CN101576745B - 直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其由数字控制器、功率电路、信号检测电路三部分组成：所述的数字控制器电路包括：32位浮点DSP；现场可编程逻辑器件FPGA；外部Flash ROM；所述的功率电路包括：高速光耦隔离电路，由智能功率模块IPM构成的H桥功率主电路；所述的信号检测电路包括：A/D转换器，多路模拟开关，用于检测动圈绕组电流的霍尔式电流传感器，用于检测动圈位置的非接触式电涡流位移传感器，以及模拟信号的放大及有源滤波电路。本发明实现了一个集成度高、扩展性好、高可靠性、高频响、高精度的直接驱动阀用的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器。

Description

直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器

技术领域

本发明属于电机自动控制领域，具体涉及一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器。

背景技术

永磁直线音圈电机具有高加速度、高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点，其用于要求高加速度、高频响、快速和高精度定位运动系统。因此近年来，数百赫兹以上高频响大流量直驱伺服阀几乎都采用直线音圈电机直接驱动结构。要实现这些优良的性能，对永磁直线音圈电机的驱动控制器的运算精度和运算速度提出了更高要求。同时工业应用时，还要求驱动控制器具有更高的集成度，以提高可靠性和降低成本，且要求驱动控制器由功能升级和可扩展能力，以适应各种不同的需求。

现有方案采用单片机或定点DSP组成，由于受控制器计算速度及计算精度的限制，其普遍采用数模混合的驱动控制方式。即位置环数字控制，而电流环仍采用传统的模拟控制方式。该其存在模拟控制所固有的一些缺点，如调试不方便、存在温漂、无法与其它数字控制器直接实现接口。随着高性能的浮点DSP和现场可编程逻辑器件FPGA的出现和广泛应用，使采用全数字方式来完成对永磁直线音圈电机的驱动控制成为可能。数字控制器具有可编程实现、对环境变化不敏感、精确的行为、可实现复杂算法、可增加附属功能的优点，是当前电机的驱动控制器方展的主要方向。

发明内容

本发明一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，采用高性能的32位浮点DSP(TMS320VC33)和现场可编程逻辑器件FPGA(EP2C35)，该浮点DSP的运算速度可达75MIPS，该FPGA具有35000可编程逻辑单元(LE)，功率主电路采用智能功率模块IPM来构成H桥电路，信号检测部分包括用于对永磁直线音圈电机的绕组电流和动圈位置进行采样的14位逐次比较型A/D转换电路，四通道模拟开关，电流传感器采用霍尔式电流传感器，动圈位置传感器采用非接触式的电涡流位移传感器，以及模拟信号的放大及有源滤波电路，实现对直接驱动阀用永磁直线音圈电机的高性能全数字驱动控制，其既有控制精度高、响应快、系统可靠性高等优点。

本发明的目的在于提供一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，它采用高性能的32位浮点DSP和现场可编程逻辑器件FPGA及高性能的控制算法，目的是获得永磁直线音圈电机动圈的高速、高精度往复运动的控制效果，实现对直接驱动阀用永磁直线音圈电机的高频响、高精度的位置控制。

为实现上述发明目的，本发明提供一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其由数字控制器、功率电路、信号检测电路三部分组成。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其数字控制器电路包括：32位浮点DSP，其具有SPI接口、SCI接口，5倍频的锁相环时钟发生器，2个独立的32bit硬件定时器；现场可编程逻辑器件FPGA，其作为DSP的一个协处理器，负责完成对A/D的采样控制，PWM信号的产生，与DSP的数据通信，电流环控制，电流过流保护等功能，并且FPGA中的各个功能模块均采用模块化设计，便于系统功能的扩展和升级；外部Flash ROM，用于存储DSP的程序。数字控制器作用是利用位置指令和位置反馈信号和电机绕组电流反馈信号通过电流环以及位置环的控制算法产生控制永磁直线音圈电机驱动所需的控制信号。

