專利名稱：基于永磁無刷直流電機(jī)的無刷伺服控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，特別是涉及一種以FPGA為核心控制單元的，以永磁無刷直流伺服電機(jī)為控制對(duì)象的無刷伺服控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置。
技術(shù)背景
隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)歩和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，大量情況下需要使用的是小型自動(dòng)化設(shè)備，要求低成本，但又要滿足自動(dòng)控制的高精度和快速響應(yīng)。為了適應(yīng)這種國(guó)情，本發(fā)明人首先對(duì)伺服系統(tǒng)的控制對(duì)象即電動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，目前廣泛使用的交流伺服電機(jī)由
于使用帶u、 V、 w信號(hào)的增量式光電編碼器作為磁極位置的檢測(cè)元件，成本居高不下，
因此本發(fā)明人首先對(duì)于永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在制造時(shí)就在其定子上由
模具沖壓出三條互差60°或120°機(jī)械角且精度很高的凹槽，用于安裝開關(guān)型霍爾元件，作為磁極位置反饋元件，而避免使用價(jià)格昂貴的帶U、 V、 W信號(hào)的增量式編碼器，使電機(jī)制造成本大大降低，而且凹槽由模具沖壓而成，精度也可以得到保證；同時(shí)在電機(jī)定子上同樣由模具沖壓出三條互差60?；?2(T機(jī)械角的凹槽，用于安裝電流型霍爾元件，作為電流環(huán)采樣元件，用來檢測(cè)電機(jī)的相電流，改變了傳統(tǒng)的電流采樣方法，同時(shí)使永磁無刷直流電機(jī)用于高精度的定位控制場(chǎng)合成為可能。
以往以永磁無刷直流電機(jī)作為控制對(duì)象的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，雖然成本低，但傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)，由于沒有電流采樣元件，因此無法進(jìn)行相電流采樣，因此大都只用于簡(jiǎn)單調(diào)速的電力拖動(dòng)場(chǎng)合，其驅(qū)動(dòng)器多采用電流環(huán)和速度環(huán)雙閉環(huán)控制，難以應(yīng)用在定位控制等高精度控制場(chǎng)合。盡管如此，由于永磁無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，不受機(jī)械換向限制，調(diào)速性能好的特點(diǎn)，而且，近年來隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，MCU、 DSP、FPGA得到了廣泛應(yīng)用，特別是FPGA的出現(xiàn)，它體積小，容量大，能最大限度的集成外圍邏輯，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，可以提高系統(tǒng)的整體可靠性和控制精度，性能越來越好，容量越來越大，成本越來越低，因此將FPGA應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的控制中，將永磁無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，基于永磁無刷直流電機(jī)的無刷伺服控制系統(tǒng)在小型自動(dòng)化設(shè)備或低成本應(yīng)用領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述永磁無刷直流電機(jī)，提供了一種以永磁無刷直流電機(jī)為控制對(duì)象的伺服
系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置和采用該驅(qū)動(dòng)裝置的無刷伺服控制系統(tǒng)，其以FPGA為核心控制單元，實(shí)現(xiàn)了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個(gè)閉環(huán)控制，能夠達(dá)到交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性能，可以應(yīng)用在轉(zhuǎn)矩、速度、位置等高精度、高性能要求的控制場(chǎng)合，同時(shí)生產(chǎn)成本又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于交流伺服系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
一種永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，包括控制單元、接口單元、驅(qū)動(dòng)單元，控制單元通過接口單元與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述控制單元采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，其特征是所述FPGA為電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)由里到外環(huán)環(huán)相扣的二階系統(tǒng)；
