CN105932925A - 一种基于fpga的电流环控制系统和伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流伺服矢量控制技术领域，公开了一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置。本发明通过基于FPGA硬件逻辑并行处理方式的电流环控制实现了将电流给定量与电流采样模块发送的信号输入电流控制器模块进行PID计算及解耦补偿处理，输出旋转坐标系下电压矢量参考值；根据编码器反馈模块输出的转子角度值和输出旋转坐标系下电压矢量参考值，输出静止坐标系下电压矢量参考值；空间矢量脉宽调制模块将所述静止坐标系下的电压矢量参考值转换为三路有效的占空比；经由带有死区插入的互补输出脉宽调制模块将三路有效的占空比转化为经过死区补偿的六路脉宽调制方波信号。采用本发明缩短了电流环控制时间，提高了电流环带宽。

Description

一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置

技术领域

本发明涉及交流伺服矢量控制技术领域，特别涉及一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置。

背景技术

随着电力电子技术，微电子技术，新型电机控制理论的快速发展，交流伺服驱动技术已经成为现代化机电装备的关键技术之一。伺服控制通常为三环控制系统，从内到外依次是电流环，速度环，位置环。其中，电流环为系统内环，速度环和位置环为系统外环，作为多环控制系统，外环的表现依赖于内环的性能。电流环是伺服控制系统中提高控制精度和响应速度的关键。为了提高伺服系统的动态和静态性能，高频响和高精度的电流环控制是必要的。

在现有的伺服控制技术中，电流环一般是通过MCU或者DSP纯软件的方式实现，其中控制算法的执行过程采用基于系统时钟的串行执行模式。

然而，在现有伺服控制系统的电流环控制实现过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有的伺服控制系统的电流环受限于代码串行执行的运行模式，使得电流环算法执行时间较长，导致从电流采样到脉宽调制占空比更新之间的延时较长，从而使得整个伺服控制系统的控制精度不高且动态响应较慢，严重时还可能导致系统不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置，使得电流环控制算法计算时间缩短，提高电流环的带宽。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于FPGA的电流环控制系统，包括：电流采样模块，编码器反馈模块，坐标变换模块，电流控制器模块，空间矢量脉宽调制模块和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；

所述电流采样模块，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块；

所述编码器反馈模块，用于实时监测编码器的运行状态并解析编码器数据帧，将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块；

所述坐标变换模块，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块或所述空间矢量脉宽调制模块；

所述电流控制器模块，用于将电流给定量与所述坐标变换模块发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块；

所述空间矢量脉宽调制模块，用于将所述静止坐标的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；

所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，首先将所述三路有效的占空比信号进行死区补偿，然后转化为六路脉宽调制方波信号。

本发明的实施方式还提供了一种伺服装置，包括如上所述基于FPGA的电流环控制系统。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明采用基于FPGA硬件逻辑的并行处理方式实现了电流环控制所需的各个算法模块，缩短了电流环算法的执行时间，有效的提高了电流环的刷新频率，拓展了伺服系统的带宽。此外，还通过采用带有对称死区插入的互补输出脉宽调制模块将三路有效的占空比信号转化为经过死区补偿的六路脉宽调制方波信号，从而提高了整个伺服控制系统的稳速精度和动态响应。

另外，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块采用对称插入方式进行死区补偿。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明采用中心对称方式插入死区时间，将需要插入的死区时间等分插入在每一相开通和关断的两个时刻这样可以使电流环输出的电流波形具有更好的正弦性，最终提高电机运行性能。

另外，所述电流控制器模块内部的所有乘法运算使用2个寄存器和1个乘法器；

根据FPGA的不同时钟，每个乘法运算将数据按次序读入到所述2个寄存器中，通过复用同一个乘法器，计算出各个乘法结果。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明技术方案在消耗合理时钟的情况下，利用一个乘法器进行乘法运算，减小FPGA逻辑资源的消耗。

另外，该系统还包括：过流保护模块；

所述过流保护模块，用于检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出。所述过流保护模块通过在FPGA内部构建Sinc fast滤波器实现。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明技术方案通过硬件逻辑实现的Sigma-Delta解调器和比较器检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出，从而保护电机和驱动器，以防电流过大对其造成损坏。由于本发明技术方案的过流保护模块采用FPGA内部构建的Sinc fast滤波器实现，可根据外部ADC芯片的特性灵活配置所述Sinc fast的抽取率和采样时间，达到采样时间和采样精度的平衡。且电流比较器的阈值可通过参数配置，使得过流保护的电流阈值可以根据功率等级按需配置，具有更高的灵活性。此外，该模块在时钟驱动下全程有效，独立运行，不受任何逻辑信号影响，可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统的信号流示意图；

