多轴交流伺服电机控制装置的制作方法

本发明涉及电机控制装置，具体涉及一种多轴交流伺服电机控制装置。

背景技术：

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、发明创造名称为“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，该发明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。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对背景技术中的问题，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。

本发明的技术方案是：本发明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，Sfi为第二滤波器组输出的内部速度反馈值；

母线电压补偿模块，用于对交叉解耦补偿模块输出的d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量Uq1和Ud1进行矢量输出限幅处理，使其输出矢量和在SVPWM输出的六边形内切，母线电压补偿模块输出d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量值Vq2和Vd2，Vq2和Vd2的计算公式如式（10）和式(11）：

（10）

（11）

式中，Vdc1来自于数据调理模块的输出；

IPARK变换模块，用于将母线电压补偿模块输出的d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量Vd2和Vq2变换为d-q两相静止坐标系下的参考电压矢量Vα和Vβ；

ICLARK变换模块，用于将IPARK变换模块输出的d-q两相静止坐标系下的参考电压矢量Vα和Vβ采用式（13）变换为x-y-z三相静止坐标系下的Vx、Vy和Vz：

（13）

式中，θ为编码器反馈信号处理模块经第一时序控制模块分时产生的电角度值；

SVPWM模块，用于将ICLARK变换模块发送的x-y-z三相静止坐标系下的Vx、Vy和Vz进行空间矢量脉宽调制计算，输出PWM比较器用于调制PWM信号脉宽的矢量作用时间值Ta、Tb和Tc；

第二时序控制模块，用于实现将SVPWM模块发送的各通道计算结果进行寄存，并发送给各自对应通道的PWM比较器模块；

PWM比较器模块，用于将第二时序控制模块发送的矢量作用时间值Ta、Tb和Tc与PWM周期计数器发送的计数值进行比较，产生参考的功率逆变器上下桥开关控制信号，PWM比较器模块每个电流环通道各设1个；各PWM比较器共享一个PWM周期计数器模块；

死区插入模块，用于根据各自通道的PWM比较器模块发送的上下桥开关控制信号，对相应通道的功率逆变器的上下桥切换开通时刻插入保护死区，以保证逆变器内的驱动桥的上下桥臂不会同时处于导通状态。

进一步的方案是：上述的CLARK变换模块采用式（3）所示的变换矩阵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：

（3）。

进一步的方案是：上述的PARK变换模块采用式（4）所示的变换矩阵实现将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：

（4）。

进一步的方案是：上述的PWM周期计数器模块设有先加后减的周期计数器。

进一步的方案是：上述的第一、第二和第三滤波器组均分别包括级联的若干个数字滤波器，各滤波器组的各数字滤波器根据上位处理器给定的系数，可配置为低通、带通、卡尔曼数字滤波器或所述三种数字滤波器组合而成的数字滤波器。

进一步的方案是：上述的IPARK变换模块采用式（12）所示公式将将母线电压补偿模块输出的d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量Vd2和Vq2变换为d-q两相静止坐标系下的参考电压矢量Vα和Vβ：

（12）。

本发明具有积极的效果：本发明的多轴交流伺服电机控制装置，其基于数字逻辑电路实现；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，保证控制的实时性和控制精度；其通过采用流水线和时分复用技术，能够简化流水线控制，加速电流环计算速度，缩短电机的控制时间；同时通过采用全局PWM周期计数器模块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；本发明较之于现有技术，其在使用时对多轴交流伺服电机的控制实时性更佳、控制精度更高、控制同步性更好。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明在使用时与相关外部设备相连接的电路结构示意图，图中对图1所示的本发明进行了省略画法。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1并参见图2，本实施例的多轴交流伺服电机控制装置，其基于数字逻辑电路实现，主要由并行总线通信模块、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组成。

并行总线通信模块，用于本装置在使用时与配套设置的上位处理器通信，从上位处理器获取配置信息、控制使能和参数设置；并周期向上位处理器发送中断信号和状态变量，上位处理器响应中断，在中断程序中对本装置的运行状态进行监控，并实时调整本装置的各控制参数值。

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。PWM周期计数器模块设有先加后减的周期计数器，PWM周期计数器先从零开始加1计数到设定的PWM周期值后再进行减1计数回到零，周而复始；本实施例中，多个电流环通道共享一个PWM周期计数器模块，从而实现对多个电机轴的精确同步控制，PWM周期计数器模块每次计到零或设定的PWM周期值时分别产生一个中断脉冲信号发送给上位处理器用于启动中断处理程序；同时产生一个PWM比较器更新信号，用于将电流环计算结果更新到PWM比较器内；PWM周期计数器模块依据设定的电机轴数，产生本装置的计算启动信号，受控电机轴数不同，PWM周期计数器模块启动时间提前于PWM比较器更新信号的时间相应不同；受控电机轴数设定后，则PWM周期计数器模块计算启动时间固定。

编码器反馈信号处理模块，用于使用时接收受控电机M转子的位置反馈元件的位置反馈信号，处理后输出电机的位置反馈值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；编码器反馈信号处理模块的设置数量与位置反馈元件的数量N相同，也即与受控电机M的数量相同。

