CN106712642B - 一种交流伺服控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流伺服控制系统，属于电机技术领域，包括控制板(1)和功率板(2)，解决了交流伺服控制系统与多种编码器兼容的问题，实现了DSP+FPGA作为控制平台的高性能伺服控制系统。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域。
背景技术
自从上世纪80年底以来，随着交流伺服电机技术的发展，交流电机控制理论不断成熟，在短短三十年内，交流伺服系统取得了巨大的发展。伴随着交流电机变频调速技术的发展，交流电机的位置伺服控制已经具备宽的调试范围、高精度的控制能力、快速的动态响应能力及四相限状态运行的技术性能，其不管在动态范围还是静态特性都能够与直流电机控制系统相媲美。在当今交流电机控制，特别是交流电机的位置伺服控制，仍旧是学界及工业级研究的热点之一。
目前市场上有多种交流伺服电机的编码器，比如，数字增量式编码器、数字绝对值式编码器、模拟式正余旋编码器等，传统的做法是每一种编码器配备一种的交流伺服控制系统，不能实现一种交流伺服控制系统与多种编码器兼容。
发明内容
本发明的目的是提供一种交流伺服控制系统，解决了交流伺服控制系统与多种编码器兼容的问题，实现了DSP+FPGA作为控制平台的高性能伺服控制系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种交流伺服控制系统，包括控制板和功率板，控制板与功率板电连接；
功率板包括开关电源、整流滤波模块、IGBT功率放大模块和电流检测模块，整流滤波模块的输入端连接外部三相电，整流滤波模块的输出端连接IGBT功率放大模块，电流检测模块连接IGBT功率放大模块，开关电源为IGBT功率放大模块和电流检测模块供电，IGBT功率放大模块连接交流伺服电机；
控制板包括编码器接口模块、FPGA控制器、DSP控制器、通信模块和输入输出模块，编码器接口模块连接FPGA，编码器接口模块还连接所述交流伺服电机的编码器，FPGA控制器连接DSP控制器，通信模块连接DSP控制器，输入输出模块连接FPGA控制器，所述电流检测模块连接FPGA控制器，所述开关电源为编码器接口模块、FPGA 控制器、DSP控制器、通信模块和输入输出模块供电。
所述开关电源设有3.3V电源模块和3V电源模块，所述3.3V电源模块输出3.3V电源，所述3V电源模块输出3V电源，所述3.3V电源模块的型号为AMS1117-3.3V，所述3V电源模块的型号为 LP2980AIM5-3.0。
所述编码器接口模块包括电感L16、电容C83、电阻R78、电阻R82、电感L17、电阻R76、电阻R80、电阻R72、电阻R84、电容C86、电阻R81、电阻R83、放大器U16、电容C89、电容C84、电容C85、AD 模块U17、电阻R73、电阻R74、电阻R77、电阻R79、总线接收器U18、电阻R75、电容C90、电感L18、电容C91、电阻R88、电阻R91、电感L19、电阻R87、电阻R89、电容C94、电阻R86、电阻R95、电阻 R90、电阻R92、电容C96、电容C92、电容C93、AD模块U20、电感 L20、电容C98、电阻R96、电阻R97、电感L21、电感L41、电容C221、电阻R242、电阻R243、电感L42、电感L22、电容C99、电阻R98、电阻R99、电感L23、总线接收器U19、电容C95、电阻R93和电阻 R94，电感L16的1脚、电感L17的1脚、电感L18的1脚、电感L19 的1脚、电感L20的1脚、电感L21的1脚、电感L41的1脚、电感 L42的1脚、电感L22的1脚和电感L23的1脚均连接所述编码器，电感L16的2脚通过电阻R76连接放大器U16的3脚，电感L16的2 脚通过电阻R78连接电容C83的2脚，电容C83的1脚连接地线，电感L16的2脚还连接总线接收器U18的2脚，电感L17的2脚通过电阻R82连接电容C83的2脚，电感L17的2脚连接总线接收器U18的 