一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的設計制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種基于FPGA的伺服電機控制裝置，包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，伺服電機，霍爾傳感器，A/D轉換模塊，通訊接口。搭載FPGA的控制板發出PWM控制信號，經光耦隔離模塊處理后送至功率板，并實時接收由光電編碼盤測得的電機轉子測量數據；功率板接收到控制信號后通過控制功率開關器件的通斷實現對電機的控制，并通過霍爾傳感器采集檢測信號與A/D模塊的數模轉換，將檢測信號反饋給FPGA控制板，實現閉環控制。本發明專利技術使用新型高性能低功耗的硬件系統，程序兼容性好，外圍器件少，成本低，提高了系統的運行效率和控制精度。

Design of servo motor control device based on FPGA

The invention provides a servo motor control system based on FPGA, including the control board is equipped with FPGA, optocoupler module, power board, photoelectric encoding disc, servo motor, Holzer sensor, A/D converter module, communication interface. Equipped with control board FPGA sends a PWM control signal, the isolated module is transmitted to the power board, and receive real-time rotor measurement data measured by the photoelectric encoding disc; power board after receiving the control signal by controlling the power switch on-off control of the motor, and through the digital analog acquisition Holzer sensor the signal with the A/D module conversion will detect the feedback signal to the FPGA control board, to achieve closed-loop control. The invention adopts a new type hardware system with high performance and low power consumption, has good program compatibility, less peripheral devices and low cost, and improves the operation efficiency and the control precision of the system.

