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一种基于嵌入式FPGA的电流控制装置、系统和方法与流程

文档序号:24897657发布日期:2021-04-30 16:01
一种基于嵌入式FPGA的电流控制装置、系统和方法与流程

本发明涉及电流控制系统设计。更具体地,涉及一种基于嵌入式fpga的电流控制装置、系统和方法。



背景技术:

使用具有高性价比和优越的低速运行性能等优点的交流永磁同步电机是当前高性能伺服系统的主流趋势,此类伺服系统具有调速范围广、控制精度高、运行稳定等特点,广泛应用于航空航天、国防科技、工业制造等各种领域。数字控制器相对于模拟控制器具有易于实行复杂算法、开发周期短、体积小等特点,在伺服控制器中应用越来越广。目前大部分全数字交流伺服驱动控制器是基于单片机或数字信号处理器(digitalsignalprocessor,dsp)App控制方式,具有算法实行时间长,并行运算能力差,与模拟单元接口灵活性差等缺点,从而限制系统带宽的提高。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明的第一个实施例提供一种基于嵌入式fpga的电流控制装置,包括:

电流采样模块、角度采样模块、数据预处理模块和数据处理模块,

电流采样模块用于获取电流的电流值ia、ib和ic,

角度采样模块用于获取电流的角度值θ,

数据预处理模块用于对所述电流值和角度值进行预处理,

数据处理模块用于根据预处理后的角度值和电流值进行对电流值进行控制。

在一个具体实施例中,所述数据处理模块包括:

坐标变化模块、pi模块、载波发生器和svpwm模块,

其中坐标变化模块用于根据预处理后的角度值和电流值进行坐标变化,

pi模块用于消除电流中的稳态误差,

svpwm模块用于生成电流的pwm波形,

载波发生器用于缩短因生成pwm波形产生的延时时间。

在一个具体实施例中,所述坐标变换模块包括:

clark变换模块、park变换模块和ipark变换模块,

clark变换模块用于对电流值ia、ib和ic进行clark变换,

park变换用于对clark变换后的电流值iβ和iα进行park变换,

ipark变换用于对电压值进行ipark变换。

在一个具体实施例中,所述clarke变换为

在一个具体实施例中,所述park变换为

令x0=iβ,y0=iα,z0=θ进行计算

其中i=0,1,2,…;当zi<0时,di=-1;否则di=1,经过n次迭代后得到:

其中,

计算电流值iq=xn/an,id=yn/an。

在一个具体实施例中,所述pi模块根据所述iq计算电压值uα,根据所述id计算电压值uβ。

在一个具体实施例中,所述ipark变换为

令x0=ud,y0=uq,z0=θ进行计算

其中i=0,1,2,…,当zi<0时,di=-1;否则di=1,经过n次迭代后得到:

其中

计算得到uα=xn/an,uβ=yn/an。

在一个具体实施例中,所述svpwm模块包括:

时间计算模块、扇形判断模块。饱和约束模块、时间分配模块、死区设置模块和pwm生成模块,其中

时间计算模块根据扇形判断模块和所述uα,uβ计算两个向量和作用时间t1和t2,

饱和约束模块用于防止t1与t2的和小于pwm波形的周期时间,

时间分配模块根据所述t1和t2计算电源器件的开断时间ta、tb和tc,

死区设置模块用于防止电源器件同时开通;

pwm生成模块用于生成pwm波形。

本发明的第二个实施例提供一种基于嵌入式fpga的电流控制系统,包括:

第一个实施例中任一项所述的装置,

电机,用于将电流发送给所述装置。

本发明的第三个实施例提供一种基于嵌入式fpga的电流控制方法,其特征在于,包括:

通过电流采样模块获取电流的电流值ia、ib和ic,

通过角度采样模块获取电流的角度值θ,

通过数据预处理模块对所述电流值和角度值进行预处理,

通过数据处理模块根据预处理后的角度值和电流值进行对电流值进行控制。

本发明的有益效果如下:

本申请采用硬件方式实现电机电流控制,实行效率高,可靠性高;各功能模块均为用户自定义ip核,并实现参数化,数值计算采用标幺值的方式,易于算法移植,减小电流环控制延迟,提高了电流环带宽,提高了电流控制系统的可行性和有效性,且系统具有很好的动态特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地先容,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本发明一个实施例的基于嵌入式fpga的电流控制系统框架图。

图2示出根据本发明一个实施例的基于嵌入式fpga的电流控制装置示意图。

图3示出根据本发明一个实施例的park模块示意图。

图4示出根据本发明一个实施例的pi模块示意图。

图5示出根据本发明一个实施例的svpwm模块示意图。

图6示出根据本发明一个实施例的基于嵌入式fpga的电流控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示,一种基于嵌入式fpga的电流控制系统,包括:基于嵌入式fpga的电流控制装置10和电机20,电机可以是永磁同步电机,也可是其他电机,在此不做限定。