1脚，电感L17的2脚还通过电阻R84连接电容C89的1脚，C89的 2脚连接放大器U16的1脚，放大器U16的2脚连接电容C89的1脚，放大器U16的2脚还通过并联连接的电阻R81和电阻R83连接放大器 U16的1脚，放大器U16的3脚通过电阻R72连接所述3V电源，放大器U16的3脚还通过并联连接的电阻R80和电容C86连接地线，放大器U16的1脚连接AD模块U17的3脚，AD模块U17的1脚连接所述3V电源，AD模块U17的1脚还通过并联连接的电容C84和电容C85 连接地线，AD模块U17的2脚连接地线，AD模块U17的4脚和6脚均连接所述FPGA控制器，AD模块U17的5脚通过电阻R77连接FPGA 控制器，AD模块U17的6脚还通过电阻R73连接所述3.3V电源，AD 模块U17的4脚还通过电阻R74连接所述3.3V电源；
电感L18的2脚通过电阻R87连接放大器U16的5脚，电感L18 的2脚通过电阻R88连接电容C91的2脚，电容C91的1脚连接地线，电感L18的2脚还连接总线接收器U18的6脚，电感L19的2脚通过电阻R91连接电容C91的2脚，电感L19的2脚连接总线接收器U18 的7脚，电感L19的2脚还通过电阻R95连接电容C96的1脚，C96 的2脚连接放大器U16的7脚，放大器U16的6脚连接电容C96的1 脚，放大器U16的6脚还通过并联连接的电阻R90和电阻R92连接放大器U16的7脚，放大器U16的5脚通过电阻R86连接所述3V电源，放大器U16的5脚还通过并联连接的电阻R89和电容C94连接地线，放大器U16的7脚连接AD模块U20的3脚，AD模块U20的1脚连接所述3V电源，AD模块U20的1脚还通过并联连接的电容C92和电容 C93连接地线，AD模块U20的2脚连接地线，AD模块U20的5脚通过电阻R79连接FPGA控制器，AD模块U20的4脚还连接AD模块U17 的4脚，AD模块U20的6脚还连接AD模块U17的6脚；
电感L20的2脚通过电阻R96连接电容C98的2脚，电容C98的 1脚连接地线，电感L21的2脚通过电阻R97连接电容C98的2脚，电感L20的2脚连接总线接收器U18的10脚，电感L21的2脚连接总线接收器U18的9脚；
电感L41的2脚通过电阻R242连接电容C221的2脚，电容C221 的1脚连接地线，电感L42的2脚通过电阻R243连接电容C221的2 脚，电感L41的2脚连接总线接收器U18的14脚，电感L42的2脚连接总线接收器U18的15脚；
电感L22的2脚通过电阻R98连接电容C99的2脚，电容C99的 1脚连接地线，电感L23的2脚通过电阻R99连接电容C99的2脚，电感L22的2脚连接总线接收器U19的10脚，电感L23的2脚连接总线接收器U19的11脚；
电感L20的2脚还连接总线接收器U19的2脚，电感L21的2脚还连接总线接收器U19的3脚；
总线接收器U18的16脚连接所述3.3V电源，总线接收器U18的 4脚和12脚均通过电阻R75连接所述3.3V电源，总线接收器U18的 16脚还通过电容C90连接地线，总线接收器U18的8脚连接地线，总线接收器U18的3脚、5脚、11脚和13脚均连接所述FPGA控制器；
总线接收器U19的8脚、7脚和15脚均连接地线，总线接收器U19 的16脚连接所述3.3V电源，总线接收器U19的16脚还通过电容C95 连接地线，总线接收器U19的1脚、9脚、4脚和12脚均连接所述 FPGA控制器，总线接收器U19的4脚通过电阻R94连接地线，总线接收器U19的12脚通过电阻R93连接地线。
所述总线接收器U18的型号为DS34LV86T，所述总线接收器U19 的型号为DS34LV87T。
所述放大器U16的型号为TLV2462IDGK；所述AD模块U20和所述 AD模块U17的型号均为ADC121S101。
所述FPGA控制器的型号为EP4CE22F256；所述DSP控制器的型号为MC56F8346。
所述通信模块为USB模块，所述USB模块的型号为CH340G；所述整流滤波模块为整流桥。