【技術實現步驟摘要】
一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的設計
本專利技術屬于電力系統領域，具體涉及一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的設計。
技術介紹
電動機可將電能轉換成機械能，廣泛的應用于生活的各個領域中。電機傳動控制中電機的驅動與調速控制占據著重要地位。電機正在驅動不同類型設備產業的發展，包括重工業機械設備如鋼鐵行業、造紙行業中的軋鋼機，還有微電子行業與半導體行業中的精密儀器、數控機床等。經過統計調查，我國各類電機中有80%以上為小型的異步電機，且由于設備陳舊，控制技術落后等原因，導致浪費的電能非常之多。故需要使用先進高效的電機裝置與驅動、調速控制方法來提高電動機效率，可節約電能與原材料，更加高效環保，對我國的可持續發展有重大意義。異步電機與永磁電機基本的區別是性能和成本。目前異步電機的使用相對永磁電機來說更加廣泛。因為異步電機的使用環境通常對于未知調整與調速沒有精確的要求。典型的如眾所周知的通用電機。但是隨著生產要求的日漸提高，尤其是半導體以及其它精密產品生產的需求，永磁電機因其更小巧的體積、更高的效率性能及可控性強等優點，已經逐漸成為一種應用趨勢。由于微處理器MCU技術和電力電子相關技術的更新換代，脈沖寬度調制（PWM）逆變器被廣泛地應用于電氣傳動系統領域中。在脈沖寬度調制控制策略中，SVPWM不同于傳統技術，它在算法和實現方式上做了特殊的優化，可以很大程度排除逆變器的輸出波形中的諧波成分，并且減少電機的能耗損失。因為在數字信號系統中便捷的實現方式，目前它已很好的代替傳統的SPWM技術。另一方面，為保證SVPWM控制策略的性能，單片的運行速度已經遠遠無法滿足，隨著人們對于高性能的數字處理芯片的需求，FPGA的發展也得到了推進，FPGA有著強大的運算性能，以及芯片內部集成功能的完整性。FPGA是電機控制電路的核心，大大降低了硬件成本和尺寸，使用方便。相比于傳統單片機，其運算速度和處理性能是后者的數十倍，也就意味著可以在FPGA中實現更加高級復雜的算法來實現控制，很大程度上提高了系統的反應速度以及控制的精確度。FPGA搭載的運動控制系統具有極其廣泛的使用范圍，將對各類電器乃至工業生產上的設備驅動起到導向性的作用，特別是在冰箱，洗衣機，空調等家用電器和工業變頻控制等方面。一般的電機控制能耗較大，應用傳統控制算法使得系統的反應速度較慢，控制精度有限，無法滿足實際需求。本專利技術針對伺服控制器中的軟件算法優化及減少轉換能耗進行了分析研究，簡化了原有算法，節省芯片資源的占用，提高了整個系統的運行效率和控制精度，減小了對外圍器件的依賴，降低了成本，在交流電機的驅動控制中有著良好的發展前景。
技術實現思路
本專利技術的目的是設計一種基于FPGA的伺服電機控制裝置，解決當前電機控制中能耗大，控制技術落后，系統效率低的問題。為了實現上述專利技術目的，本專利技術設計了硬件部分與軟件部分：硬件部分：主要包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，伺服電機，霍爾傳感器，A/D轉換模塊，通訊接口。各模塊之間的連接關系為：功率板負責控制命令的接收與執行，驅動電機，分別與控制板（通過光耦隔離模塊），霍爾傳感器和伺服電機相連；控制板通過產生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機定子磁場的角度和幅度等，發出PWM控制信號，通過光耦隔離模塊處理后發送給功率板，實時接收由光電編碼盤測得的電機轉子測量數據；功率板接收到PWM控制信號后，通過功率開關器件實現對電機的控制，同時通過霍爾傳感器與A/D轉換模塊反饋檢測信號給控制板，實現閉環控制。所述FPGA控制芯片選用Altera公司生產的Cyclone系列的FPGA作為控制核心，是電機控制專用芯片，可接收與存儲測量數據，產生SVPWM控制信號。所述霍爾傳感器選用霍爾傳感器CS040GT實現對電流的采集，將電流信號轉換為電壓信號。所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號來實現對功率開關器件的控制，進一步來驅動大功率電機。所述A/D轉換模塊選用AD7705芯片，將輸入的電壓信號轉換為數字信號。所述光電編碼盤選用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號光電編碼器，其輸出信號傳送至FPGA控制板，其中的兩路A、B輸出用于測速，來進一步控制電機的定子磁場。所述伺服電機選用SM060R20B30MN型號，額定功率為200W，由功率板上的功率開關器件來驅動，并通過光電編碼盤將轉子的轉速與位置傳送至FPGA芯片。軟件部分：本專利技術軟件編程實現都在CCS5.5的平臺上完成，以實現電機控制所要實現的功能。本專利技術中程序主要解決以下幾個問題：1.數據的采集。系統需要知道電機定子磁場的角度和幅度，需要對電機的電壓、電流、轉速進行測量采集，所有這些數據必須按照一定的控制器計算頻率，并需要各自的頻率協調一致。2.模糊PID控制。需要協調控制器內部工作的流程，確保輸入量的正確輸入，保證控制量能夠準確輸出是控制器執行程序的關鍵所在。與現有技術相比，本專利技術的創新與益處在于：一般的電機控制反應速度慢，控制精度有限，本專利技術簡化了原有的傳統算法，節省了芯片占用資源，使用新型的高性能低功耗硬件，將軟件算法與FPGA芯片結合，程序兼容性好，硬件系統減小了對外圍器件的依賴，提高了系統的運行效率與控制精度。附圖說明圖1是本專利技術所述一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的硬件總體結構框圖。圖2是本專利技術所述一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的軟件部分程序流程圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細說明。圖1所示為本專利技術所述一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的硬件總體結構框圖，主要包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，伺服電機，霍爾傳感器，A/D轉換模塊，通訊接口。控制板可產生空間矢量PWM波（SVPWM）、控制電機定子磁場的角度和幅度等，輸出SVPWM信號并經光耦隔離模塊處理后轉換為可驅動功率開關器件的信號傳送至功率板，進一步來驅動電機旋轉。同時通過霍爾傳感器將功率板上輸出的電信號送至A/D轉換模塊，實現數模轉換后將信號反饋給控制板，通過光電編碼盤將電機的轉子數據反饋至控制板，形成閉環控制。所述FPGA控制芯片選用Altera公司生產的Cyclone系列的FPGA作為控制核心，是電機控制專用芯片，可接收與存儲測量數據，產生SVPWM控制信號。所述霍爾傳感器采用霍爾傳感器CS040GT實現對電流的采集，將電流信號轉換為電壓信號。所述A/D轉換模塊選用AD7705芯片，將輸入的電壓信號轉換為數字信號。所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號來實現對功率開關器件的控制，進一步來驅動大功率電機。所述光電編碼盤采用歐姆龍公司的E6B2-CWZ3E型號光電編碼器，其輸出信號傳送至FPGA控制板，其中的兩路A、B輸出用于測速，來進一步控制電機的定子磁場。所述伺服電機選用SM060R20B30MN型號，額定功率為200W，由功率板上的功率開關器件來驅動，并通過光電編碼盤將轉子的轉速與位置傳送至FPGA控制板。圖2所示為本專利技術所述一種基于FPGA的伺服電機控制裝置的軟件部分程序流程圖。主要采用模塊化編程思想，首先初始化各模塊，重置各模塊的狀態，通過轉速計算模塊和A/D轉換模塊反饋的電機轉速與電流本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于FPGA的伺服電機控制裝置，其特征是所述裝置包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，伺服電機，霍爾傳感器，A/D轉換模塊，通訊接口；各模塊之間的連接關系為：功率板負責控制命令的接收與執行、檢測信號的反饋，分別與控制板（通過光耦隔離模塊），霍爾傳感器和伺服電機相連；控制板以FPGA芯片為核心，實現空間矢量PWM波（SVPWM）的產生、對電機定子磁場的角度和幅度的控制等，并發出PWM控制信號，通過光耦隔離模塊處理后發送給功率板，實時接收由光電編碼盤測得的電機轉子測量數據；功率板接收到PWM控制信號后，通過功率板上的功率開關器件實現對電機的控制，同時通過霍爾傳感器與A/D轉換模塊反饋檢測信號給控制板，實現閉環控制。

【技術特征摘要】
1.一種基于FPGA的伺服電機控制裝置，其特征是所述裝置包括搭載FPGA的控制板，光耦隔離模塊，功率板，光電編碼盤，伺服電機，霍爾傳感器，A/D轉換模塊，通訊接口；各模塊之間的連接關系為：功率板負責控制命令的接收與執行、檢測信號的反饋，分別與控制板（通過光耦隔離模塊），霍爾傳感器和伺服電機相連；控制板以FPGA芯片為核心，實現空間矢量PWM波（SVPWM）的產生、對電機定子磁場的角度和幅度的控制等，并發出PWM控制信號，通過光耦隔離模塊處理后發送給功率板，實時接收由光電編碼盤測得的電機轉子測量數據；功率板接收到PWM控制信號后，通過功率板上的功率開關器件實現對電機的控制，同時通過霍爾傳感器與A/D轉換模塊反饋檢測信號給控制板，實現閉環控制。2.根據權利要求1所述的一種基于FPGA的伺服電機控制裝置，其特征在于：所用的FPGA控制芯片采用Altera公司生產的Cyclone系列的FPGA作為控制...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李林澤，王增平，
申請(專利權)人：華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京,11