本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，特別是一種基于fpga和特征模型的多通道高速高精度伺服控制芯片。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代工業(yè)和制造業(yè)中，諸如工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線、無人駕駛車輛等系統(tǒng)都依賴于高精度和高響應(yīng)速度的伺服控制系統(tǒng)。為了應(yīng)對(duì)多樣化和復(fù)雜的控制需求，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)處理多通道的數(shù)據(jù)，并且在瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)保持高精度。這對(duì)伺服控制系統(tǒng)的處理能力、靈活性和穩(wěn)定性提出了極高的要求。此外，隨著工業(yè)現(xiàn)場的多變性和復(fù)雜性增加，控制系統(tǒng)不僅需要在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持精確的控制，還要能夠自適應(yīng)地調(diào)整其參數(shù)以應(yīng)對(duì)不斷變化的工作條件和負(fù)載。

2、當(dāng)前的研究主要集中在提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力、增強(qiáng)自適應(yīng)控制能力以及提高控制精度與穩(wěn)定性上。這些研究的核心目標(biāo)是開發(fā)出能夠滿足復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用需求的伺服控制系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)需要具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，以應(yīng)對(duì)多通道和高頻信號(hào)的并行處理。其次，自適應(yīng)控制能力是系統(tǒng)在變化的負(fù)載和工作條件下保持高性能控制的關(guān)鍵，即在運(yùn)行過程中能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)。此外，在精密制造和高精度定位等應(yīng)用場景中，系統(tǒng)必須提供高度精確和穩(wěn)定的控制，以確保實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能指標(biāo)。

3、現(xiàn)有的伺服控制系統(tǒng)主要依賴于數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)或微控制器(mcu)進(jìn)行控制。雖然這些傳統(tǒng)技術(shù)在某些應(yīng)用場景下表現(xiàn)良好，但在應(yīng)對(duì)多通道、高速高精度控制時(shí)，存在顯著的不足之處。首先，dsp和mcu在處理大量并行數(shù)據(jù)時(shí)受到其串行處理架構(gòu)的限制，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的多通道高速數(shù)據(jù)處理，這導(dǎo)致系統(tǒng)在復(fù)雜控制場景中性能受限。此外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)普遍缺乏在運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)的能力，無法有效應(yīng)對(duì)不斷變化的工作環(huán)境和負(fù)載，從而在自適應(yīng)控制能力上顯得不足。更重要的是，由于硬件資源和處理速度的限制，現(xiàn)有的伺服控制系統(tǒng)在高精度和快速響應(yīng)需求的場景中，常常不能達(dá)到預(yù)期的控制精度和穩(wěn)定性。面對(duì)復(fù)雜的控制需求，現(xiàn)有系統(tǒng)通常需要額外的硬件或軟件資源，這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，還降低了其靈活性。因此，現(xiàn)有技術(shù)在處理能力、自適應(yīng)能力、精度和系統(tǒng)復(fù)雜性方面存在顯著的局限性，這催生了對(duì)更加高效、精確和靈活的伺服控制系統(tǒng)的需求。

4、開發(fā)一種能夠集成高效處理、高精度控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力的新型伺服控制芯片，成為了提升現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。fpga(現(xiàn)場可編程門陣列)因其并行處理能力和高度可編程性，逐漸成為解決這些問題的理想選擇，能夠在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中提供更優(yōu)的控制解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的高速高精度伺服系統(tǒng)開發(fā)周期長、開發(fā)成本高等問題，提供一種基于fpga和特征模型的多通道高速高精度伺服控制芯片，旨在有效降低高性能伺服系統(tǒng)的開發(fā)周期和成本，并提升其在工業(yè)自動(dòng)化、精密儀器、電動(dòng)汽車和航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用性能。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：基于fpga和特征模型的多通道高速高精度伺服控制芯片，所述芯片包括通過fpga實(shí)現(xiàn)的一個(gè)上位機(jī)通信模塊及多個(gè)電機(jī)控制通道，每個(gè)所述電機(jī)控制通道包括特征參數(shù)辨識(shí)與慣量估計(jì)模塊、位置控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊、電流控制模塊、svpwm模塊、電流處理模塊和編碼器處理模塊；

3、所述上位機(jī)通信模塊，用于接收來自上位機(jī)的控制指令和參數(shù)配置，并將控制指令傳輸給各個(gè)所述電機(jī)控制通道，還用于向所述上位機(jī)返回伺服系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息；

4、所述電流處理模塊，用于接收電機(jī)的實(shí)時(shí)電流信號(hào)且對(duì)其進(jìn)行濾波處理，并將濾波后的信號(hào)傳遞給所述電流控制模塊和特征參數(shù)辨識(shí)與慣量估計(jì)模塊；

5、所述編碼器處理模塊，用于接收電機(jī)編碼器的信號(hào)，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和速度，并將處理后的反饋信號(hào)傳遞給所述特征參數(shù)辨識(shí)與慣量估計(jì)模塊、位置控制模塊和轉(zhuǎn)速控制模塊；

