本发明属于运动控制的技术领域，尤其是涉及一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法。
背景技术：
自20世纪80年代以来，随着电力电子技术、控制技术以及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得到了极大的进步，目前交流伺服技术已经成为工业自动化的支撑之一。其中，伺服控制技术是决定伺服系统性能好坏的最关键的技术之一。
市面上大多数伺服采用dsp和mcu的软件方案，此类控制方案由于硬件芯片性能上的限制使得伺服系统三个闭环环路的周期过大，导致在要求高的环境下不能达到满意的控制效果。
随着上位计算机数据处理功能越来越强大，运动控制器的性能也越来越强大，现在市面上的运动控制器，基本都是只运行运动控制算法，并不涉及伺服驱动的三环算法，这样就不能充分利用控制器的性能；同时，在运动控制器和伺服驱动器分开的方案中，伺服驱动器的算法通常是固化的，控制性能就在很大程度上受限于伺服驱动器的性能。
综上所述，针对现有技术中如何将运动控制器和伺服驱动器有效结合实现高性能的伺服驱动的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，有效缩短了电流环的控制算法周期，并且充分利用上位机控制器强大的数据处理能力，在上位机上可以实现更多复杂的算法。本发明从三环控制算法方面以及运动规划算法方面来综合优化控制性能。
本发明的第一目的是提供一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统，包括：依次通信连接的实时运动控制平台和fpga；
所述实时运动控制平台被配置为运行运动规划算法得到位置给定信息，并且通过位置调节器和速度调节器的运算，产生电流环的给定信息，将其输出传输至工业以太网网络中，与所述fpga进行数据交互；
所述fpga被配置为接收所述实时运动控制平台传输的电流参考矢量信号，通过纯硬件逻辑电路实现的电流环路产生pwm调制波，驱动功率模块；并将采样的反馈数据通过工业以太网传输至所述实时运动控制平台形成闭环回路。
作为进一步的优选方案，所述实时运动控制平台包括以太网驱动模块，所述以太网驱动模块被配置为以太网数据包的解析和组包、运行以太网状态机、构建用户层以太网驱动接口的任务；所述以太网驱动模块分别与运行于实时运动控制平台内核层的位置调节器模块和速度调节器模块连接；
所述速度调节器模块被配置为接收所述以太网驱动模块解析得到的编码器数据，并将给定速度信息与反馈速度信息进行比较，求得速度偏差值，进行调节后输出电流给定信号，从而实现速度的闭环控制；
所述位置调节器模块被配置为接收所述以太网驱动模块解析得到的编码器数据，并将给定位置信息与反馈位置信息进行比较，求得位置偏差值，进行调节后输出速度给定信号，从而实现位置的闭环控制。
作为进一步的优选方案，所述实时运动控制平台还包括状态显示模块和电机非实时任务模块；
所述状态显示模块被配置为显示电机控制状态；
所述电机非实时任务模块被配置为电机非实时状态机任务，主要配置电机参数，监控电机运行状态等。
作为进一步的优选方案，所述以太网驱动模块还被配置为向所述fpga中传输电机配置参数、电机控制参数以及接收所述fpga反馈的电机状态信息和电机转动角度信息等。
作为进一步的优选方案，所述fpga包括网络驱动模块、电流处理模块、电流前馈模块、编码器处理模块、坐标变换模块、电流调节器模块、逆park变换模块、svpwm调制模块和pwm脉宽输出模块；
所述网络驱动模块被配置为工业以太网的驱动，可以使得数据传输速率达到百兆或者千兆，用于负责网络上数据的传输与解析；
所述电流处理模块被配置为将模拟电流信号转换为数字电流信号，过滤数字电流信号中的高频干扰信号，得到电机三相静止坐标系的电流值采样值，并传输至坐标变换模块；
所述电流前馈模块被配置为优化电流环性能，包括电流前馈补偿模块，所述电流前馈补偿模块被配置为根据模型分析提前计算出扰动量，从而进行扭矩的补偿；
所述编码器处理模块被配置为接收外界位置反馈元件的位置信号，将所述位置信号进行数据处理后转化为相对应的电角度信息，并将所述角度信息发送到所述坐标变换模块；
所述坐标变换模块被配置为将静止坐标系下的三相静止电流信号转化为同步旋转坐标系下的电流信号，输出给所述电流调节器模块；
所述电流调节器模块被配置为将接收到的所述网络驱动模块传输的电机电流控制指令与所述坐标变换模块输出的电流信号进行比较，得到电流误差，并通过pi调节器进行运算得到同步旋转坐标系下的电压矢量，并传输至所述逆park变换模块；
所述逆park变换模块被配置为将接收的所述电流调节器模块的同步旋转坐标系下的电压矢量转换为两相静止坐标系下的电压矢量，并传输至所述svpwm调制模块；