所述FPGA中形成電流閉環(huán)的模塊包括依次串聯(lián)聯(lián)接的2/3矢量轉(zhuǎn)換模塊、電流閉環(huán)控制模塊、PWM電流控制模塊和柵極驅(qū)動(dòng)邏輯電流檢測(cè)反饋信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后向FPGA輸入兩路電流信號(hào)，經(jīng)2/3矢量轉(zhuǎn)換模塊生成三路電流反饋信號(hào)，作為電流閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端，速度閉環(huán)控制模塊的輸出信號(hào)作為電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端，做比較后作為電流閉環(huán)控制模塊的輸入，由電流閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)進(jìn)入PWM電流控制模塊，P畫電流控制模塊的輸出信號(hào)進(jìn)入柵極驅(qū)動(dòng)邏輯后，輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
所述FPGA中形成速度閉環(huán)的模塊包括換相邏輯處理模塊、倍頻鑒相模塊、頻率采集模塊、速度閉環(huán)控制模塊換相邏輯處理模塊的輸入端輸入磁極檢測(cè)反饋信號(hào)，輸出端接速度閉環(huán)控制模塊，用作速度閉環(huán)矢量控制變換的依據(jù)；倍頻鑒相模塊的輸入端輸入位置檢測(cè)反饋信號(hào)，用于檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)為提高頻率采集模塊的檢測(cè)精度，該模塊對(duì)位置檢測(cè)反饋信號(hào)做四倍頻處理后，其一輸出端接頻率采集模塊，由頻率采集模塊最終產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字信號(hào)作為速度閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端；速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端為位置閉環(huán)控制模塊的輸出端，做比較后作為速度閉環(huán)控制模塊的輸入，由速度閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端。
所述FPGA中形成位置閉環(huán)的模塊包括位置反饋計(jì)數(shù)模塊、位置指令計(jì)數(shù)模塊和位置閉環(huán)控制模塊位置反饋計(jì)數(shù)模塊的輸入端接倍頻鑒相模塊的另一輸出端，此模塊實(shí)時(shí)記錄電機(jī)增量角度，所產(chǎn)生的結(jié)果即為位置閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端；位置指令輸入位置指令計(jì)數(shù)模塊的輸入端，通過位置指令計(jì)數(shù)模塊轉(zhuǎn)換后作為位置閉環(huán)控制模塊的指令輸入端，做比較后作為位置閉環(huán)控制模塊的輸入，由位置閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端。
所述速度閉環(huán)控制模塊的算法采用PD控制與PID控制分離的控制算法，在PID控制的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)讀取電流閉環(huán)偏差值以及位置閉環(huán)偏差值，在控制上設(shè)定兩個(gè)閾值電流偏差閾值和位置偏差閾值，此閾值由實(shí)驗(yàn)得出；當(dāng)電流閉環(huán)偏差值大于設(shè)定的電流偏差閾值或位置閉環(huán)偏差值大于設(shè)定的位置偏差閾值時(shí)，采用PD算法，當(dāng)電流閉環(huán)偏差值小于等于設(shè)定的電流偏差閾值或位置閉環(huán)偏差值小于等于設(shè)定的位置偏差閾值時(shí)，采用PID算法；所述位置閉環(huán)偏差值為位置反饋計(jì)數(shù)值與位置指令計(jì)數(shù)值之間的偏差，所述電流閉環(huán)偏差值為任意一相的電流檢測(cè)信號(hào)值的某一時(shí)刻與下一時(shí)刻的偏差，某一時(shí)刻與下一時(shí)刻的時(shí)間間隔由系統(tǒng)時(shí)鐘決定。
位置指令計(jì)數(shù)模塊通過査表正弦波ROM輸出純正弦波位置指令，所述位置指令計(jì)數(shù)模塊同時(shí)通過查表三角波ROM輸出三角波位置指令，二者相疊加為"混合式正弦波"位置指令，作為速度閉環(huán)控制模塊的補(bǔ)償輸入。
所述位置閉環(huán)控制模塊的運(yùn)算采用P控制算法，所述電流閉環(huán)控制模塊的運(yùn)算采用PID控制算法。
所述FPGA包括參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊，并具有與上位機(jī)通信的通信接口，參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊與該通信接口連接，所述參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊設(shè)有參數(shù)設(shè)定和模式選擇指令，用于選擇和控制各閉環(huán)的啟動(dòng)和運(yùn)行參數(shù)。