DSP作为主控制器，负责整个系统的任务调度。首先，DSP通过SPI接口或SCI接口读取上位机发送的给定动圈位置的数字量，并通过读取在FPGA内部实现的双端口RAM得到动圈位置的数字量，利用先进的位置环控制算法通过计算得到电流环的电流给定值并将电流环的电流给定值发送给在FPGA内部实现的双端口RAM。该位置环控制算法采用了基于负载扰动观测器的前馈控制和非线性PID控制相结和的复合控制算法。其中，负载扰动观测器是通过采用现代控制理论中的龙博格(Luenberger)观测器来实现的。利用该负载扰动观测器来估计负载扰动，并用前馈的方式加以补偿，可以很好的减少负载扰动对系统控制性能的影响。利用非线性PID控制，其具有“小偏差，大增益；大偏差，小增益”的特点，因而可以很好的解决传统PID控制中快速性与超调之间的矛盾，使系统的稳、动态性能大为提高。

非线性PID：

$u\left(t\right)=k_I\mathrm{fal}({\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt},\mathrm{\α},\mathrm{\δ})+k_P\mathrm{fal}(e\left(t\right),\mathrm{\α},\mathrm{\δ})+k_D\mathrm{fal}(\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},\mathrm{\α},\mathrm{\δ})$

其中：u(t)为位置环的控制量输出；e(t)为当前的位置偏差；k_P、k_I、k_D分别为非线性PID中的比例系数、积分系数、微分系数。

fal()为非线性函数；

$\mathrm{fal}(e,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sign}\left(e\right)& \left|e\right|>\mathrm{\δ},\mathrm{\δ}>0,\mathrm{\α}>0\\ \frac{e}{{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}}}& \left|e\right|\≤\mathrm{\δ},\mathrm{\δ}>0,\mathrm{\α}>0\end{array}\right..$

DSP的控制程序均采用C语言编程，具有可读性好、可移植性好的优点，DSP的控制程序和相关控制参数均存储在外扩的Flash ROM中。

FPGA通过分时控制外部的14位A/D转换器和多路模拟开关完成对动圈位置反馈信号和动圈绕组电流反馈信号的采样。通过硬件描述语言VHDL编程，利用FPGA用有限状态机的形式来完成动圈位置反馈信号和动圈绕组电流反馈信号的采样控制。

FPGA将采样得到的动圈位置反馈信号和动圈绕组电流反馈信号的数字量，写入在FPGA内部通过硬件描述语言VHDL编程实现了一个双端口RAM，DSP与FPGA利用该双端口RAM实现数据交换，具有硬件结构简单、数据传输速率快等优点，且使系统的硬件资源得到了充分利用。

利用FPGA通过硬件描述语言VHDL编程实现了一个数字PI调节器，来完成动圈绕组电流的闭环控制。FPGA从双端口RAM中读取动圈绕组电流指令和动圈绕组电反馈信号的数字量，利用在其内部通过硬件描述语言VHDL编程实现的电流环数字PI调节器计算得到，PWM控制信号的占空比。

PWM信号的产生模块，采用增减计数器、比较寄存器和比较器来实现PWM波的产生，即采用三角波比较法。其中增减计数器、比较寄存器和比较器，均在FPGA中通过硬件描述语言VHDL编程来实现。PWM信号的产生模块接收数字PI调节器计算得到的PWM控制信号的占空比，并将其转换为相应的双极性PWM控制信号。该双极性PWM控制信号经过光耦隔离来驱动由智能功率模块IPM构成H桥电路，产生永磁直线音圈电机驱动所需的动圈电流，来实现对永磁直线音圈电机的动圈位置的高频响、高精度控制。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其数字控制器的特征在于：

(1)采用高性能的32位浮点DSP，低功耗，3.3V I/O供电、1.8V内核供电，该浮点DSP的运算速度可达75MIPS；采用位置环和电流环的双闭环控制，位置环的控制算法采用变结构数字PID和基于位置指令前馈的复合控制算法并由32位浮点DSP完成，电流环的控制算法采用数字PI控制并由FPGA完成。其可以同时满足系统对高精度以及高频响的要求。

(2)采用现场可编程逻辑器件FPGA，通过硬件描述语言VHDL编程，在FPGA中实现了A/D转换器的采样控制，PWM信号的产生，电流环PI控制，采样信号的数字滤波、电流过流保护等功能。

