

1.可编程系统配置，2.ip核添加，3.配置数据流生成，4.导出到软件开发工具，5.测试验证。

具体实施方式

除了下面所述的实施例，本发明还可以有其它实施例或以不同方式来实施。因此，应当知道，本发明并不局限于在下面的说明书中所述或在附图中所示的部件的结构的详细情况。当这里只介绍一个实施例时，权利要求并不局限于该实施例。

如图1所示，一种基于sopc技术的机电伺服控制平台，包括总线接口、片上控制单元、解码器r/d变换单元、功率驱动单元、ad采集单元、伺服机构；所述片上控制单元通过总线接口的线路接收控制系统的控制指令，然后片上控制单元采集所述器解码r/d变换单元反馈的电机转速与电机定子位置信息，采集a/d采集单元反馈的uv相电流和作动器位移信号，最后片上控制单元根据接收到的控制指令和采集的位置信息与位移信号运行位置环、速度环、电流环控制算法，根据计算结果输出控制信号pwm；控制信号pwm经平台中的功率驱动单元驱动伺服机构运动，最终实现伺服控制的功能。

所述平台还包括：供电单元、配置单元、电流信号调理、限流单元，所述供电单元负责整个控制系统的供电，配置单元一般由外部存储器构成，主要用来存储片上控制单元的配置数据，也可存储用户数据，其通过专用总线与片上控制单元通信；限流单元接收经过电流信号调理电路的uv相电流，当检测到uv相电流超过设定的电流阀值时，输出信号给片上控制单元，片上控制单元根据控制算法关闭输出控制信号，达到保护伺服控制平台的功能。

所述片上控制单元由基于sopc技术的片上可编程系统组成，主要括全嵌入式软核、定制ip、hdl单元。嵌入式软核主要实现控制计算功能，定制ip主要包括实现嵌入式软核与外部各功能单元进行交互的功能，以及实现用户的特定定制功能，hdl单元主要包括组合逻辑与时序逻辑，主要实现整个伺服控制平台所需的控制逻辑。

所述伺服机构包括电机、旋转变压器、作动器以及电位计，其中所述旋转变压器解码r/d变换单元反馈的电机转速与电机定子位置信息。

如图2所示，所述嵌入式软核主要由嵌入式core、双口ram、片上bram、debug单元组成，嵌入式core是一个高度集成的处理系统，适用于fpga，数据与代码存储在双口ram或片上bram上，debug单元用于处理系统的功能调试。

所述定制ip一般包括基于标准总线的片上外设ip和基于标准总线功能ip，基于标准总线的外设ip指实现用户所需功能的标准片上外设，不需用户自行开发，一般包括定时器、数据接口、中断控制、通信接口、gpio，基于标准总线的功能ip指能实现用户特定功能的定制ip，由用户自行开发，本平台主要由并行计算模块、pwm模块组成。

所述hdl单元是用户自行开发的具有一定功能的硬件逻辑电路，主要由组合逻辑与时序逻辑组成，本平台主要由电流保护逻辑、pwm死区插入逻辑、控制时序逻辑构成；基于标准总线的定制ip通过标准总线与嵌入式软核交互，hdl单元一般直接通过io信号与定制ip或嵌入式软核进行交互；所述的定制ip与hdl单元中的各功能模块可根据实际需要添加删减。

本平台中，并行计算模块可根据应用定制成闭环控制算法，包括坐标变换，svpwm算法，各种智能控制算法，滤波算法等；pwm模块可以根据应用生成任意路pwm，然后通过pwm死区插入逻辑生成带死区的对称互补pwm；通信模块可根据应用生成各种类型通信协议，外部只需添加收发器即可完成通信。

如图3所示，sopc的设计流程和传统电气系统设计没有本质的不同，开发流程包括了可编程系统配置1，ip核添加2，配置数据流生成3，然后是导出到软件开发工具4，最后是测试验证5。

对于上述本发明所提出的方法，还可以在不脱离本发明内容上作出各种改进，因此本发明的保护范围应该由所附的权利要求书内容确定。