所述输入输出模块包括IO口输入端和光电隔离器，IO口输入端连接光电隔离器，光电隔离器连接FPGA控制器，所述光电隔离器的型号为PS2805-4。
本发明所述的一种交流伺服控制系统，解决了交流伺服控制系统与多种编码器兼容的问题，实现了DSP+FPGA作为控制平台的高性能伺服控制系统。
附图说明
图1是本发明的原理方框图；
图2是本发明的编码器接口模块的原理图；
图中：控制板1、功率板2开关电源3、整流滤波模块4、IGBT功率放大模块5、电流检测模块6、编码器接口模块7、FPGA控制器8、 DSP控制器9、通信模块10、输入输出模块11。
具体实施方式
如图1-2所示的一种交流伺服控制系统，包括控制板1和功率板2，控制板1与功率板2电连接；
功率板2包括开关电源3、整流滤波模块4、IGBT功率放大模块5 (所述IGBT功率放大模块5为现有技术，故不详细叙述)和电流检测模块6，整流滤波模块4的输入端连接外部三相电，整流滤波模块 4的输出端连接IGBT功率放大模块5，电流检测模块6连接IGBT功率放大模块5，开关电源3为IGBT功率放大模块5和电流检测模块6 供电，IGBT功率放大模块5连接交流伺服电机；
控制板1包括编码器接口模块7、FPGA控制器8、DSP控制器9、通信模块10和输入输出模块11，编码器接口模块7连接FPGA，编码器接口模块7还连接所述交流伺服电机的编码器，FPGA控制器8连接DSP控制器9，通信模块10连接DSP控制器9，输入输出模块11 连接FPGA控制器8，所述电流检测模块6连接FPGA控制器8，所述开关电源3为编码器接口模块7、FPGA控制器8、DSP控制器9、通信模块10和输入输出模块11供电。
所述开关电源3设有3.3V电源模块和3V电源模块，所述3.3V电源模块输出3.3V电源，所述3V电源模块输出3V电源，所述3.3V电源模块的型号为AMS1117-3.3V，所述3V电源模块的型号为 LP2980AIM5-3.0。
所述编码器接口模块7包括电感L16、电容C83、电阻R78、电阻 R82、电感L17、电阻R76、电阻R80、电阻R72、电阻R84、电容C86、电阻R81、电阻R83、放大器U16、电容C89、电容C84、电容C85、 AD模块U17、电阻R73、电阻R74、电阻R77、电阻R79、总线接收器 U18、电阻R75、电容C90、电感L18、电容C91、电阻R88、电阻R91、电感L19、电阻R87、电阻R89、电容C94、电阻R86、电阻R95、电阻R90、电阻R92、电容C96、电容C92、电容C93、AD模块U20、电感L20、电容C98、电阻R96、电阻R97、电感L21、电感L41、电容 C221、电阻R242、电阻R243、电感L42、电感L22、电容C99、电阻 R98、电阻R99、电感L23、总线接收器U19、电容C95、电阻R93和电阻R94，电感L16的1脚、电感L17的1脚、电感L18的1脚、电感L19的1脚、电感L20的1脚、电感L21的1脚、电感L41的1脚、电感L42的1脚、电感L22的1脚和电感L23的1脚均连接所述编码器，电感L16的2脚通过电阻R76连接放大器U16的3脚，电感L16 的2脚通过电阻R78连接电容C83的2脚，电容C83的1脚连接地线，电感L16的2脚还连接总线接收器U18的2脚，电感L17的2脚通过电阻R82连接电容C83的2脚，电感L17的2脚连接总线接收器U18 的1脚，电感L17的2脚还通过电阻R84连接电容C89的1脚，C89 的2脚连接放大器U16的1脚，放大器U16的2脚连接电容C89的1 脚，放大器U16的2脚还通过并联连接的电阻R81和电阻R83连接放大器U16的1脚，放大器U16的3脚通过电阻R72连接所述3V电源，放大器U16的3脚还通过并联连接的电阻R80和电容C86连接地线，放大器U16的1脚连接AD模块U17的3脚，AD模块U17的1脚连接所述3V电源，AD模块U17的1脚还通过并联连接的电容C84和电容 C85连接地线，AD模块U17的2脚连接地线，AD模块U17的4脚和6 脚均连接所述FPGA控制器8，AD模块U17的5脚通过电阻R77连接FPGA控制器8，AD模块U17的6脚还通过电阻R73连接所述3.3V电源，AD模块U17的4脚还通过电阻R74连接所述3.3V电源；