所述svpwm调制模块被配置为接收所述逆park变换模块输出的两相静止坐标系下的电压矢量，通过扇区判断、电压空间矢量作用时间计算等算法计算出脉宽调制时间，并传输至所述pwm脉宽输出模块；
所述pwm脉宽输出模块被配置为接收所述svpwm调制模块产生的脉宽调制时间，插入死区处理时间并产生u、v、w三相脉宽调制波，驱动功率逆变器。
作为进一步的优选方案，所述fpga中的所述电流处理模块采用过采样技术；所述fpga中的所述坐标变换模块采用变换矩阵将三相静止坐标系下的电流信号转化为两相同步旋转坐标系下的电流信号，将电机控制模型进行解耦。
作为进一步的优选方案，所述fpga中的所述电流调节器模块输出的电压矢量采用限幅处理。当电压矢量大于所述电流调节器模块的最大电压限幅值时，输出所述电流调节器模块的最大电压限幅值；当电压矢量小于所述电流调节器模块的最小电压限幅值时，输出所述电流调节器模块的最小电压限幅值；当电压矢量大于等于所述电流调节器模块的最小电压限幅值并且小于等于所述电流调节器模块的最大电压限幅值时，输出电压矢量。
作为进一步的优选方案，所述实时运动控制平台中的速度调节器模块采用自适应变增益pi调节器，可以根据给定速度和反馈速度的差值来实时调节速度调节器增益；
所述实时运动控制平台中位置调节器模块采用平滑数据的方式对所述给定位置信息进行滤波，得到光滑的运动曲线。
本发明的第二目的是提供一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统的控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统的控制方法，基于上述伺服系统，该方法包括：
所述实时运动控制平台运行运动规划算法得到位置给定信息，分别通过位置调节器和速度调节器得到电流信息，并且将其传输至工业以太网网络中，与所述fpga进行数据交互；
所述fpga接收所述网络驱动模块传输的电流参考矢量信号，通过纯硬件逻辑电路实现的电流环路产生pwm调制波，驱动功率模块；并采样反馈数据通过工业以太网传输至所述实时运动控制平台形成闭环回路。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，在伺服控制里的电流环路全部采用纯硬件逻辑实现，仅仅只需几十微秒就可以实现电流环的全部控制算法，有效缩短了电流环的控制算法周期，扩展了电流环带宽，满足了对伺服驱动高性能的要求。
2、本发明所述的一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，将传统伺服驱动器里的位置环和速度环算法放到实时控制器上实现，充分的利用了上位机控制器强大的数据处理能力，进一步保证了位置环和速度环路的通讯周期，增强了控制性能。
3、本发明所述的一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，可以将更多的伺服驱动和运动控制算法放到控制器上实现，增加了控制算法的柔性，并且可以根据运动负载的情况改变控制算法，大大提高了控制过程中的灵活性，并且减小了硬件成本。此外，基于工业以太网的通讯方式更加保证了所述伺服系统的控制周期，更是未来运动控制发展的趋势。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统结构示意图；
图2是本发明坐标变换模块结构示意图；
图3是本发明fpga平台下的计算时序实现流程图；
其中，fpga上的：1-网络驱动模块、2-ipark变换模块、3-svpwm调制模块、4-pwm脉宽输出模块、5-电流调节器模块、6-坐标变换模块、7-电流处理模块、8-编码器处理模块、9-电流前馈模块；实时运动控制平台下的：10-以太网驱动模块、11-速度调节器模块、12-位置调节器模块、13-运动规划模块、14-状态显示模块、15-电机非实时任务模块。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要注意的是，附图中的流程图和框图表示出了根据本发明公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例1的目的是提供本发明的第一目的是提供一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
如图1所示，
一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统，该系统主要包括两部分：依次通信连接的实时运动控制平台和fpga；所述实时运动控制平台被配置为运行运动规划算法得到位置给定信息，分别通过位置调节器和速度调节器将其输出传输至工业以太网网络中，与所述fpga进行数据交互；所述fpga被配置为接收工业以太网传输的电流参考矢量信号，通过纯硬件逻辑电路实现的电流环路产生pwm调制波，驱动功率模块；并将采样的反馈数据通过工业以太网传输至所述实时运动控制平台形成闭环回路。
