一种基于FPGA的直线电机运输系统的控制器的制作方法

一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器
技术领域
1.本公开涉及运输领域，尤其涉及一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器。


背景技术：

2.随着人类生产需求的不断变化以及社会发展的日新月异，对于机器零件的精度、耗能和生产效率等要求越来越高。传统的旋转电机加滚珠丝杠或者齿轮产生直线传输的方式不可避免地存在机械摩擦大、结构复杂、传送效率低、动态性能差和控制精度受限等问题，而直线电机的特点是可以直接产生直线运动，不需要任何中间传动装置，可以将电能直接转换成机械能，可以极大地简化系统结构，降低传动损耗。直线电机传输系统可提供更宽范围的加速度以及更宽范围的运行速度，此外，它还有运行平稳、精度和重复精度高等特点。它能够很好地解决传动效率和可靠性等问题，同时成本较低且易于维护。直线电机具有较高的效率和功率因数，近些年来，随着永磁材料的飞速发展，永磁直线同步电机已经成为电机研究领域的热点之一，特别是在高性能永磁材料钕铁硼(ndfeb)出现后，永磁直线同步电机因其损耗小、力能指标高和响应速度快等特点，使其与其它高速精密系统相比，具有很大的优越性。
3.现阶段直线电机控制领域采用的主流控制器是微控制器(mcu)和高性能数字信号处理器(dsp)，mcu具有集成度高、体积小和可靠性好等优点；dsp具有高处理速度、强大计算能力、大存储、丰富外设资源和高效编译环境等优点，但是随着各行业的发展，以mcu或dsp为中心的电机控制系统已远不能满足实际应用需求。对于mcu而言，基于mcu的电机控制受其内部体系结构和计算功能等条件限制，不能运用先进的控制理论完成高效的控制算法；而高性能dsp虽然在算法实现上具有优势，但外围电路复杂，且容易受到外界干扰。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器。
5.本公开提供了一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器，包括fpga模块、位置检测模块、电流检测模块和驱动模块，所述fpga模块分别与所述位置检测模块、所述电流检测模块和所述驱动模块连接；
6.所述位置检测模块用于检测动子的位置，得到包含动子位置信息的脉冲信号；
7.所述电流检测模块用于将直线电机的第一驱动电流反馈至所述fpga模块；
8.所述fpga模块用于根据期望位置、期望速度、所述脉冲信号和所述第一驱动电流生成驱动脉冲；
9.所述驱动模块用于根据所述驱动脉冲生成所述直线电机的第二驱动电流。
10.可选的，所述fpga模块包括位置和速度解算算法单元、通讯单元、位置和速度闭环控制算法单元、电流闭环控制算法单元和脉冲生成算法单元；
11.所述位置和速度解算算法单元用于根据所述脉冲信号解算出所述动子的实际位
置和实际速度，并将所述实际位置和所述实际速度传输至所述位置和速度闭环控制算法单元；
12.所述通讯单元用于接收上位机发送的所述期望位置和所述期望速度，并将所述期望位置和所述期望速度传输至所述位置和速度闭环控制算法单元；
13.所述位置和速度闭环控制算法单元用于根据所述期望位置、所述期望速度、所述实际位置和所述实际速度确定参考电流，并将所述参考电流传输至所述电流闭环控制算法单元；
14.所述电流闭环控制算法单元用于根据所述参考电流和所述第一驱动电流确定驱动调节电流，并将所述驱动调节电流传输至所述脉冲生成算法单元；
15.所述脉冲生成算法单元用于根据所述驱动调节电流生成所述驱动脉冲。
16.可选的，所述位置和速度解算算法单元包括位移累加器、计数器和所述位置和速度解算算法子单元；
17.所述位移累加器用于在接收到所述脉冲信号时对位移进行一次修正；
18.所述计数器用于对所述脉冲信号进行计数，得到脉冲信号计数值；
19.所述位置和速度解算算法子单元用于根据所述脉冲信号计数值解算出所述动子的实际位置和实际速度。
20.可选的，所述位置和速度闭环控制算法单元和/或所述电流闭环控制算法单元采用增量式pid控制算法。
21.可选的，所述位置和速度闭环控制算法单元和/或所述电流闭环控制算法单元包括减法器、乘法器和加法器。