电感L18的2脚通过电阻R87连接放大器U16的5脚，电感L18 的2脚通过电阻R88连接电容C91的2脚，电容C91的1脚连接地线，电感L18的2脚还连接总线接收器U18的6脚，电感L19的2脚通过电阻R91连接电容C91的2脚，电感L19的2脚连接总线接收器U18 的7脚，电感L19的2脚还通过电阻R95连接电容C96的1脚，C96 的2脚连接放大器U16的7脚，放大器U16的6脚连接电容C96的1 脚，放大器U16的6脚还通过并联连接的电阻R90和电阻R92连接放大器U16的7脚，放大器U16的5脚通过电阻R86连接所述3V电源，放大器U16的5脚还通过并联连接的电阻R89和电容C94连接地线，放大器U16的7脚连接AD模块U20的3脚，AD模块U20的1脚连接所述3V电源，AD模块U20的1脚还通过并联连接的电容C92和电容 C93连接地线，AD模块U20的2脚连接地线，AD模块U20的5脚通过电阻R79连接FPGA控制器8，AD模块U20的4脚还连接AD模块 U17的4脚，AD模块U20的6脚还连接AD模块U17的6脚；
电感L20的2脚通过电阻R96连接电容C98的2脚，电容C98的 1脚连接地线，电感L21的2脚通过电阻R97连接电容C98的2脚，电感L20的2脚连接总线接收器U18的10脚，电感L21的2脚连接总线接收器U18的9脚；
电感L41的2脚通过电阻R242连接电容C221的2脚，电容C221 的1脚连接地线，电感L42的2脚通过电阻R243连接电容C221的2 脚，电感L41的2脚连接总线接收器U18的14脚，电感L42的2脚连接总线接收器U18的15脚；
电感L22的2脚通过电阻R98连接电容C99的2脚，电容C99的 1脚连接地线，电感L23的2脚通过电阻R99连接电容C99的2脚，电感L22的2脚连接总线接收器U19的10脚，电感L23的2脚连接总线接收器U19的11脚；
电感L20的2脚还连接总线接收器U19的2脚，电感L21的2脚还连接总线接收器U19的3脚；
总线接收器U18的16脚连接所述3.3V电源，总线接收器U18的 4脚和12脚均通过电阻R75连接所述3.3V电源，总线接收器U18的 16脚还通过电容C90连接地线，总线接收器U18的8脚连接地线，总线接收器U18的3脚、5脚、11脚和13脚均连接所述FPGA控制器 8；
总线接收器U19的8脚、7脚和15脚均连接地线，总线接收器U19 的16脚连接所述3.3V电源，总线接收器U19的16脚还通过电容C95 连接地线，总线接收器U19的1脚、9脚、4脚和12脚均连接所述 FPGA控制器8，总线接收器U19的4脚通过电阻R94连接地线，总线接收器U19的12脚通过电阻R93连接地线。
所述总线接收器U18的型号为DS34LV86T，所述总线接收器U19 的型号为DS34LV87T。
所述放大器U16的型号为TLV2462IDGK；所述AD模块U20和所述 AD模块U17的型号均为ADC121S101。
所述FPGA控制器8的型号为EP4CE22F256；所述DSP控制器9的型号为MC56F8346。
所述通信模块10为USB模块，所述USB模块的型号为CH340G；所述整流滤波模块4为整流桥。
所述输入输出模块11包括IO口输入端和光电隔离器，IO口输入端连接光电隔离器，光电隔离器连接FPGA控制器8，所述光电隔离器的型号为PS2805-4。
所述电流检测模块6的型号为ADC121S101。
工作时，本发明主要包括控制板1和功率板2，控制板1主要任务是读取来自电机的电流、角度信号，根据控制要求在DSP+FPGA主控芯片内经过计算，产生输出到功率板2的PWM脉冲指令信号，同时处理与外部控制器的信号交互；功率板2主要通过来自控制板1的 PWM指令信号，实现对输入电源的可控变频输出，实现电机按照外部控制器所发的指令进行功率放大控制。
