[發明專利]單路/多路伺服電機的高速矢量控制方法及裝置

在審

• 申請號: 201710439678.3
• 申請日: 2017-06-12
• 公開（公告）號: CN107294446A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 張敬良;王寶磊;賈慶偉
• 申請（專利權）人: 寧波韋爾德斯凱勒智能科技有限公司
• 主分類號: H02P21/00
• 分類號: H02P21/00
• 代理公司: 寧波浙成知識產權代理事務所(特殊普通合伙)33268
• 代理人: 王明超,洪松

技術領域

本發明涉及伺服驅動控制領域，特別是涉及一種基于FPGA實現單路/多路伺服電機的高速矢量控制方法及裝置。

背景技術

工業機器人控制器的核心在于伺服電機的實時運動控制，而伺服電機驅動與運動控制核心是高性能的電流環矢量控制器。在工業機器人和數控機床的運動控制器中，往往需要實現多路電流環的高速實現。

目前國內大多數機器人控制器對各路伺服電機采用獨立的伺服驅動，有獨立的電流環矢量控制。華中科技大學伍慶學位論文《基于FPGA的交流伺服系統電流環設計》提出一種基于流水線結構的多軸同步電機電流環控制時序調度方案，在固有運算資源的基礎上縮短多軸電流環控制運算時間，技術組成包括時序規劃模塊、矢量變換模塊、電流調節器模塊、空間矢量PWM模塊、電流傳感器接口模塊、編碼器反饋信號處理模塊等。

然而上述技術的缺點在于：①隨著控制伺服電機數量的增多，系統控制的實時性就會快速降低，原因在于該技術中的關鍵流水線結構實現稍顯復雜，所有模塊都是復用的，并沒有最優的充分利用FPGA資源，這樣隨著控制伺服電機數量的增多，流水線處理周期就會隨之快速增長，降低系統的實時性；②另外，上述技術的容錯性、穩定性有待提高，主要是因為在其實技術實現上，采用的是簡單循環處理機制，為增進處理速度，裁掉了相應的異常處理機制。

發明內容

為克服上述現有技術存在的不足，本發明之目的在于提供一種單路/多路伺服電機的高速矢量控制方法及裝置，通過基于FPGA的硬件電流環控制提高傳統基于DSP純軟件電流環的實時性限制，本發明通過核心計算單元的FPGA高速并行實現和FPGA資源緊張模塊的分時復用機制的系統綜合設計提高矢量控制的實時性、縮短多路伺服電機實時控制的整體周期，通過狀態機機制設計在保證控制頻率最優的同時加入異常處理機制，增進了系統的穩定性和可靠性，從而實現真正的驅控一體，既能提高控制性能，又能有效節省硬件成本。

為達上述及其它目的，本發明提出一種單路伺服電機的高速矢量控制方法，包括如下步驟：

步驟一，設計四個獨立并行運算的專用乘法器和兩個獨立的并行加法器實現共享的基本快速運算單元；

步驟二，利用該基本快速運算單元對分別對該伺服電機的矢量控制算法的各步驟進行歸一化處理。

步驟三，設計單路電機伺服矢量控制狀態時序控制基本快速運算單元完成單路電機矢量控制。

進一步地，于步驟一中，設計四個獨立乘法器和兩個加法器實現如下兩個共享的基本快速運算單元：

y₁＝c₁×x₁+c₂×x₂

y₂＝c₃×x₃+c₄×x₄，

其中，C和X為由多路選擇器在不同的狀態時選擇對應的量。

進一步地，于步驟二中，利用狀態機在控制節拍時鐘的觸發下，根據實際FPGA器件完成矢量控制算法的各步驟所需時間提供該矢量控制算法各步驟相應的狀態量以控制該基本快速運算單元，進而實現分別對矢量控制算法的各步驟的歸一化處理。

為達到上述目的，本發明還提供一種單路伺服電機的高速矢量控制裝置，包括：

乘加計算核心單元，用于設計四個獨立乘法器和兩個加法器以實現共享的基本快速運算單元；

第一狀態機，在控制節拍時鐘的觸發下，根據實際FPGA器件完成矢量控制運算模塊的每個運算步驟所需的時間給出矢量控制運算模塊的各步驟對應的狀態量，以控制該乘加計算核心單元的輸入選擇和輸出的存儲；

參數選擇單元，連接于該矢量控制運算模塊與該乘加計算核心單元，以在該第一狀態機輸出的狀態量的控制下選擇矢量控制運算模塊各步驟所需的參數。

進一步地，該控制裝置還包括中間變量存儲單元，用于對該乘加計算核心單元的輸出進行存儲并輸出至矢量控制運算模塊。

進一步地，該乘加計算核心單元設計四個獨立乘法器和兩個加法器實現如下兩個共享的基本快速運算單元：

y₁＝c₁×x₁+c₂×x₂

y₂＝c₃×x₃+c₄×x₄，

其中，C和X為由多路選擇器在不同的狀態時選擇對應的量。