所述FPGA還包括復(fù)位自檢模塊、故障處理模塊和死區(qū)時(shí)間控制模塊，三個(gè)模塊的輸出端分別與柵極驅(qū)動(dòng)邏輯的輸入端相連。
所述FPGA與上位機(jī)的通信接口為SPI和/或RS232和/或RS422。
所述接口單元采用光藕隔離電路，驅(qū)動(dòng)單元包括開關(guān)電源單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元兩部分，開關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元由濾波回路、能耗制動(dòng)回路、逆變回路及保護(hù)電路組成，濾波回路輸入端接直流電源，輸出端并聯(lián)能耗制動(dòng)回路，所述能耗制動(dòng)回路為一個(gè)限流電阻和一個(gè)二極管并聯(lián)后再串接一個(gè)功率開關(guān)管，能耗制動(dòng)回路輸出端再并聯(lián)連接由六個(gè)功率開關(guān)管和六個(gè)二極管組成的三相橋式逆變回路，所述保護(hù)電路為逆變回路的每相輸出上串接一個(gè)限流電阻和一個(gè)二極管。
采用上述驅(qū)動(dòng)裝置的無刷伺服控制系統(tǒng)，其特征是包括所述永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置以及安裝于永磁無刷直流伺服電機(jī)上的反饋元件，所述反饋元件為安裝于電機(jī)凹槽上的電流型霍爾元件和分立的開關(guān)型霍爾元件，所述FPGA從安裝于永磁無刷直流伺服電機(jī)上的電流型霍爾元件直接獲取電流檢測(cè)反饋信號(hào)，從安裝于永磁無刷直流伺服電機(jī)上的分立的開關(guān)型霍爾元件直接獲取磁極檢測(cè)反饋信號(hào)。
所述反饋元件還包括與電機(jī)同軸安裝的增量式編碼器，所述FPGA從增量式編碼器獲取位置檢測(cè)反饋信號(hào)。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置及采用該驅(qū)動(dòng)裝置的無刷伺服控制系統(tǒng)，在降低制造成本的前提下，同時(shí)保證和提高了系統(tǒng)的控制精度，尤其適用于小型自動(dòng)化設(shè)備或低成本應(yīng)用領(lǐng)域。具體體現(xiàn)在
1. 本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置的控制單元采用目前最先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，集成度高，
功耗低，運(yùn)算實(shí)時(shí)性好，在其設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)圍繞電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)的三環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)以及它們的整體配合，可以實(shí)現(xiàn)力矩、速度及位置的三種控制模式，不僅可用于
簡(jiǎn)單的調(diào)速場(chǎng)合，而且可應(yīng)用于高精度的定位控制場(chǎng)合；具體地，F(xiàn)PGA為電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)由里到外環(huán)環(huán)相扣的二階系統(tǒng)位置閉環(huán)的指令輸入即為控制指令，所述控制指令為脈沖串指令或數(shù)據(jù)指令，反饋輸入即為電機(jī)角度增量值，兩者相比較后，輸入到位置閉環(huán)控制模塊經(jīng)運(yùn)算后作為速度閉環(huán)的指令輸入，速度閉環(huán)的反饋輸入即為頻率采集模塊輸出的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移的速度值，二者相比較后輸入速度閉環(huán)控制模塊經(jīng)運(yùn)算后作為電流閉環(huán)的指令輸入，電流閉環(huán)的反饋輸入即為電機(jī)相電流值，二者相比較后輸入電流閉環(huán)控制模塊，電流閉環(huán)的輸出經(jīng)矢量變換后與三角載波比較，形成占空比變化的六路PWM基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終驅(qū)動(dòng)逆變器帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。進(jìn)一歩，還可以通過FPGA中的參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊，控制三個(gè)閉環(huán)具有三種工作模式，當(dāng)選擇力矩控制模式時(shí)，電流環(huán)工作；選擇速度控制模式時(shí)，電流環(huán)和速度環(huán)工作；選擇定位控制模式時(shí)，三個(gè)閉環(huán)全部工作。