6、所述特征參數(shù)辨識(shí)與慣量估計(jì)模塊，用于對(duì)電機(jī)模型的特征參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，同時(shí)實(shí)時(shí)估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

7、所述位置控制模塊，用于根據(jù)所述上位機(jī)和特征參數(shù)辨識(shí)與慣量估計(jì)模塊的輸出，對(duì)電機(jī)的目標(biāo)位置進(jìn)行控制，并將控制信號(hào)傳遞給所述轉(zhuǎn)速控制模塊；

8、所述轉(zhuǎn)速控制模塊，用于根據(jù)所述位置控制模塊輸出的位置誤差和所述編碼器處理模塊輸出的速度指令信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以使電機(jī)按照期望的速度運(yùn)行，并將調(diào)節(jié)后的信號(hào)傳遞給所述電流控制模塊；

9、所述電流控制模塊，用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)速控制模塊輸出的速度控制信號(hào)和所述電流處理模塊輸出的電流反饋信號(hào)，調(diào)整電流輸出以維持電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，并輸出到所述svpwm模塊；

10、所述svpwm模塊即空間矢量脈寬調(diào)制模塊，用于接收所述電流控制模塊輸出的電流控制信號(hào)，將電流控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào)，并輸出svpwm信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

11、進(jìn)一步地，所述電流處理模塊通過自適應(yīng)濾波器對(duì)采集到的電流值進(jìn)行濾波。

12、進(jìn)一步地，所述通過自適應(yīng)濾波器對(duì)采集到的電流值進(jìn)行濾波，具體為：通過自適應(yīng)fir濾波器對(duì)采集到的相電流濾波，具體包括：

13、步驟3-1，采集輸入信號(hào)并計(jì)算誤差：

14、e(n)＝d(n)-y(n)

15、其中，d(n)為期望輸出的信號(hào)，y(n)為濾波器在n時(shí)刻的實(shí)際輸出，e(n)為n時(shí)刻的系統(tǒng)誤差；

16、步驟3-2，計(jì)算濾波器的輸出：

17、

18、其中，wk(n)為n時(shí)刻濾波器的第k個(gè)濾波器系數(shù)，v2(n-k)為輸入信號(hào)在n-k時(shí)刻的值，m為濾波器的階數(shù)，y(n)為n時(shí)刻濾波器的輸出；

19、步驟3-3，更新濾波器系數(shù)，更新公式為：

20、wk(n+1)＝wk(n)+2μe(n)v2(n-k)

21、其中，wk(n+1)為n+1時(shí)刻時(shí)第k個(gè)濾波器系數(shù)，μ為步長因子；

22、自適應(yīng)fir濾波器的目標(biāo)是最小化均方誤差，表達(dá)式為：

23、e[e2(n)]＝e{[d(n)-y(n)]2}

24、式中，e[*]表示均方；

25、通過不斷調(diào)整濾波器系數(shù)，實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)。

26、進(jìn)一步地，所述svpwm模塊通過fpga的邏輯控制功能，生成svpwm信號(hào)。

27、進(jìn)一步地，所述特征參數(shù)辨識(shí)與慣量估計(jì)模塊采用模型參考自適應(yīng)算法對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，以適應(yīng)不同的負(fù)載條件。

28、進(jìn)一步地，所述位置控制模塊采用基于特征模型的自適應(yīng)離散滑模控制器對(duì)電機(jī)的目標(biāo)位置進(jìn)行控制。通過計(jì)算跟蹤誤差和控制誤差面，利用滑?？刂扑惴ㄉ煽刂菩盘?hào)，以精確調(diào)整電機(jī)的位置，確保其按設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。

29、進(jìn)一步地，所述上位機(jī)采用can或串口的方式與所述芯片通信。

30、進(jìn)一步地，所述編碼器處理模塊通過fpga的i/o接口采集電機(jī)編碼器的脈沖信號(hào)。

31、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

32、(1)利用fpga的并行處理能力和高頻信號(hào)處理能力，使得系統(tǒng)能夠在高頻率下高效執(zhí)行復(fù)雜的控制算法，大幅提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

33、(2)通過在單一芯片上集成多通道控制功能，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部署，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

34、(3)通過特征模型的在線辨識(shí)和自適應(yīng)控制算法，系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同的工作環(huán)境和負(fù)載變化，提高了控制的穩(wěn)定性和精度。

35、(4)模塊化的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和維護(hù)性，方便進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級(jí)。

36、(5)本發(fā)明方案有高性能和高精度、高度集成和靈活性、實(shí)時(shí)響應(yīng)和自適應(yīng)能力、模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)勢，適用于各種高要求的工業(yè)控制應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場潛力。

37、(6)本發(fā)明通過將伺服系統(tǒng)高精度控制算法設(shè)計(jì)成專用芯片，僅需少量外圍電路即可完成高速高精度伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)。

38、下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。