22.可选的，所述脉冲生成算法单元包括分频器、计数器和比较器；
23.所述分频器用于改变系统的基频信号；
24.所述计数器用于计算所述基频信号的个数；
25.所述比较器用于将所述驱动调节电流与所述基频信号进行比较，生成所述驱动脉冲。
26.可选的，所述位置检测模块包括磁栅脉冲检测单元，用于检测包含所述动子位置信息的磁栅脉冲信号，其中，所述磁栅脉冲信号为所述脉冲信号。
27.可选的，所述位置检测模块还包括光栅脉冲检测单元，用于检测包含所述动子相对定子位置信息的光栅脉冲信号。
28.可选的，所述电流检测模块包括电流传感器、过流保护信号产生电路和电流传感器接口电路。
29.可选的，所述驱动模块包括驱动电路和三相逆变桥电路。
30.本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
31.本公开实施例采用的基于fpga的直线电机运输系统的控制器与传统的基于mcu或dsp的电机控制系统相比，首先，fpga具有更加强大的时序控制能力，控制精度非常高；其次，由于fpga的高集成度，省去了很多外围的器件和设备，如传统的方法生成pwm信号的电路复杂，但fpga利用自身资源丰富的特点，不需要复杂的外接电路，只利用其内部资源就能轻松的实现，并且减少了外部因素的干扰，节约了成本；最后，由硬件编程语言构建的fpga内部硬件电路，可节省大量的模拟器件，将原来的电路板级产品集成芯片级产品，从而降低
功耗，比dsp软件运行方式具有更高的可靠性，缩短系统的研发周期。
附图说明
32.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
33.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本公开实施例提供的一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器的结构框图；
35.图2为本公开实施例提供的一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器的具体结构示意图；
36.图3为本公开实施例提供的fpga模块的主要硬件功能模块示意图；
37.图4为本公开实施例提供的另一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器的具体结构示意图。
具体实施方式
38.为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
40.图1为本公开实施例提供的一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器的结构框图。该控制器可用于驱动多定子、多动子的直线电机，适用于低功耗、高级程度和高可靠性的自动控制运输系统。如图1所示，该控制器包括fpga模块11、位置检测模块12、电流检测模块13和驱动模块14，fpga模块11分别与位置检测模块12、电流检测模块13和驱动模块14连接。
41.其中，位置检测模块12用于检测动子的位置，得到包含动子位置信息的脉冲信号；电流检测模块13用于将直线电机的第一驱动电流反馈至fpga模块11；fpga模块11用于根据期望位置、期望速度、脉冲信号和第一驱动电流生成驱动脉冲；驱动模块14用于根据驱动脉冲生成直线电机的第二驱动电流。
42.随着电子设计自动化(eda)技术的不断发展和进步，使用单片fpga已经可以完全实现复杂的控制算法，fpga本身可以是数字电路载体，设计者可以根据实际需求进行数字电路自由设计，由硬件编程语言构建的fpga内部硬件电路，可节省大量的模拟器件，将原来的电路板级产品集成芯片级产品。相较于传统的mcu或者dsp，fpga所具有的灵活性、应用效能、控制能力、开发周期、可靠性和可维护性远高于mcu和dsp。因此，基于fpga的电机控制器被用来作为mcu和dsp的替代品。
43.在一些实施例中，fpga模块11包括硬件电路部分和基于硬件编程实现的控制算法