2. 系統(tǒng)的控制單元從安裝于電機(jī)凹槽上的電流型霍爾元件和分立的開關(guān)型霍爾元件直接獲取電流檢測(cè)反饋信號(hào)和磁極檢測(cè)反饋信號(hào)，區(qū)別于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)采樣方法，傳統(tǒng)的交流伺服系統(tǒng)的電流采樣通過是通過檢測(cè)串在繞組中的采樣電阻上的分壓來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的電流采樣方法優(yōu)點(diǎn)在于傳感器與電機(jī)繞組非接觸，避免了對(duì)電機(jī)繞組電特性的影響；同時(shí)傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)采用價(jià)格昂貴的帶U、 V、 W信號(hào)的增量式光電編碼器獲取磁極檢測(cè)反饋信號(hào)和位置檢測(cè)反饋信號(hào)，本發(fā)明采用分立的開關(guān)型霍爾元件直接獲取磁極檢測(cè)反饋信號(hào)，而采用普通的增量式編碼器獲取位置檢測(cè)反饋信號(hào)，因此既保證了信號(hào)采樣精度又降低了成本。
83. 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度，保證系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速下輸出力矩恒定，本發(fā)明在速度閉環(huán)的輸入端，在傳統(tǒng)的正弦波PWM控制的基礎(chǔ)上，疊加了一個(gè)與正弦波等周期的三角波，使得正弦波波峰與波谷上產(chǎn)生高于其振幅的尖峰，這又可稱之為恒轉(zhuǎn)矩控制。因?yàn)樵趯?shí)際使用中，可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)在接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，力矩輸出會(huì)變低，這種情況產(chǎn)生的原因是電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)每相勵(lì)磁時(shí)間縮短，電機(jī)繞組中的感抗，阻止了電流的正常流過，降低了勵(lì)磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而使得電機(jī)輸出力矩變小。針對(duì)這種缺陷，本發(fā)明采用三角波補(bǔ)償正弦波后，電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，自動(dòng)提高勵(lì)磁電流值，以彌補(bǔ)感抗帶來的電流衰減，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)真正恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。
4、 伺服控制系統(tǒng)除硬件平臺(tái)外，還需要有控制算法，控制算法是決定伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，無刷伺服系統(tǒng)的控制對(duì)象為無刷直流電機(jī)，而無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型不是簡(jiǎn)單的線性模型，而具有非線性、時(shí)變、耦合等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)的基于對(duì)象模型的控制方法難以進(jìn)行有效的控制。伺服系統(tǒng)的常規(guī)控制算法普遍是以PID控制為基礎(chǔ)，在PID控制中，積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。但是如果在系統(tǒng)誤差較大的初始階段就引入積分環(huán)節(jié)，會(huì)造成PID的積分累積，從而引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。本發(fā)明針對(duì)PID控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種PD控制與PID控制分離的控制方法，即當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時(shí)，采用P13控制，消除積分環(huán)節(jié)，避免由于積分累積引起系統(tǒng)較大的動(dòng)態(tài)誤差，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入誤差較小的整定階段時(shí)，再引入積分環(huán)節(jié)，以快速消除靜態(tài)誤差，提高控制精度。實(shí)驗(yàn)表明，采用這種控制可有效避免電機(jī)低速運(yùn)行出現(xiàn)的爬行、抖動(dòng)現(xiàn)象，高速運(yùn)行容易出現(xiàn)震蕩的缺點(diǎn)，使得無刷伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性得到了更好的表現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的控制精度。