AD接口模块，用于使用时通过外接的AD芯片实现对受控电机M的驱动电流和功率逆变器的直流母线输入电压进行采样，并将采样值发送给第一时序控制模块；根据交流电机三相电流之和为0的特性，每个受控电机M只需采样其中两相电流值，本实施例中，采样受控电机M线圈的U相电流值Iu、W相电流值Iw和功率逆变器直流母线电压值Vdc； AD接口模块的设置数量为2N+1，也即受控电机M数量的2倍加1，其中2N个AD接口模块用于输入N个受控电机M的2相电流；1个AD接口模块用于输入功率逆变器的母线电压值Vdc。

第一时序控制模块，用于实现多路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所有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Iu和Iw、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的模块发送。

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、上位处理器经并行总线通信模块和第一时序控制模块给定的位置指令值Pc、位置前馈值Po以及位置环比例系数Kpp，通过比例计算得到并输出第一速度指令值Sc1；其计算公式为式（1）：

（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；第一滤波器组包括级联的若干个数字滤波器，第一滤波器组的各数字滤波器根据上位处理器给定的系数，可配置为低通、带通或卡尔曼数字滤波器的一种或多种组合。

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；第二滤波器组包括级联的若干个数字滤波器，第二滤波器组的各数字滤波器根据上位处理器给定的系数，可配置为低通、带通或卡尔曼数字滤波器的一种或多种组合。

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）得到两相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；第三滤波器组包括级联的若干个数字滤波器，第三滤波器组的各数字滤波器根据上位处理器给定的系数，可配置为低通、带通或卡尔曼数字滤波器的一种或多种组合。

数据调理模块，用于将第一时序控制模块发送的电机线圈U相电流采样值Iu和W相电流采样值Iw、功率逆变器直流母线电压采样值Vdc进行调理运算，输出调理后相应的定点值Ia、Ic、Vdc1。

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；CLARK变换模块所采用的变换矩阵如式（3）：

（3）

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，PARK变换模块采用的变换矩阵如式（4）：

（4）

其中θ为编码器反馈信号处理模块经第一时序控制模块分时产生的电角度值。

第一电流环计算模块，用于将第三滤波器组输出的两相d-q同步旋转坐标系下q相第一电流指令值Iq1、PARK变换模块输出的两相d-q同步旋转坐标系下q相第一电流反馈值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。其计算公式如式（5）：

(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；其计算公式如式（6）：

（6）

反电势补偿模块，用于补偿受控电机M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，Sfi为第二滤波器组输出的内部速度反馈值。

母线电压补偿模块，用于对交叉解耦补偿模块输出的d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量Uq1和Ud1进行矢量输出限幅处理，使其输出矢量和在SVPWM输出的六边形内切，母线电压补偿模块输出d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量值Vq2和Vd2，Vq2和Vd2的计算公式如式（10）和式(11）：

（10）

（11）

式中， Vdc1来自于数据调理模块的输出。

IPARK变换模块，用于将母线电压补偿模块输出的d-q同步旋转坐标系下的参考电压矢量Vd2和Vq2变换为d-q两相静止坐标系下的参考电压矢量Vα和Vβ，变换矩阵为式（12）：

（12）

式中θ为编码器反馈信号处理模块经第一时序控制模块分时产生的电角度值。

ICLARK变换模块，用于将IPARK变换模块输出的d-q两相静止坐标系下的参考电压矢量Vα和Vβ变换为x-y-z三相静止坐标系下的Vx、Vy和Vz，其采用的计算公式为式（13）：

（13）

其中θ为编码器反馈信号处理模块经第一时序控制模块分时产生的电角度值。

SVPWM模块，用于将ICLARK变换模块发送的x-y-z三相静止坐标系下的Vx、Vy和Vz进行空间矢量脉宽调制计算，输出PWM比较器用于调制PWM信号脉宽的矢量作用时间值Ta、Tb和Tc。SVPWM模块的功能就是根据ipark变换输出的α，β坐标系下的参考电压矢量，判断其所在扇区，再根据平均等效值原理计算基本电压矢量作用时间，得到矢量作用时间。

第二时序控制模块，用于实现将SVPWM模块发送的各通过计算结果进行寄存，并发送给各自对应通道的PWM比较器模块，保证每一路的矢量作用时间值Ta、Tb和Tc在各自的PWM比较器更新时刻均稳定有效。

PWM比较器模块，用于将第二时序控制模块发送的矢量作用时间值Ta、Tb和Tc与PWM周期计数器发送的计数值进行比较，产生参考的功率逆变器上下桥开关控制信号，PWM比较器模块的数量与受控电机M的数量相同，以保证每个电流环通道有自己专用的PWM比较器，各PWM比较器共享一个PWM周期计数器模块，以实现对所有功率逆变器的同步控制。

死区插入模块，用于根据各自通道的PWM比较器模块发送的上下桥开关控制信号，对相应通道的功率逆变器的上下桥切换开通时刻插入保护死区，以保证逆变器内的驱动桥的上下桥臂不会同时处于导通状态避免损害逆变器；死区插入模块的数量与PWM比较器模块的数量相同。

本实施例的多轴交流伺服电机控制装置，其适用于基于FPGA或集成电路技术的全数字交流电机驱动与控制设备，其典型应用方式如图2所示，将本装置的并行总线通信模块接到选定的上位处理器上，该上位处理器可以是独立的CPU芯片，也可以是能够集成到FPGA内的CPU软核，也可以是内置于集成电路芯片内部的CPU硬核。

系统上电后，首先启动上位处理器，上位处理器启动后对本装置进行初始化，根据受控的电机M数量配置相关参数，然后使能本装置，并周期输入相关指令和参数，从而控制电机M运行，同时读取本装置的相关状态变量。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。