部分，硬件电路部分由fpga主控芯片、相应的电源配置电路、串口通讯电路和ad转换模块构成，在fpga主控芯片内基于硬件编程而实现的控制算法包括：位置和速度解算算法、位置和速度闭环控制算法、电流闭环控制算法和脉冲生成算法。如此，fpga模块11基于包含动子位置信息的脉冲信号，采用位置和速度解算算法解算出动子的实际位置和实际速度；采用串口通讯电路，接收上位机发送的动子的期望位置和期望速度；基于动子的期望位置、期望速度、实际位置和实际速度，采用位置和速度闭环控制算法计算出参考电流；基于参考电流和电流检测模块13反馈的第一驱动电流，采用电流闭环控制算法计算出驱动调节电流；基于驱动调节电流，采用脉冲生成算法生成驱动脉冲。之后，驱动模块14基于驱动脉冲生成直线电机驱动控制所需的驱动电流，从而完成对直线电机的控制。在一些实施例中，fpga主控芯片采用altra公司cycloneⅱ系列芯片，其型号为ep2c5t144c8，ad转换模块采用ad0809，驱动模块采用ti公司drv8305。
44.本公开实施例采用的基于fpga的直线电机运输系统的控制器与传统的基于mcu或dsp的电机控制系统相比，首先，fpga具有更加强大的时序控制能力，控制精度非常高；其次，由于fpga的高集成度，省去了很多外围的器件和设备，如传统的方法生成pwm信号的电路复杂，但fpga利用自身资源丰富的特点，不需要复杂的外接电路，只利用其内部资源就能轻松的实现，并且减少了外部因素的干扰，节约了成本；最后，由硬件编程语言构建的fpga内部硬件电路，可节省大量的模拟器件，将原来的电路板级产品集成芯片级产品，从而降低功耗，比dsp软件运行方式具有更高的可靠性，缩短系统的研发周期。
45.基于上述实施例，相应的，在一些实施例中，fpga模块包括位置和速度解算算法单元、通讯单元、位置和速度闭环控制算法单元、电流闭环控制算法单元和脉冲生成算法单元；其中，位置和速度解算算法单元执行位置和速度解算算法，位置和速度闭环控制算法单元执行位置和速度闭环控制算法，电流闭环控制算法单元执行电流闭环控制算法，脉冲生成算法单元执行脉冲生成算法，通讯单元可包括串口通讯电路。
46.示例性的，图2为本公开实施例提供的一种基于fpga的直线电机运输系统的控制器的具体结构示意图。如图2所示，fpga模块11包括位置和速度解算算法单元111、通讯单元112、位置和速度闭环控制算法单元113、电流闭环控制算法单元114和脉冲生成算法单元115。其中，位置和速度解算算法单元111用于根据脉冲信号解算出动子的实际位置和实际速度，并将实际位置和实际速度传输至位置和速度闭环控制算法单元113；通讯单元112用于接收上位机发送的期望位置和期望速度，并将期望位置和期望速度传输至位置和速度闭环控制算法单元113；位置和速度闭环控制算法单元113用于根据期望位置、期望速度、实际位置和实际速度确定参考电流，并将参考电流传输至电流闭环控制算法单元114；电流闭环控制算法单元114用于根据参考电流和第一驱动电流确定驱动调节电流，并将驱动调节电流传输至脉冲生成算法单元115；脉冲生成算法单元115用于根据驱动调节电流生成驱动脉冲。
47.具体的，由位置检测模块12检测含有动子位置信息的脉冲信号并传输到fpga模块11内的位置和速度解算算法单元111，从而得到动子的实际位置和实际速度，并将实际位置和实际速度作为位置和速度闭环控制算法单元113的反馈值，fpga模块11通过通讯单元112获得上位机设定的期望速度和期望位置，并将期望速度和期望位置作为位置和速度闭环控制算法单元113的参考值，位置和速度闭环控制算法单元113的将实际位置和实际速度，与
期望位置和期望速度作比较生成参考电流；同时电流检测模块13检测到直线电机的第一驱动电流，该电流检测的主要目的是为了检测电枢电流和过流保护，将检测到的第一驱动电流作为电流反馈值输入到电流闭环控制算法单元114，电流闭环控制算法单元114将第一驱动电流和参考电流作比较生成驱动调节电流，将输出的生成驱动调节电流作为脉冲生成算法单元115的输入，从而由脉冲生成算法单元115输出得到驱动脉冲，该驱动脉冲经驱动模块14后产生直线电机驱动控制所需的驱动电流。其中，驱动脉冲可以为pwm脉冲。
48.在一些实施例中，图3示出了fpga模块整体的主要硬件功能模块，如图3所示，在fpga模块中，位置和速度解算算法单元包括位移累加器、计数器和位置和速度解算算法子单元(基于硬件编程实现的控制算法，图中未示出)；位移累加器用于在接收到脉冲信号时对位移进行一次修正；计数器用于对脉冲信号进行计数，得到脉冲信号计数值；位置和速度解算算法子单元用于根据脉冲信号计数值解算出动子的实际位置和实际速度。