圖1為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)裝置控制單元FPGA的原理框圖。圖2為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)不意圖。圖3為本發(fā)明三角波補(bǔ)償正弦波的波形示意圖。圖4為本發(fā)明的無刷伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)裝置控制單元采用的FPGA的工作原理框圖。所述FPGA為電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)由里到外環(huán)環(huán)相扣的二階系統(tǒng)，三個(gè)閉環(huán)由下述模塊實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)模塊包括依次串聯(lián)聯(lián)接的2/3矢量轉(zhuǎn)換模塊、電流閉環(huán)控制模塊、PWM電流控制模塊和柵極驅(qū)動(dòng)邏輯電流檢測(cè)反饋信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后向FPGA輸入兩路電流信號(hào)FBU-I與FBV-1，首先進(jìn)入2/3矢量轉(zhuǎn)換模塊生成三路電流反饋信號(hào)，該電流反饋信號(hào)作為電流閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端，電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端是速度閉環(huán)模塊中的速度閉環(huán)控制模塊的輸出信號(hào)，兩者做比較后輸入電流閉環(huán)控制模塊，經(jīng)P控制運(yùn)算后，電流閉環(huán)控制模塊輸出信號(hào)與三角波(載波，區(qū)別于上述三角波位置指令)比較后進(jìn)入P觀電流控制模塊，PWM電流控制模塊的輸出信號(hào)進(jìn)入柵極驅(qū)動(dòng)邏輯后，輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。FPGA具有參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊，參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊設(shè)有參數(shù)設(shè)定和模式選擇指令，用于選擇和控制各閉環(huán)的啟動(dòng)和運(yùn)行參數(shù)。這里的電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端還可以通過參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊輸入外部指令信號(hào)，當(dāng)只選擇力矩控制模式時(shí)，可以通過該模塊控制速度環(huán)和位置環(huán)不工作。
速度閉環(huán)模塊包括換相邏輯處理模塊、倍頻鑒相模塊、頻率采集模塊、速度閉環(huán)控制模塊換相邏輯處理模塊的輸入端輸入磁極檢測(cè)反饋信號(hào)FBU/FBV/FBW，輸出端接速度閉環(huán)控制模塊，用作速度閉環(huán)矢量控制變換的依據(jù)；倍頻鑒相模塊的輸入端輸入位置檢測(cè)反饋信號(hào)ENA/ENB，用于檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)為提高頻率采集模塊的的檢測(cè)精度，該模塊對(duì)位置檢測(cè)信號(hào)做4倍頻處理后，其中一個(gè)輸出端接頻率采集模塊，由頻率采集模塊最終產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字信號(hào)作為速度閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端；速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端為位置閉環(huán)控制模塊的輸出端，它是反映電機(jī)角度誤差的12位數(shù)字信號(hào)，兩者做比較后作為速度閉環(huán)控制模塊的輸入，由速度閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端。這里的速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端還可以通過參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊輸入外部指令信號(hào)，當(dāng)選擇速度控制模式時(shí)，通過參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊控制位置環(huán)不工作。
位置閉環(huán)模塊包括位置指令計(jì)數(shù)模塊、位置反饋計(jì)數(shù)模塊、位置閉環(huán)控制模塊位置反饋計(jì)數(shù)模塊的輸入端接倍頻鑒相模塊的另一輸出端，此模塊實(shí)時(shí)記錄電機(jī)增量角度，所產(chǎn)生的結(jié)果即為位置閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端；位置指令輸入位置指令計(jì)數(shù)模塊的輸入端，通過位置指令計(jì)數(shù)模塊轉(zhuǎn)換后作為位置閉環(huán)控制模塊的指令輸入端，兩者做比較后作為位置閉環(huán)控制模塊的輸入，由位置閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端；兩路正交的位置檢測(cè)反饋信號(hào)ENA、 ENB經(jīng)倍頻鑒相模塊還進(jìn)入位置反饋計(jì)數(shù)模塊，輸出位置反饋信號(hào)，外部輸入的位置指令經(jīng)位置指令計(jì)數(shù)模塊輸出位置指令信號(hào)，位置反饋信號(hào)和位置指令信號(hào)做比較后作為位置閉環(huán)控制模塊的輸入，由位置閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端。當(dāng)選擇參數(shù)設(shè)定/模式
選擇模塊的定位控制模式時(shí)，三個(gè)控制環(huán)全部工作。