如图2所示，所述编码器接口模块7能够读取电机角度位置反馈信号供主控芯片使用，现在市场上主流的编码器有数字增量式编码器、数字绝对值式编码器、模拟式正余旋编码器等。
为了扩展伺服驱动器的使用范围需要设计的编码器接口能够支持市场上所有主流编码器，本发明所设计的电机编码器接口电路能够在一个接线端子上兼容所有主流编码器。
所述通信模块10实现了与PC上位机通信，接收PC上位机发来的控制指令。
输入输出模块11实现与外部控制器的信息交互功能，通过光耦隔离输入端口，外部控制器能够实现对所述一种交流伺服控制系统的开关量控制。
本发明所述的一种交流伺服控制系统，解决了交流伺服控制系统与多种编码器兼容的问题，实现了DSP+FPGA作为控制平台的高性能伺服控制系统。
Claims (4)
1.一种交流伺服控制系统，其特征在于：包括控制板(1)和功率板(2)，控制板(1)与功率板(2)电连接；
功率板(2)包括开关电源(3)、整流滤波模块(4)、IGBT功率放大模块(5)和电流检测模块(6)，整流滤波模块(4)的输入端连接外部三相电，整流滤波模块(4)的输出端连接IGBT功率放大模块(5)，电流检测模块(6)连接IGBT功率放大模块(5)，开关电源(3)为IGBT功率放大模块(5)和电流检测模块(6)供电，IGBT功率放大模块(5)连接交流伺服电机；
控制板(1)包括编码器接口模块(7)、FPGA控制器(8)、DSP控制器(9)、通信模块(10)和输入输出模块(11)，编码器接口模块(7)连接FPGA，编码器接口模块(7)还连接所述交流伺服电机的编码器，FPGA控制器(8)连接DSP控制器(9)，通信模块(10)连接DSP控制器(9)，输入输出模块(11)连接FPGA控制器(8)，所述电流检测模块(6)连接FPGA控制器(8)，所述开关电源(3)为编码器接口模块(7)、FPGA控制器(8)、DSP控制器(9)、通信模块(10)和输入输出模块(11)供电；
所述编码器接口模块(7)包括电感L16、电容C83、电阻R78、电阻R82、电感L17、电阻R76、电阻R80、电阻R72、电阻R84、电容C86、电阻R81、电阻R83、放大器U16、电容C89、电容C84、电容C85、AD模块U17、电阻R73、电阻R74、电阻R77、电阻R79、总线接收器U18、电阻R75、电容C90、电感L18、电容C91、电阻R88、电阻R91、电感L19、电阻R87、电阻R89、电容C94、电阻R86、电阻R95、电阻R90、电阻R92、电容C96、电容C92、电容C93、AD模块U20、电感L20、电容C98、电阻R96、电阻R97、电感L21、电感L41、电容C221、电阻R242、电阻R243、电感L42、电感L22、电容C99、电阻R98、电阻R99、电感L23、总线接收器U19、电容C95、电阻R93和电阻R94，电感L16的1脚、电感L17的1脚、电感L18的1脚、电感L19的1脚、电感L20的1脚、电感L21的1脚、电感L41的1脚、电感L42的1脚、电感L22的1脚和电感L23的1脚均连接所述编码器，电感L16的2脚通过电阻R76连接放大器U16的3脚，电感L16的2脚通过电阻R78连接电容C83的2脚，电容C83的1脚连接地线，电感L16的2脚还连接总线接收器U18的2脚，电感L17的2脚通过电阻R82连接电容C83的2脚，电感L17的2脚连接总线接收器U18的1脚，电感L17的2脚还通过电阻R84连接电容C89的1脚，C89的2脚连接放大器U16的1脚，放大器U16的2脚连接电容C89的1脚，放大器U16的2脚还通过并联连接的电阻R81和电阻R83连接放大器U16的1脚，放大器U16的3脚通过电阻R72连接3V电源，放大器U16的3脚还通过并联连接的电阻R80和电容C86连接地线，放大器U16的1脚连接AD模块U17的3脚，AD模块U17的1脚连接3V电源，AD模块U17的1脚还通过并联连接的电容C84和电容C85连接地线，AD模块U17的2脚连接地线，AD模块U17的4脚和6脚均连接所述FPGA控制器(8)，AD模块U17的5脚通过电阻R77连接FPGA控制器(8)，AD模块U17的6脚还通过电阻R73连接3.3V电源，AD模块U17的4脚还通过电阻R74连接3.3V电源；