49.本公开实施例中，在直线电机的磁栅尺上每间隔2τ的间距，会有一个脉冲刻度，每当磁栅读数头经过脉冲刻度时，会产生一个磁栅脉冲信号，这样整个磁栅尺就被分成了若干距离相等的区间。每当位移累加器接收到磁栅脉冲信号时，就对位移做一次修正，使得在一个区间内产生的计数误差在区间终点处及时修正，消除各个区间的累计误差，提高了计数器的计数精度。在一个周期内，计数器对脉冲信号进行计数，得到脉冲信号计数值，位置和速度解算算法子单元通过脉冲信号计数值和原始偏差得到原始角度，然后给其乘以转化系数得到机械角度，再通过机械角度和电机极对数计算得到相应的电角度，根据解算出来的电角度进行计算得到动子的实际速度。
50.位置和速度闭环控制算法单元和/或电流闭环控制算法单元采用增量式pid控制算法。在增量式pid控制算法实现的过程中采用自顶向下的设计方法，在顶层将系统的模块进行如下划分：偏差模块、比例模块、微分模块、积分模块和求和输出模块。由增量式pid控制算法表达式分析可知，这些模块可以通过减法器、乘法器和加法器来实现。进一步的，参考图3，位置和速度闭环控制算法单元和/或电流闭环控制算法单元包括减法器、乘法器和加法器，从而实现位置、速度和电流的三闭环控制。
51.继续参考图3，脉冲生成算法单元包括分频器、计数器和比较器；分频器用于改变系统的基频信号，以适应不同器件的需求；计数器用于计算基频信号的个数；比较器用于将驱动调节电流与基频信号进行比较，生成驱动脉冲。
52.具体的，在脉冲生成算法单元中，通过计数器准确地计算基频信号的个数，从而产生不同占空比的pwm脉冲，pwm脉冲产生的基本方法是将控制指令信号与固定频率的三角波或锯齿波信号进行比较，当控制指令信号大于设定值时，输出高电平；当控制指令信号小于设定值时，输出低电平。本公开实施例中脉冲生成算法单元的设计原理就是将开发板提供的50mhz的基频信号进行64分频，并把它作为脉冲生成算法单元的基频信号，将输入到脉冲生成算法单元的电流作为控制指令信号，将其与基频信号进行比较产生pwm脉冲。
53.可选的，位置检测模块包括磁栅脉冲检测单元，用于检测包含动子位置信息的磁栅脉冲信号，其中，磁栅脉冲信号为脉冲信号。
54.可选的，位置检测模块还包括光栅脉冲检测单元，用于检测包含动子相对定子位置信息的光栅脉冲信号。
55.基于上述技术方案，图4为本公开实施例提供的另一种基于fpga的直线电机运输
系统的控制器的具体结构示意图。如图4所示，位置检测模块12包括磁栅脉冲检测单元121和光栅脉冲检测单元122；其中，磁栅脉冲检测单元121主要用于检测包含动子位置信息的磁栅脉冲信号，以使得fpga模块11根据该磁栅脉冲信号解算出动子的实际位置和实际速度。光栅脉冲检测单元122主要用于在多定子的情况下，检测某一动子具体位于哪个定子的作用范围内。当位于定子一端的光栅读数头检测到光栅脉冲信号时，说明动子开始驶入该定子，当位于定子另一端的光栅读数头检测到光栅脉冲信号时，说明动子开始驶出定子，利用该光栅脉冲信号可以判断动子具体在哪个定子上，同时，可将光栅脉冲信号作为控制这段定子的开关信号，通过这种控制方式，在很大程度上可以减小整个系统的能耗。
56.在一些实施例中，电流检测模块包括电流传感器、过流保护信号产生电路和电流传感器接口电路。过流保护信号产生电路用于产生过流保护信号，以实现过流保护，如此，有利于确保电机安全运行。驱动模块包括驱动电路和三相逆变桥电路。前述电路的具体工作原理较为常规，这里不再赘述
57.需要说明的是，上述fpga模块虽为多动子、多定子的直线电机控制系统而设计，但是其应用范围很广泛，甚至可以作为一种电机控制领域的通用方式。应用者可以根据其自身的应用要求修改算法中的相关参数以及硬件语言的编程以满足自身系统的需要，使用范围更广，灵活性更强。
58.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
59.以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，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。