在本实施例中，工业以太网为百兆或者千兆工业以太网。
第一部分是实时运动控制平台下的速度调节器模块11、位置调节器模块12、以太网驱动模块10、运动规划模块13、状态显示模块14和电机非实时任务模块15。
所述实时运动控制平台包括以太网驱动模块10，所述以太网驱动模块10被配置为以太网数据包的解析和组包、运行以太网状态机、构建用户层以太网驱动接口的任务；所述以太网驱动模块10分别与运行于实时运动控制平台内核层的速度调节器模块11和位置调节器模块12连接；在本实施例中，以太网驱动模块10是运行于实时运动控制平台的内核层，主要完成以太网数据包的解析和组包、运行以太网状态机、构建用户层以太网驱动接口等工作，配合工业以太网，极大缩短了通讯周期，保证了速度环和位置环的周期。
所述速度调节器模块11被配置为接收所述以太网驱动模块10解析得到的编码器数据，并将给定速度信息与反馈速度信息进行比较，求得速度偏差值，进行调节后输出电流给定信号，从而实现速度的闭环控制；
在本实施例中，速度调节器模块11通过计算给定的速度值和反馈的速度值的偏差来调节速度的输出，最终使得给定值等于反馈值，但是由于在电机开始启动期间，反馈速度值较小，从而导致偏差值过大，如果这期间kp和ti的参数仍然设置过大的话，则会造成超调和电机震动。因此，本着“大偏差小增益，小偏差大增益”的原则，速度调节器采用变增益pi调节器，在速度偏差大时避免了超调，在速度偏差小时增加了响应速度。所述实时运动控制平台中速度调节器模块11的速度调节器采用自适应变增益pi调节器，其公式为：
其中，
其中，it为所述速度调节器输出的电流矢量，et为所述速度调节器所获得的反馈速度信息与给定速度信息进行比较的偏差值，emin为所述偏差值的最小值，emax为所述偏差值的最大值，kp_h为比例放大系数的最大值，kp_l为比例放大系数的最小值，kp_m为比例放大系数的正常值，ti_h为微分时间的最大值，ti_m为微分时间的正常值，ti_m为微分时间的最小值。
所述位置调节器模块12被配置为接收所述以太网驱动模块10解析得到的编码器数据，并将给定位置信息与反馈位置信息进行比较，求得位置偏差值，进行调节后输出速度给定信号，从而实现位置的闭环控制。
在本实施例中，所述实时运动控制平台中位置调节器模块12采用平滑数据的方式对所述给定位置信息进行滤波，得到光滑的运动曲线。在本实施例中，位置调节器模块12通过计算给定的位置值和反馈的位置值的偏差来调节位置的输出，最终使得位置给定值等于位置反馈值，由于位置不允许超调，所以位置调节器的增益kp则不能设置很大，而kp过小又会导致响应速度过慢，因此所述位置调节器模块12添加了前馈功能，既保证了不超调又保证了响应速度。
所述实时运动控制平台下的速度调节器模块11与所述实时运动控制平台下的位置调节器模块12运行于内核层，保证了实时性，提高了环路性能。
所述实时运动控制平台还包括状态显示模块14和电机非实时任务模块15；
所述状态显示模块14运行于用户层，所述状态显示模块14被配置为显示电机控制状态，属于非实时任务；
所述电机非实时任务模块15被配置为电机非实时状态机任务，主要配置电机参数，监控电机运行状态等。
第二部分是运行在fpga上的网络驱动模块1、电流处理模块7、电流前馈模块9、编码器处理模块8、坐标变换模块6、电流调节器模块5、ipark变换模块2、svpwm调制模3以及pwm脉宽输出模块4；
所述fpga包括网络驱动模块1，以及网络驱动模块1分别连接的电流处理模块7、电流前馈模块9、编码器处理模块8、坐标变换模块6、电流调节器模块5、逆park变换模块2、svpwm调制模块3和pwm脉宽输出模块4；
所述网络驱动模块1被配置为工业以太网的驱动，可以使得网络上数据传输速率达到百兆或者千兆，用于负责网络上数据的传输与解析；接收所述实时运动平台传过来的参考电流指令(idref)、电机配置参数(调节器增益，电流环使能信号等)，并且将电机的状态变量(静止坐标系的三相电流，编码器采样值等)回传到所述实时运动平台。
所述电流处理模块7被配置为控制采样芯片的时序和启停，将模拟电流信号ia,ib转换为数字电流信号，同时添加了数字低通滤波器，过滤数字电流信号中的高频干扰信号，使得电流采样更加准确；并根据公式ia+ib+ic＝0计算电机三相静止坐标系的实际电流值，并传输至坐标变换模块6；在本实施例中，所述fpga中的所述电流处理模块7采用过采样技术，有效提高了a-d采样的分辨率。
所述电流前馈模块9被配置为优化电流环性能，并且被配置为根据模型分析提前计算出扰动量进行扭矩的补偿；
所述编码器处理模块8被配置为接收外界位置反馈元件的位置信号，将所述位置信号进行数据处理后转化为相对应的电角度信息θ，并将所述角度信息发送到所述坐标变换模块6；