电感L18的2脚通过电阻R87连接放大器U16的5脚，电感L18的2脚通过电阻R88连接电容C91的2脚，电容C91的1脚连接地线，电感L18的2脚还连接总线接收器U18的6脚，电感L19的2脚通过电阻R91连接电容C91的2脚，电感L19的2脚连接总线接收器U18的7脚，电感L19的2脚还通过电阻R95连接电容C96的1脚，C96的2脚连接放大器U16的7脚，放大器U16的6脚连接电容C96的1脚，放大器U16的6脚还通过并联连接的电阻R90和电阻R92连接放大器U16的7脚，放大器U16的5脚通过电阻R86连接3V电源，放大器U16的5脚还通过并联连接的电阻R89和电容C94连接地线，放大器U16的7脚连接AD模块U20的3脚，AD模块U20的1脚连接3V电源，AD模块U20的1脚还通过并联连接的电容C92和电容C93连接地线，AD模块U20的2脚连接地线，AD模块U20的5脚通过电阻R79连接FPGA控制器(8)，AD模块U20的4脚还连接AD模块U17的4脚，AD模块U20的6脚还连接AD模块U17的6脚；
电感L20的2脚通过电阻R96连接电容C98的2脚，电容C98的1脚连接地线，电感L21的2脚通过电阻R97连接电容C98的2脚，电感L20的2脚连接总线接收器U18的10脚，电感L21的2脚连接总线接收器U18的9脚；
电感L41的2脚通过电阻R242连接电容C221的2脚，电容C221的1脚连接地线，电感L42的2脚通过电阻R243连接电容C221的2脚，电感L41的2脚连接总线接收器U18的14脚，电感L42的2脚连接总线接收器U18的15脚；
电感L22的2脚通过电阻R98连接电容C99的2脚，电容C99的1脚连接地线，电感L23的2脚通过电阻R99连接电容C99的2脚，电感L22的2脚连接总线接收器U19的10脚，电感L23的2脚连接总线接收器U19的11脚；
电感L20的2脚还连接总线接收器U19的2脚，电感L21的2脚还连接总线接收器U19的3脚；
总线接收器U18的16脚连接3.3V电源，总线接收器U18的4脚和12脚均通过电阻R75连接3.3V电源，总线接收器U18的16脚还通过电容C90连接地线，总线接收器U18的8脚连接地线，总线接收器U18的3脚、5脚、11脚和13脚均连接所述FPGA控制器(8)；
总线接收器U19的8脚、7脚和15脚均连接地线，总线接收器U19的16脚连接3.3V电源，总线接收器U19的16脚还通过电容C95连接地线，总线接收器U19的1脚、9脚、4脚和12脚均连接所述FPGA控制器(8)，总线接收器U19的4脚通过电阻R94连接地线，总线接收器U19的12脚通过电阻R93连接地线；
所述总线接收器U18的型号为DS34LV86T，所述总线接收器U19的型号为DS34LV87T；
所述放大器U16的型号为TLV2462IDGK；所述AD模块U20和所述AD模块U17的型号均为ADC121S101；
所述FPGA控制器(8)的型号为EP4CE22F256；所述DSP控制器(9)的型号为MC56F8346。
2.如权利要求1所述的一种交流伺服控制系统，其特征在于：所述开关电源(3)设有3.3V电源模块和3V电源模块，3.3V电源模块输出3.3V电源，3V电源模块输出3V电源，3.3V电源模块的型号为AMS1117-3.3V，3V电源模块的型号为LP2980AIM5-3.0。
3.如权利要求2所述的一种交流伺服控制系统，其特征在于：所述通信模块(10)为USB模块，所述USB模块的型号为CH340G；所述整流滤波模块(4)为整流桥。
4.如权利要求3所述的一种交流伺服控制系统，其特征在于：所述输入输出模块(11)包括IO口输入端和光电隔离器，IO口输入端连接光电隔离器，光电隔离器连接FPGA控制器(8)，所述光电隔离器的型号为PS2805-4。
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