图3(a)是本发明实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统中坐标变换模块中Clarke变换和Park变换结构示意图；

图3(b)是本发明实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统中坐标变换模块中反Park变换结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统中空间矢量脉宽调制模块结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于FPGA的电流环控制系统时序控制实现流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于FPGA的电流环控制系统。具体结构如图1所示。该系统包括：电流采样模块101，编码器反馈模块102，坐标变换模块103，电流控制器模块104，空间矢量脉宽调制模块105和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106；

所述电流采样模块101，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块104；

所述编码器反馈模块102，用于实时解析编码器数据帧，监测编码器的运行状态并将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块103；

所述坐标变换模块103，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块104或所述空间矢量脉宽调制模块105；

所述电流控制器模块104，用于将电流给定量与所述电流采样模块101发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块103；

所述空间矢量脉宽调制模块105，用于将所述静止坐标系下的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106；

所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106，首先将所述三路有效的占空比信号进行死区补偿，然后转化为六路脉宽调制方波信号。

需要说明的是，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块采用对称插入方式进行死区补偿。

还需要说明的是，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，通过d、q轴电流和转子当前位置判断电流矢量的方向，并根据所述电流矢量方向进行死区补偿；所述电流矢量方向判断采用如下算法：

$\frac{i_q}{i_d}=arctan\mathrm{\φ}$

其中，i_d和i_q代表电机定子电流矢量在dq坐标系上的两个电流分量，值代表电流矢量在dq坐标系中的方向；所述电流矢量在dq坐标系中的方向的值与所述编码器反馈模块所获取到的有效的角度值相加，得到电流方向。具体讲，通过将采样电流进行3/2坐标变换得到的i_q和i_d电流值，再将i_q与i_d之商进行反正切arctan计算，获取值；最后将值和所述编码器反馈模块所得角度相加，得到电流方向信号。

基于以上实施例，本发明的第二实施方式涉及一种基于FPGA的电流环控制系统，如图2所示，该系统包括：电流采样模块101，编码器反馈模块102，坐标变换模块103，电流控制器模块104，空间矢量脉宽调制模块105和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块106；

其中，所述电流采样模块，接收电流采样模数转化器的输出信号，并将所述模数转化器的输出信号进行标定处理，获取三相电流值i_a，i_b，i_c，通过将三相电流值i_a，i_b，i_c输入所述坐标变换模块，获取反馈计算量i_d和i_q；所述坐标变换模块包括：Clarke变换和Park变换；

其中，所述Clarke变换公式为：：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

其中，i_a，i_b，i_c为采集电流标定后的三相电流值；i_α、i_β为Clarke变换的结果；

所述Park变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，i_α、i_β为所述Park变换的输入，所述Park变换接收所述Clarke变化的结果，i_d、i_q为所述坐标变换模块的输出端口，θ为所述编码器反馈模块反馈的角度，通过所述Clarke和Park变换，将三相的耦合交流量转换成直流量。

所述电流控制器模块内部的所有乘法运算使用2个寄存器和1个乘法器；

根据FPGA的不同时钟，每个乘法运算将数据按次序读入到所述2个寄存器中，通过复用同一个乘法器，计算出各个乘法结果。

且所述的基于FPGA的电流环控制系统的所述电流控制器模块采用的控制算法为：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

所述u(t)为电流控制器模块的输出值，所述e(t)为输入电流控制器模块的电流反馈值与设定值之间的误差，K_P为比例放大系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间。

需要说明的是，该系统还包括：过流保护模块；

所述过流保护模块，用于检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出。所述过流保护模块通过所述FPGA内建的Sinc fast滤波器和阈值可配的比较器实现，该模块在时钟驱动下全程有效，独立运行，不受任何逻辑信号影响。