所述坐标变换模块6被配置为将静止坐标系下的电压信号和电流信号转化为同步旋转坐标系下的电流信号，输出给所述电流调节器模块5；在本实施例中，所述fpga中的所述坐标变换模块6采用变换矩阵将三相静止坐标系下的电流信号转化为两相同步旋转坐标系下的电流信号，将电机控制模型进行解耦。如图2所示，在fpga时钟信号的驱动下，采取乘法器复用和串行流水线的模式，并且将clakre和park变换融合在一起来运算，只需两个乘法器、8至9个时钟周期就可以计算完毕。坐标变换模块6将静止坐标系下的电流信号转化为同步旋转坐标系下的电流信号，从而输出给所述电流调节器模块5来实现电流的调节控制，采用变换矩阵为：
其中,ia、ib为所述坐标变换模块6的输入,id、iq为所述坐标变换模块6的结果，θ为所述编码器处理模块8输出的角度信息。此变换矩阵实现将三相a-b-c静止坐标系下的电流ia、ib变换为两相同步旋转坐标系下的电流id、iq，从而实现了电机控制模型的解耦。
所述电流调节器模块5被配置为将接收所述网络驱动模块1的电机电流控制指令(idref,iqref)与所述坐标变换模块6输出的电流信号进行比较，并通过pi调节器进行运算得到同步旋转坐标系下的电压矢量，并传输至所述逆park变换模块(ipark变换模块2)；
所述电流调节器模块5进行pi调节的公式为:
其中，ut为所述电流调节器模块5输出的参考电压矢量，kp和ti为所述电流调节器模块5的调节参数，et为所述电流调节器模块5的输入电流和反馈电流的差值。
在本实施例中，所述fpga中的所述电流调节器模块5输出的电压矢量ut采用限幅处理：
其中，umax为所述电流调节器模块5的最大电压限幅值，umin为所述电流调节器模块5的最小电压限幅值。
当电压矢量大于所述电流调节器模块5的最大电压限幅值时，输出所述电流调节器模块5的最大电压限幅值；当电压矢量小于所述电流调节器模块5的最小电压限幅值时，输出所述电流调节器模块5的最小电压限幅值；当电压矢量大于等于所述电流调节器模块5的最小电压限幅值并且小于等于所述电流调节器模块5的最大电压限幅值时，输出电压矢量。
所述逆park变换模块(ipark变换模块2)被配置为将接收的所述电流调节器模块5的同步旋转坐标系下的电压矢量转换为两相静止坐标系下的电压矢量，并传输至所述svpwm调制模块3；
所述svpwm调制模块3被配置为接收所述逆park变换模块输出的两相静止坐标系下的电压矢量(vα,vβ)，通过扇区判断、电压空间矢量作用时间计算、确定开关导通时间等算法，最终输出脉宽调制时间给pwm脉宽输出模块4。
所述pwm脉宽输出模块4被配置为接收所述svpwm调制模块3产生的脉宽调制时间，插入死区处理时间并产生u、v、w三相脉宽调制波，驱动功率逆变器。
本实施例中还提供一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统的控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统，基于上述伺服系统，该方法包括：
所述实时运动控制平台运行运动规划算法得到位置给定信息，分别通过位置调节器和速度调节器得到电流给定信息，并其输出传输至工业以太网网络中，与所述fpga进行数据交互；
所述fpga接收所述网络驱动模块1传输的电流参考矢量信号，通过纯硬件逻辑电路实现的电流环路产生pwm调制波，驱动功率模块；并将采样的反馈数据通过工业以太网传输至所述实时运动控制平台形成闭环回路。
在本发明实例中，如图3所示，为fpga平台下的计算时序。网络驱动模块1接收工业以太网中传输的电流给定信号，然后分别经过电流采样和编码器采样、坐标变换、pi控制、电流前馈、ipark变换、svpwm调制等来产生pwm调制波，从而驱动功率模块；
本发明的有益效果：
1、本发明所述的一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，在伺服控制里的电流环路全部采用纯硬件逻辑实现，仅仅只需几十微秒就可以实现电流环的全部控制算法，有效缩短了电流环的控制算法周期，扩展了电流环带宽，满足了对伺服驱动高性能的要求。
2、本发明所述的一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，将传统伺服驱动器里的位置环和速度环算法放到实时控制器上实现，充分的利用了上位机控制器强大的数据处理能力，进一步保证了位置环和速度环路的通讯周期，增强了控制性能。
3、本发明所述的一种基于实时运动控制平台以及fpga的伺服系统及其控制方法，可以将更多的伺服驱动和运动控制算法放到控制器上实现，增加了控制算法的柔性，并且可以根据运动负载的情况改变控制算法，大大提高了控制过程中的灵活性，并且减小了硬件成本。此外，基于工业以太网的通讯方式更加保证了所述伺服系统的控制周期，更是未来运动控制发展的趋势。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。