(3)在FPGA内部通过硬件描述语言VHDL编程实现了一个双端口RAM，DSP与FPGA利用该双端口RAM实现数据交换，具有硬件结构简单、数据传输速率快等优点，且使系统的硬件资源得到了充分利用。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其功率电路包括：高速光耦隔离电路，由智能功率模块IPM构成的H桥功率主电路等。其中，高速光耦隔离器接收来自数字控制器的双极性可逆PWM控制信号，并通过光电耦合原理来产生智能功率模块IPM的控制信号，其实现了数字控制器电路与功率主电路的电气隔离。功率主电路采用由智能功率模块IPM构成的H桥电路，智能功率模块IPM将输出功率元件和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，与普通功率元件相比，在系统性能和可靠性上都更有优势。功率主电路在经过高速光耦隔离器输出的控制信号下产生永磁直线音圈电机驱动所需的电压和电流。且功率主电路的采用了双极性可逆PWM控制方式，可以使永磁直线音圈电机的动圈绕组电流始终连续，可以改善永磁直线音圈电机在低速时的控制性能。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其功率电路的特征在于：

(1)采用高速光耦隔离器，实现了数字控制器电路与功率主电路的电气隔离，可以提高了系统的可靠性。

(2)采用智能功率模块IPM构成H桥功率主电路，并采用双极性可逆PWM控制方式，智能功率模块IPM将输出功率元件和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，与普通功率元件相比，在系统性能和可靠性上都更有优势。

(3)采用双极性可逆PWM控制方式，永磁直线音圈电机的动圈绕组电流始终连续，可以改善永磁直线音圈电机在低速时的控制性能。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其信号检测电路包括：14位逐次比较型A/D转换器，四通道多路模拟开关，用于检测动圈绕组电流的霍尔式电流传感器，用于检测动圈位置的非接触式电涡流位移传感器，以及模拟信号的放大及有源滤波电路。

首先，利用霍尔式电流传感器和非接触式电涡流位移传感器将要检测的动圈绕组电流及动圈位置的转换成相应的电压信号。其次，利用高精度、高共模抑制比的仪器放大器和高精度、低温度系数的独石电容完成对电流传感器和位置传感器输出的模拟电压信号的放大及有源滤波。然后，放大及有源滤波电路输出的两路模拟信号经过四通道多路模拟开关与14位逐次比较型A/D转换器相联。最后，多路模拟开关与14位逐次比较型A/D转换器在FPGA的分时控制下完成对动圈绕组电流及动圈位置的数字采样。

其中，动圈绕组电流的检测采用霍尔式电流传感器，其具有测量精度高、响应快的优点，且可以实现与功率主电路的电气隔离。动圈位置的检测采用非接触式的电涡流位移传感器，实现对永磁直线音圈电机的动圈位置的检测，其具有测量精度高、响应快、寿命常的优点，且为非接触式测量，不额外增加动圈的质量。模拟信号的放大及有源滤波电路，采用高精度、高共模抑制比的仪器放大器和精密变阻器组成差分比例放大电路，采用仪器放大器和高精度、低温度系数的独石电容和精密电阻来组成一阶有源滤波电路，其具有结构紧凑、可靠性好、精度高等优点。

所述的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其信号检测电路的特征在于：

(1)采用霍尔式电流传感器，实现对永磁直线音圈电机的动圈绕组电流的检测，其具有测量精度高、响应快的优点，且可以实现与功率主电路的电气隔离。

(2)采用非接触式的电涡流位移传感器，实现对永磁直线音圈电机的动圈位置的检测，其具有测量精度高、响应快、寿命常的优点，且为非接触式测量，不额外增加动圈的质量。

(3)采用高精度、高共模抑制比的仪器放大器和高精度、低温度系数的独石电容完成对电流传感器和位置传感器输出的模拟信号的放大及有源滤波。

(4)采用14位逐次比较型A/D转换器，其采样率最高可达500kps，可提共符合工业标准的±10V的电压输入范围，且其数字量输入、输出电平兼容3.3V标准，可以直接与FPGA实现数字接口。