还需要说明的是，该系统还包括：反电动势前馈和交叉解耦补偿模块；

所述反电动势前馈和交叉解耦补偿模块，用于提高电流环的动态响应速度；其算法如下：

v＝ωl_di_d+ωK_e

其中，v为反电动势项和交叉解耦项所得的补偿电压值，ω为电角速度，l_d为d轴电感，i_d为d轴电流，K_e为反电动势补偿系数。

基于以上实施例，本发明还提供一种伺服装置，该系统包括：如上所述基于FPGA的电流环控制系统。

本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明采用基于FPGA硬件逻辑的并行处理方式实现了电流环控制所需的各个算法模块，缩短了电流环算法的执行时间，有效的提高了电流环的刷新频率，拓展了伺服系统的带宽。此外，还通过采用带有死区插入的互补输出脉宽调制模块将三路有效的占空比信号转化为经过死区补偿的六路脉宽调制方波信号，从而提高了整个伺服控制系统的稳速精度和动态响应。本发明还采用中心对称方式在插入死区时间，将需要插入的死区时间等分插入在每一相开通和关断的两个时刻这样可以使电流环输出的电流波形具有更好的正弦度，最终提高电机运行性能。本发明技术方案还通过在消耗合理时钟的情况下，利用一个乘法器进行乘法运算，减小FPGA逻辑资源的消耗。本发明技术方案还通过硬件逻辑实现的Sigma-Delta解调器和比较器检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出，从而保护电机和驱动器，以防电流过大对其造成损坏。由于本发明技术方案的过流保护模块采用FPGA内部构建的Sinc fast滤波器实现，可根据外部ADC芯片的特性灵活配置所述Sinc fast的抽取率和采样时间，达到采样时间和采样精度的平衡。且电流比较器的阈值可通过参数配置，过流保护的电流阈值可以根据功率等级按需配置，使得过流保护的灵活性更高。此外，过流保护模块在时钟驱动下全程有效，独立运行，不受任何逻辑信号影响，可靠性高。

基于以上实施例，以下通过具体实例对本发明技术方案原理进行阐述，具体如下：

在交流伺服系统中，关键是实现电机瞬时转矩的高性能控制。对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，简称PMSM)转矩控制的要求为响应快、精度高、脉动小、效率高。根据矢量变换dq坐标系中的PMSM模型，对电机输出的转矩控制可等效为对交轴，直轴电流的控制，为提高控制系统的性能，一般的伺服控制系统由位置环、速度环和电流环三环控制，电流环为系统内环，速度环和位置环为系统外环，外环的性能依赖于系统内环的性能，因此电流环是PMSM伺服控制系统中提高控制精度、响应速度和改善控制性能的关键。

为了提高电流环的响应速度，增加电流环的控制带宽，本发明技术方案提出了基于FPGA的电流环控制系统和伺服装置。所述基于FPGA的电流环控制系统中各个模块的功能如下：

1)电流采样模块：

接收外部ADC输出的电流采样信号，并对电流采样信号进行解调、调理和滤波处理。

2)编码器反馈模块：

实时监测编码器的运行状态，在编码器或通讯发生故障时，将错误信息反馈给上层控制器，同时对当前位置信号进行拟合修正，得到修正后的位置信号。然后对编码器输出的位置信号或拟合修正的位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值用于矢量控制。

3)坐标变换模块，如图3所示：

坐标变换模块根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值用于矢量控制。坐标变换模块包括Clarke变换、Park变换和反Park变换三个子模块。

Clarke变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

其中，i_a，i_b，i_c为采集的三相电流值；i_α、i_β为Clarke变换的结果；

Park变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，i_α、i_β为Park变换的输入矢量，所述Park变换接收所述Clarke变化的结果，i_d、i_q为所述Park变换模块的输出端口，θ为编码器反馈模块反馈的角度，通过Clarke和Park矢量变换，将三相的耦合交流量转换成直流量进行计算。

反Park变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& -sin\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]$

其中u_d，u_q为模块的输入矢量，θ为编码器反馈模块输出的角度，u_α，u_β为反Park变换的输出端口。通过反Park变换将dq旋转坐标系下的电压矢量值转换成静止坐标系下的电压矢量。

在FPGA时钟信号驱动下，通过1个乘法器分时复用，完成模块中的多个乘法运算，节省逻辑资源。坐标变换中的正余弦计算通过正余弦查找表和内部插值算法实现，节约计算时间。

4)电流控制器模块：

电流控制器模块将电流给定量与所述电流采样模块发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值用于更新下一周期脉宽调制的占空比。

电流控制器模块的控制算法为：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

所述u(t)为电流控制器模块的输出值，所述e(t)为输入电流控制器模块的电流反馈值与设定值之间的误差，K_P为比例放大系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间。

所述算法在FPGA内以离散化的形式处理，采样周期为50us，实时计算给定电流和反馈电流的偏差值，然后将偏差值输入PID控制器进行计算，输出参考电压矢量。在实际应用中需要设置输出限幅，以防出现积分饱和的情况。为了合理的利用FPGA乘法器的资源，公式中的多个乘法运算通过采用一个乘法器，2个寄存器分时复用的方式得到计算结果。