在上述速度閉環(huán)控制模塊的算法上采用PD控制與PID控制分離的控制算法。傳統(tǒng)意義上的速度環(huán)PID算法在參數(shù)自整定以及電機(jī)運(yùn)行遇突變負(fù)載都有很大的局限性，主要原因是參數(shù)一次調(diào)整后固化，在時(shí)變性較快場(chǎng)合難以滿足要求。PD控制與PID控制分離的控制算法是在PID控制的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)讀取電流閉環(huán)偏差值以及位置閉環(huán)偏差值，在控制上設(shè)定兩個(gè)閾值電流偏差閾值和位置偏差閾值，此閾值由實(shí)驗(yàn)得出；當(dāng)電流閉環(huán)偏差值大于設(shè)定的電流偏差閾值或位置閉環(huán)偏差值大于設(shè)定的位置偏差閾值時(shí)，采用PD算法，當(dāng)電流閉環(huán)偏差值小于等于設(shè)定的電流偏差閾值或位置閉環(huán)偏差值小于等于設(shè)定的位置偏差閾值時(shí)，采用PID算法；所述位置閉環(huán)偏差值為位置反饋計(jì)數(shù)值與位置指令計(jì)數(shù)值之間的偏差，所述電流閉環(huán)偏差值為任意一相的電流檢測(cè)信號(hào)值的某一時(shí)刻與下一時(shí)刻的偏差，某一時(shí)刻與下一時(shí)刻的時(shí)間間隔由系統(tǒng)時(shí)鐘決定。
分離式PID控制的傳遞函數(shù)可表示為
式中u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出量；Kp， Ki， Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；e(K)為當(dāng)前時(shí)刻位置反饋計(jì)數(shù)值與位置指令計(jì)數(shù)值之差或任意一相的當(dāng)前時(shí)刻電流檢測(cè)信號(hào)值的與下一時(shí)鐘時(shí)刻電流檢測(cè)信號(hào)值之差；e(k-l)為上次采樣時(shí)刻位置反饋計(jì)數(shù)值與位置指令計(jì)數(shù)值之差或任意一相的上次采樣時(shí)刻電流檢測(cè)信號(hào)值的與下一時(shí)鐘時(shí)刻電流檢測(cè)信號(hào)值之差
a為積分分量的開關(guān)系數(shù)，條件為-
f ; fl=0，采用PD控制；
a=l，采用PID控制
s為設(shè)定的電流偏差閾值或位置偏差閾值，由實(shí)驗(yàn)得出。位置閉環(huán)控制系統(tǒng)采用P控制算法，電流閉環(huán)控制系統(tǒng)采用PID控制算法。
如圖3所示，為提高電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩與高速運(yùn)轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，本發(fā)明采用三角波(位置指令，區(qū)別于載波)補(bǔ)償正弦波的"混合式正弦波"控制方法。位置指令計(jì)數(shù)模塊通過查表正弦波ROM輸出純正弦波位置指令，該計(jì)數(shù)模塊同時(shí)通過查表三角波ROM輸出三角波位置指令，二者相疊加，即為"混合式正弦波"位置指令，作為速度閉環(huán)控制模塊的補(bǔ)償輸入。
參見圖2為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。包括控制單元、接口單元、驅(qū)動(dòng)單元，控制單元通過接口單元與驅(qū)動(dòng)單元連接，控制單元為上述永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的FPGA芯片，接口單元為光藕隔離電路。驅(qū)動(dòng)單元包括開關(guān)電源單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元兩部分，開關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元由濾波回路DOAC逆變回路、能耗制動(dòng)回路及保護(hù)電路組成，由C1、 C2、 R2組成的濾波回路的輸入端接直流電DC+、 DC-，輸出端并聯(lián)能耗制動(dòng)回路，能耗制動(dòng)回路為一個(gè)限流電阻R1和一個(gè)二極管并聯(lián)后再串接一個(gè)功率開關(guān)管，能耗制動(dòng)回路兩端并聯(lián)連接由六個(gè)功率開關(guān)管和六個(gè)二極管組成的三相橋式逆變回路，每相輸出上串接-一個(gè)開關(guān)K、 一個(gè)限流電阻R3和一個(gè)二極管作為保護(hù)電路。
參見圖4為本發(fā)明的無刷伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括上述永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，M為永磁無刷直流電機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)單元連接伺服永磁無刷直流電機(jī)M，本實(shí)施例的永磁無刷直流電機(jī)的定子相對(duì)于轉(zhuǎn)子的側(cè)壁上具有凹槽，電流檢測(cè)元件和磁極檢測(cè)元件兩種反饋單元分別分離安裝于電機(jī)凹槽內(nèi)，位置檢測(cè)元件與電機(jī)同軸安裝；本實(shí)施例電流檢測(cè)元件為電流型霍爾元件HALL1，磁極檢測(cè)元件為分立的開關(guān)型霍爾元件HALL2，位置檢測(cè)元件為增量式編碼器PG。 FPGA從安裝于永磁無刷直流伺服電機(jī)上的電流型HALL1直接獲取電流檢測(cè)反饋信號(hào)，從安裝于永磁無刷直流電機(jī)上的分立的開關(guān)型HALL2直接獲取磁極檢測(cè)反饋信號(hào)，從與電機(jī)同軸安裝的增量式編碼器PG上獲取位置檢測(cè)反饋信號(hào)。