(5)采用高精度多路模拟开关与单通道A/D转换器配合，由FPGA通过分时控制的方式完成对电流传感器和位置传感器输出的两路模拟信号的A/D转换。

本发明的工作原理：利用FPGA分时控制14位A/D转换器和四通道多路模拟开关实现对动圈绕组电流的和动圈位置的检测，然后将采样得到的动圈绕组电流的和动圈位置的数字量写入在FPGA内部实现的双端口RAM中，DSP通过SPI接口或SCI接口读取上位机发送的给定动圈位置的数字量，并通过读取在FPGA内部实现的双端口RAM得到动圈位置得数字量利用先进的位置环控制算法，通过计算得到电流环的电流给定值并将电流环的电流给定值发送给在FPGA内部实现的双端口RAM，FPGA通过读取在其内部实现的双端口RAM获得动圈绕组电流的数字量和动圈绕组电流的给定值，然后由FPGA通过电流环的计算得到双极性PWM控制信号的占空比，该占空比发送给PWM信号产生模块生成双极性PWM控制信号，该PWM控制信号经过光耦隔离来驱动由智能功率模块IPM构成H桥电路，产生永磁直线音圈电机驱动所需的动圈电流，来实现对永磁直线音圈电机的动圈位置的高频响、高精度控制。

本发明一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其优点及功效在于：利用32位浮点DSP和现场可编程逻辑器件FPGA，智能功率模块IPM，14位逐次比较型A/D转换器和四通道多路模拟开关，霍尔式电流传感器和非接触式的电涡流位移传感器，以及其它外围电路，实现了一个集成度高、扩展性好、高可靠性、高频响、高精度的直接驱动阀用的永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器。

四、附图说明

图1是发明的整体结构示意图；

图2是控制器功能划分示意图；

图3是基于智能功率模块IPM的H桥功率主电路的芯片结构示意图；

图4是A/D转换电路芯片结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1中的DSP采用美国德州仪器公司的高性能的浮点DSPTMS320VC33，低功耗，3.3VI/O供电、1.8V内核供电，该浮点DSP的运算速度可达75MIPS，用其实现了SPI接口和SCI接口，外扩Flash Rom用于存储DSP的程序。FPGA采用美国Altera公司的EP2C35，该FPGA具有35000可编程逻辑单元(LE)，外扩了美国ADI公司14位A/D转换器和美国Maxim公司多路模拟开关，用于对动圈绕组电流的和动圈位置信号的采样。由FPGA产生的PWM控制信号通过高速光耦传送给由智能功率模块IPM组成的H桥功率主电路，高速光耦采用美国HP公司双通道高速光耦HPCL2531。

系统的工作过程：首先，利用FPGA分时控制14位A/D转换器和四通道多路模拟开关实现对动圈绕组电流的和动圈位置的检测，然后将采样得到的动圈绕组电流的和动圈位置的数字量写入在FPGA内部实现的双端口RAM中；其次，DSP通过SPI接口或SCI接口读取上位机发送的给定动圈位置的数字量，并通过读取在FPGA内部实现的双端口RAM得到动圈位置得数字量，利用先进的位置环控制算法，通过计算得到电流环的电流给定值并将电流环的电流给定值发送给在FPGA内部实现的双端口RAM；然后，FPGA通过读取在其内部实现的双端口RAM获得动圈绕组电流的数字量和动圈绕组电流的给定值，然后由FPGA通过电流环的计算得到双极性PWM控制信号的占空比，该占空比发送给PWM信号产生模块生成双极性PWM控制信号；最后，该双极性PWM控制信号经过光耦隔离来驱动由智能功率模块IPM构成H桥电路，产生永磁直线音圈电机驱动所需的动圈电流，来实现对永磁直线音圈电机的动圈位置的高频响、高精度控制。

图2中所示为由DSP和FPGA组成的数字控制器中，DSP和FPGA各自承担的功能。其中由DSP负责完成的功能包括：与上位机通信、完成位置环控制、与FPGA之间进行数据交换；由FPGA负责完成的功能包括：A/D的采样控制，PWM信号的产生，电流环控制，采样信号的数字滤波、电流过流保护等功能。通过合理的功能划分，使DSP和FPGA各自的资源得到了充分的利用。

图3中基于智能功率模块IPM的构建的H桥功率主电路，智能功率模块IPM为美国IR公司的IRAM16UP60B，其最高工作母线电压可达600V，最大工作电流16A，其内部集成模块IPM输出功率元件和驱动电路、以及多种保护电路，与普通功率元件相比，在系统性能和可靠性上都更有优势。