通过本方法，可以在消耗合理时钟的情况下，利用一个乘法器进行乘法运算，减小FPGA逻辑资源的消耗。本发明中涉及一个模块中有多个乘法运算的情况下，均通过乘法器分时复用的方式实现。

5)反电动势前馈和交叉解耦补偿模块:

交流电机具有非线性，时变，耦合等特点，为了提高电机瞬态响应速度，需要对转速变化引起的反电势变化和电流变化引起的输出电压变化进行前馈补偿，以提高电流环的频响，其算法如下：

v＝ωl_di_d+ωK_e

其中，v为反电动势相和交叉解耦相所得的补偿电压值，ω为电角速度，_d为d轴电感，i_d为d轴电流，K_e为反电动势补偿系数。

6)过流保护模块:

过流保护模块用于检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断脉宽调制模块的输出。所述过流保护模块通过在FPGA内部构建Sinc fast滤波器实现。所述过流保护模块通过硬件逻辑实现的Sigma-Delta解调器和比较器检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出，从而保护电机和驱动器，以防电流过大对其造成损坏。由于所述过流保护模块采用FPGA内部构建的Sinc fast滤波器实现，可根据外部ADC芯片的特性灵活配置所述Sinc fast的抽取率和采样时间，达到采样时间和采样精度的平衡。且电流比较器的阈值可通过参数配置，过流保护的电流阈值可以根据功率等级按需配置，使得过流保护的灵活性更高。电流保护模块在时钟驱动下全程有效，独立运行，不受任何逻辑信号影响。

7)空间矢量脉宽调制模块，如图4所示：

空间矢量脉宽调制模块采用空间矢量脉宽调制算法，将静止坐标的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，用于生成脉宽调制信号。

空间矢量脉宽调制算法能够明显的减小功率器件的开关损耗和逆变器输出的电流谐波含量，减小输出转矩脉动，母线电压的利用率比正弦波脉宽调制方法提高15％左右。本发明技术方案逆变器中的控制采用空间矢量脉宽调制原理，并在FPGA中实现空间矢量脉宽调制算法以及脉宽调制的相应接口。

空间矢量脉宽调制模块根据坐标变换模块变换输出的α，β坐标系下的参考电压矢量，判断其所在扇区，再根据平均等效值原理计算基本电压矢量作用时间，最终以脉宽调制刷新周期为时间基值，算出三路脉宽调制的占空比

8)带有死区插入的互补输出脉宽调制模块：

所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块采用中心对称方式插入死区时间。具体的讲，需要插入的死区时间等分插入在每一相开通和关断的两个时刻，而不是将所有死区时间插入在开通时刻。

死区效应是由于插入死区的原因造成输出电压畸变，最终导致电流输出波形畸变，从而影响电机运行的性能。常规的死区补偿方法直接判断采样电流的方向，通过电流方向来进行死区补偿，然而在电流值过小时，存在电流钳位效应，造成电流方向判断错误，导致错误的死区补偿。本方法所述的死区补偿模块，不通过采样电流直接判断电流方向，而使用d、q轴电流和转子当前位置间接判断电流矢量的方向，并根据所述电流矢量方向进行死区补偿，避免零电流钳位效应的死区补偿失效。所述电流矢量方向判断采用如下算法：

$\frac{i_q}{i_d}=arctan\mathrm{\φ}$

其中，i_d和i_q代表电机定子电流矢量在dq坐标系上的两个电流分量，值代表电流矢量在dq坐标系中的方向，所述角度与编码器反馈角度相加后，可以得到电流的实际角度，然后根据电流的方向正确的进行死区补偿。通过本方法，利用FPGA实现死区补偿，可提高电流输出的正弦度，提高电机运行性能。

脉宽调制模块将经过死区补偿的的三路占空比，转换成三路定时器比较值，再根据插入的死区时间生成六路互补输出的PWM方波驱动功率器件。

如图5所示，为本发明实施例的具体实现过程：

依据FPGA内部模块并行执行的特点，通过时钟信号驱动各模块协调运行。通过置位使能信号En，允许执行电流环各个模块，通过复位使能信号En，禁用所有电流环模块。电流环的刷新周期与载波周期保持同步，每个载波周期执行1次或者2次电流环更新，在一个电流环周期内，通过启动信号Start触发所有模块的执行，在所有模块执行结束时通过结束信号End标识执行结束。在开始信号和结束信号之间，依据FPGA时钟，依次执行电流采样模块、编码器反馈模块、坐标变换模块、电流控制器模块、空间矢量脉宽调制模块和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块。由于FPGA硬件逻辑的并行执行结构，所有模块的运行时间可在几十个时钟内行完，整个电流环的计算时间缩短到1us以内。本发明减小了电流环计算所造成的延迟，借助于更高的载波频率，提高了电流响应速度，拓展了伺服系统的带宽。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，包括：电流采样模块，编码器反馈模块，坐标变换模块，电流控制器模块，空间矢量脉宽调制模块和带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；