應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造己進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，包括控制單元、接口單元、驅(qū)動(dòng)單元，控制單元通過接口單元與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述控制單元采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，其特征是所述FPGA為電流閉環(huán)、速度閉環(huán)、位置閉環(huán)由里到外環(huán)環(huán)相扣的二階系統(tǒng)；所述FPGA中形成電流閉環(huán)的模塊包括依次串聯(lián)聯(lián)接的2/3矢量轉(zhuǎn)換模塊、電流閉環(huán)控制模塊、PWM電流控制模塊和柵極驅(qū)動(dòng)邏輯電流檢測(cè)反饋信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后向FPGA輸入兩路電流信號(hào)，經(jīng)2/3矢量轉(zhuǎn)換模塊生成三路電流反饋信號(hào)，作為電流閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端，速度閉環(huán)控制模塊的輸出信號(hào)作為電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端，做比較后作為電流閉環(huán)控制模塊的輸入，由電流閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)進(jìn)入PWM電流控制模塊，PWM電流控制模塊的輸出信號(hào)進(jìn)入柵極驅(qū)動(dòng)邏輯后，輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)；所述FPGA中形成速度閉環(huán)的模塊包括換相邏輯處理模塊、倍頻鑒相模塊、頻率采集模塊、速度閉環(huán)控制模塊換相邏輯處理模塊的輸入端輸入磁極檢測(cè)反饋信號(hào)，輸出端接速度閉環(huán)控制模塊，用作速度閉環(huán)矢量控制變換的依據(jù)；倍頻鑒相模塊的輸入端輸入位置檢測(cè)反饋信號(hào)，用于檢測(cè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)為提高頻率采集模塊的檢測(cè)精度，該模塊對(duì)位置檢測(cè)反饋信號(hào)做四倍頻處理后，其一輸出端接頻率采集模塊，由頻率采集模塊最終產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的數(shù)字信號(hào)作為速度閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端；速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端為位置閉環(huán)控制模塊的輸出端，做比較后作為速度閉環(huán)控制模塊的輸入，由速度閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為電流閉環(huán)控制模塊的指令輸入端。所述FPGA中形成位置閉環(huán)的模塊包括位置反饋計(jì)數(shù)模塊、位置指令計(jì)數(shù)模塊和位置閉環(huán)控制模塊位置反饋計(jì)數(shù)模塊的輸入端接倍頻鑒相模塊的另一輸出端，此模塊實(shí)時(shí)記錄電機(jī)增量角度，所產(chǎn)生的結(jié)果即為位置閉環(huán)控制模塊的反饋輸入端；位置指令輸入位置指令計(jì)數(shù)模塊的輸入端，通過位置指令計(jì)數(shù)模塊轉(zhuǎn)換后作為位置閉環(huán)控制模塊的指令輸入端，做比較后作為位置閉環(huán)控制模塊的輸入，由位置閉環(huán)控制模塊運(yùn)算生成的輸出信號(hào)即為速度閉環(huán)控制模塊的指令輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是所述速度閉環(huán)控制 模塊的算法采用PD控制與PID控制分離的控制算法，在PID控制的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)讀取電流 閉環(huán)偏差值以及位置閉環(huán)偏差值，在控制上設(shè)定兩個(gè)閾值電流偏差閾值和位置偏差閾值， 此閾值由實(shí)驗(yàn)得出；當(dāng)電流閉環(huán)偏差值大于設(shè)定的電流偏差閾值或位置閉環(huán)偏差值大于設(shè)定 的位置偏差閾值時(shí)，采用PD算法，當(dāng)電流閉環(huán)偏差值小于等于設(shè)定的電流偏差閾值或位置 閉環(huán)偏差值小于等于設(shè)定的位置偏差閾值時(shí)，采用PID算法；所述位置閉環(huán)偏差值為位置反饋計(jì)數(shù)值與位置指令計(jì)數(shù)值之間的偏差，所述電流閉環(huán)偏差值為任意一相的電流檢測(cè)信號(hào)值 的某一時(shí)刻與下一時(shí)刻的偏差，某一時(shí)刻與下一時(shí)刻的時(shí)間間隔由系統(tǒng)時(shí)鐘決定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是位置指令計(jì)數(shù) 模塊通過查表正弦波ROM輸出純正弦波位置指令，所述位置指令計(jì)數(shù)模塊同時(shí)通過查表三 角波ROM輸出三角波位置指令，二者相疊加為"混合式正弦波"位置指令，作為速度閉環(huán) 控制模塊的補(bǔ)償輸入。