图4中A/D转换器为美国ADI公司的AD7899AR-1，其为14位逐次比较型A/D转换器，采样率最高可达500kps，可提供符合工业标准的±10V的电压输入范围，采用单+5V供电，且其数字量输入、输出电平兼容3.3V标准，可以直接与FPGA实现数字接口。其与多路模拟开关配合完成将电流传感器和位置传感器输出的模拟信号转换为相应的数字信号。

Claims (5)

1.一种直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其由数字控制器、功率电路、信号检测电路三部分组成，其特征在于：

所述的数字控制器电路包括：32位浮点DSP，SPI接口、SCI接口，现场可编程逻辑器件FPGA；外部Flash ROM；

所述的功率电路包括：高速光耦隔离电路，由智能功率模块IPM构成的H桥功率主电路；

所述的信号检测电路包括：A/D转换器，多路模拟开关，用于检测动圈绕组电流的霍尔式电流传感器，用于检测动圈位置的非接触式电涡流位移传感器，以及模拟信号的放大及有源滤波电路；

其中，DSP作为主控制器，负责整个全数字驱动控制器的任务调度；首先，DSP通过SPI接口或SCI接口读取上位机发送的给定动圈位置的数字量，并通过读取在FPGA内部实现的双端口RAM得到动圈位置的数字量，利用位置环控制算法通过计算得到电流环的电流给定值并将电流环的电流给定值发送给在FPGA内部实现的双端口RAM；

FPGA通过分时控制外部的A/D转换器和多路模拟开关完成对动圈位置反馈信号和动圈绕组电流反馈信号的采样；

FPGA将采样得到的动圈位置反馈信号和动圈绕组电流反馈信号的数字量，写入在FPGA内部通过硬件描述语言VHDL编程实现的一个双端口RAM，DSP与FPGA利用该双端口RAM实现数据交换；

利用FPGA通过硬件描述语言VHDL编程实现的一个数字PI调节器，来完成动圈绕组电流的闭环控制；FPGA从双端口RAM中读取动圈绕组电流指令和动圈绕组电反馈信号的数字量，利用所述的数字PI调节器计算得到PWM控制信号的占空比；

在FPGA中通过硬件描述语言VHDL编程来实现增减计数器、比较寄存器和比较器，并通过该增减计数器、比较寄存器和比较器形成PWM信号产生模块，产生PWM波；

所述的PWM信号产生模块接收数字PI调节器计算得到的PWM控制信号的占空比，并将其转换为相应的双极性PWM控制信号；该双极性PWM控制信号经过光耦隔离来驱动由智能功率模块IPM构成的H桥功率主电路，产生永磁直线音圈电机驱动所需的动圈电流，来实现对永磁直线音圈电机的动圈位置的高频率响应、高精度控制；

其中，所述的信号检测电路，首先，利用霍尔式电流传感器和非接触式电涡流位移传感器将要检测的动圈绕组电流及动圈位置的转换成相应的电压信号；其次，利用模拟信号的放大及有源滤波电路完成对电流传感器和位移传感器输出的模拟电压信号的放大及有源滤波；然后，模拟信号放大及有源滤波电路输出的两路模拟信号经过多路模拟开关与A/D转换器相联；最后，多路模拟开关与A/D转换器在FPGA的分时控制下完成对动圈绕组电流及动圈位置的数字采样。

2.根据权利要求1所述的直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其特征在于：该位置环控制算法采用了基于负载扰动观测器的前馈控制和非线性PID控制相结合的复合控制算法；其中负载扰动观测器采用现代控制理论中的龙博格观测器来实现，非线性PID控制采用位置偏差信号的非线性组合来实现。

3.根据权利要求1所述的直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其特征在于：所述的A/D转换器为14位逐次比较型A/D转换器。

4.根据权利要求1所述的直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其特征在于：所述的多路模拟开关为四通道多路模拟开关。

5.根据权利要求1所述的直接驱动阀用永磁直线音圈电机的全数字驱动控制器，其特征在于：所述的模拟信号的放大及有源滤波电路，包括采用高精度、高共模抑制比的仪器放大器和精密变阻器组成的差分比例放大电路，以及采用仪器放大器和高精度、低温度系数的独石电容和精密电阻组成的一阶有源滤波电路。

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