基于嵌入式fpga的电流控制装置如图2所示,包括:电流采样模块(adc)101、角度采样模块(rdc)103、数据预处理模块(preloop)105和数据处理模块107,

电流采样模块101用于获取电流的电流值ia、ib和ic,

角度采样模块103用于获取电流的角度值θ,

数据预处理模块105用于对所述电流值和角度值进行预处理,

数据处理模块107用于根据预处理后的角度值和电流值进行对电流值进行控制。

其中,所述数据处理模块包括:

坐标变化模块,pi模块1073、svpwm模块1075和载波发生器1077,

其中坐标变化模块用于根据预处理后的角度值和电流值进行坐标变化,

更具体地,所述坐标变换模块包括:

clark变换模块10711、park变换模块10713和ipark变换模块10715,

clark变换模块用于对电流值ia、ib和ic进行clark变换,

park变换用于对clark变换后的电流值iβ和iα进行park变换,

ipark变换用于电压值进行ipark变换。

在一个具体实施例中,park模块和ipark模块如图3所示,

在一个具体实施例中,pi模块如图4所示,用于消除电流中的稳态误差,

pi调节模块的比例和积分环节分开设计,为防止过大的超调,积分环节加入积分限幅模块,当积分器输出超过限定值时关闭积分作用;为保证电机输出电流不会过大和防止寄存器溢出,pi调节器设置了输出限幅功能。

在一个具体实施例中,svpwm模块如图5所示,用于生成电流的pwm波形。

更具体地,所述svpwm模块包括:

时间计算模块、扇形判断模块。饱和约束模块、时间分配模块、死区设置模块和pwm生成模块,其中

时间计算模块根据扇形判断模块和所述uα,uβ计算两个向量和作用时间t1和t2,

饱和约束模块用于防止t1与t2的和小于预设的时间阈值,

时间分配模块根据所述t1和t2计算电源器件的开断时间ta、tb、tc,

死区设置模块用于防止电源器件同时开通而导致器件损坏,死区时间可以根据实际情况而设置。

载波发生器用于向pwm生成模块发送同步信号,从而缩短因生成pwm波形产生的延时时间;

pwm生成模块用于生成pwm波形。

如图6所示,一种基于嵌入式fpga的电流控制方法,包括:

通过电流采样模块获取电流的电流值ia、ib和ic,

通过角度采样模块获取电流的角度值,

通过数据预处理模块对所述电流值和角度值进行预处理,在一个具体示例中,数据预处理模块将电流采样值处理后转换为电流标幺值的q格式,s16q15表示的是16位有符号整型数据,其小数点位于bit15的右侧,数据范围为(-1~0.9999),代表实际电流范围,采用标幺值处理的方法提高了该方法的可移植性。

通过数据处理模块根据预处理后的角度值和电流值进行对电流值进行控制。

将预处理后的电流发送给clarke变换模块,

clark变换模块对电流值ia、ib和ic进行clark变换,

park变换对clark变换后的电流值iβ和iα进行park变换,

令x0=iβ,y0=iα,z0=θ进行计算

其中i=0,1,2,…;当zi<0时,di=-1;否则di=1。经过n次迭代后得到:

其中

计算电流值iq=xn/an,id=yn/an。

在一个具体实施例中,为使上述计算方法在±180°都收敛,所以需要扩展上述计算方法的收敛范围,即将式(11)中i增加两次等于0时的运算,即i=0,0,0,1,2,…,则收敛范围扩大至±189.9°,此时系数an≈2×1.64676。

将park变换后的电流值,发送给pi模块,所述pi模块根据所述iq计算电压值uα,根据所述id计算电压值uβ。

ipark变换用于对电压值进行ipark变换。

令x0=ud,y0=uq,z0=θ进行计算

其中i=0,1,2,…;当zi<0时,di=-1;否则di=1。经过n次迭代后得到:

其中

计算得到uα=xn/an,uβ=yn/an。

将uα,uβ发送给svpwm模块的时间计算模块和扇形判断模块,

时间计算模块根据扇形判断模块和所述uα,uβ计算两个向量和作用时间t1和t2,

饱和约束模块用于防止t1与t2的和小于pwm波形的周期时间,

时间分配模块根据所述t1和t2计算电源器件的开断时间ta、tb、tc,

死区设置模块用于防止电源器件同时开通;

载波发生器用于向pwm生成模块发送同步信号,从而缩短因生成pwm波形产生的延时时间;

pwm生成模块用于生成pwm波形。

显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

再多了解一些
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