所述电流采样模块，用于接收电流采样信号，并将所述电流采样信号经过处理后发送到所述电流控制器模块；

所述编码器反馈模块，用于实时监测编码器的运行状态并将采集到的编码器位置信号进行定标处理，转化为有效的角度值，将所述角度值发送到所述坐标变换模块；

所述坐标变换模块，用于根据所述接收的角度值和当前坐标系下的电流、电压矢量值，转换成目标坐标系下的电流、电压矢量值输出给所述电流控制器模块或所述空间矢量脉宽调制模块；

所述电流控制器模块，用于将电流给定量与所述电流采样模块发送的信号进行PID计算，并将PID的结果进行解耦和补偿处理，输出旋转坐标系下的电压参考矢量值到所述坐标变换模块；

所述空间矢量脉宽调制模块，用于将所述静止坐标系下的电压矢量值转换为三路有效的占空比信号，并将其发送到所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块；

所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，首先将所述三路有效的占空比信号进行死区补偿，然后转化为六路脉宽调制方波信号。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块，通过d、q轴电流和转子当前位置判断电流矢量的方向，并根据所述电流矢量方向进行死区补偿；所述电流矢量方向判断采用如下算法：

$\frac{i_q}{i_d}=\arctan \mathrm{\φ}$

其中，i_d和i_q代表电机定子电流矢量在dq坐标系上的两个电流分量，值代表电流矢量在dq坐标系中的方向；

所述电流矢量在dq坐标系中的方向的值与所述编码器反馈模块所获取到的有效的角度值相加，得到电流方向信号。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块采用中心对称方式插入死区时间。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述电流采样模块，接收电流采样模数转化器的输出信号，并将所述模数转化器的输出信号进行标定处理，获取三相电流值i_a，i_b，i_c，通过将三相电流值i_a，i_b，i_c输入所述坐标变换模块，获取反馈计算量i_d和i_q；所述坐标变换模块包括：Clarke变换和Park变换；

其中，所述Clarke变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

其中，i_a，i_b，i_c为采集电流标定后的三相电流值；i_α、i_β为Clarke变换的结果；

所述Park变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

其中，i_α、i_β为所述Park变换的输入，所述Park变换接收所述Clarke变化的结果，i_d、i_q为所述坐标变换模块的输出端口，θ为所述编码器反馈模块反馈的角度，通过所述Clarke和Park变换，将三相的耦合交流量转换成直流量。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述电流控制器模块、坐标变换模块内部的所有乘法运算使用2个寄存器和1个乘法器；

根据FPGA的不同时钟，每个乘法运算将数据按时钟次序读入到所述2个寄存器中，通过复用同一个乘法器，计算出各个乘法结果。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述电流控制器模块采用的控制算法为：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+T_d\frac{de\left(t\right)}{dt}\]$

所述u(t)为电流控制器模块的输出值，所述e(t)为输入电流控制器模块的电流反馈值与设定值之间的偏差，K_P为比例放大系数，T_i为积分时间，T_d为微分时间。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，该系统还包括：过流保护模块；

所述过流保护模块，用于检测电流采样值是否超过预设电流阈值，如果超出则关断所述带有死区插入的互补输出脉宽调制模块的输出。

8.根据权利要求7所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，所述过流保护模块通过所述FPGA内部的Sinc fast滤波器实现。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA的电流环控制系统，其特征在于，该系统还包括：反电动势前馈和交叉解耦补偿模块；

所述反电动势前馈和交叉解耦补偿模块，用于提高电流环的动态响应速度；其算法如下：

v＝ωl_di_d+ωK_e

其中，v为反电动势项和交叉解耦项所得的补偿电压值，ω为电角速度，l_d为d轴电感，i_d为d轴电流，K_e为反电动势补偿系数。

10.一种伺服装置，其特征在于，包括：如权利要求1至权利要求9中任意一项所述的基于FPGA的电流环控制系统。