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是所述位置閉環(huán)控制 模塊的運(yùn)算采用P控制算法，所述電流閉環(huán)控制模塊的運(yùn)算采用PID控制算法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是所述FPGA包括參 數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊，并具有與上位機(jī)通信的通信接口，參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊與該通 信接口連接，所述參數(shù)設(shè)定/模式選擇模塊設(shè)有參數(shù)設(shè)定和模式選擇指令，用于選擇和控制 各閉環(huán)的啟動(dòng)和運(yùn)行參數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是所述FPGA還包括 復(fù)位自檢模塊、故障處理模塊和死區(qū)時(shí)間控制模塊，三個(gè)模塊的輸出端分別與柵極驅(qū)動(dòng)邏 輯的輸入端相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是所述FPGA與上位 機(jī)的通信接口為SPI和/或RS232和/或RS422。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是所述接口單元采用 光藕隔離電路，驅(qū)動(dòng)單元包括開關(guān)電源單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元兩部分，開關(guān)電源單元為整個(gè) 系統(tǒng)提供電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元由濾波回路、能耗制動(dòng)回路、逆變回路及保護(hù)電路組成，濾 波回路輸入端接直流電源，輸出端并聯(lián)能耗制動(dòng)回路，所述能耗制動(dòng)回路為一個(gè)限流電阻 和一個(gè)二極管并聯(lián)后再串接一個(gè)功率開關(guān)管，能耗制動(dòng)回路輸出端再并聯(lián)連接由六個(gè)功率 開關(guān)管和六個(gè)二極管組成的三相橋式逆變回路，所述保護(hù)電路為逆變回路的每相輸出上串 接一個(gè)限流電阻和一個(gè)二極管。
9. 采用權(quán)利要求l一8之一所述驅(qū)動(dòng)裝置的無刷伺服控制系統(tǒng)，其特征是包括所述永磁無 刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置以及安裝于永磁無刷直流伺服電機(jī)上的反饋元件，所述反饋元 件為安裝于電機(jī)凹槽上的電流型霍爾元件和分立的開關(guān)型霍爾元件，所述FPGA從安裝于永 磁無刷直流伺服電機(jī)上的電流型霍爾元件直接獲取電流檢測(cè)反饋信號(hào)，從安裝于永磁無刷 直流伺服電機(jī)上的分立的開關(guān)型霍爾元件直接獲取磁極檢測(cè)反饋信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的無刷伺服控制系統(tǒng)，其特征是所述反饋元件還包括與電機(jī)同軸 安裝的增量式編碼器，所述FPGA從增量式編碼器獲取位置檢測(cè)反饋信號(hào)。
專利摘要一種永磁無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，包括控制單元、接口單元、驅(qū)動(dòng)單元，控制單元通過接口單元與驅(qū)動(dòng)單元連接，所述控制單元采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA，集成度高，功耗低，運(yùn)算實(shí)時(shí)性好，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)圍繞電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制以及它們的整體配合，可以實(shí)現(xiàn)力矩、速度及定位的三種控制模式，不僅可用于簡(jiǎn)單的調(diào)速場(chǎng)合，而且可應(yīng)用于高精度的定位控制場(chǎng)合；采用上述驅(qū)動(dòng)裝置的無刷伺服控制系統(tǒng)，從安裝于永磁無刷直流電機(jī)上的反饋元件直接獲取電流檢測(cè)反饋信號(hào)和磁極檢測(cè)反饋信號(hào)，區(qū)別于傳統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)采樣方法，既保證了信號(hào)采樣精度又降低了成本。
文檔編號(hào)H02P6/08GK201403064SQ20092010579
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者琛 徐, 趙衛(wèi)忠 申請(qǐng)人:常州合泰微特電機(jī)有限公司