CN107748524B - 基于单片机和fpga的双电机高速高精伺服控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统及其方法，系统，包括：上位机，连接于上位机的位置环控制器，连接于上述位置环控制器的第一电机、第二电机，连接于第一电机、第二电机的负载盘，连接于负载盘并将位置反馈给位置环控制器的旋转变压器；位置环控制器组成有：由单片机和FPGA控制架构组成的PID控制器，接收PID控制器发出的12路PWM的驱动器。本发明的程序循环运行时间短，运行速度快，且可以进行复杂的逻辑运算；实现双电机的同步控制系统，具有更高的响应速度和控制精度；控制方法在不影响双电机同步的情况下，能有效消除齿轮间隙，达到精确定位的目的。

Description

基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及机械控制领域，特别是一种双电机伺服控制系统及其控制方法。

背景技术

雷达伺服系统是控制雷达位置及各种运动参数的电子设备，是典型的机电自动化控制技术。

雷达伺服转台方位传动系统是雷达转台的重要组成部分，其作用是驱动雷达天线进行高速度、高精度的方向定位，能自动转动天线去捕获、跟踪目标，因此也叫做随动系统。雷达控制系统由机械传动部分和伺服控制部分组成，能实现雷达天线的正转、反转、跟踪和停止。

伺服系统需要实时获取天线的位置信息，常用的监测位置的装置是旋转变压器，其特点是结构简单、抗干扰能力强、工作稳定可靠、对环境要求低。伺服控制的精度直接影响雷达跟踪精度，一般选用16位分辨率的旋转变压器。

随着电力电子技术、高性能数字信号处理技术的发展，雷达伺服驱动朝着数字化、交流驱动、快速响应速度及高精度位置随动方向发展。由于天线负载转动惯量大，功率大等需求单电机伺服系统无论在功率和性能上都很难满足要求，因此采用双电机联动的方法。双电机联动的优点不仅能提高效率，在需要大加速度时，两个电机向同一个方向上的出力，使转台获得高速性能，避免了采用单电机对驱动器的大电流要求。但是机械齿轮存在固有的齿隙，造成天线定位不准确。

传统只以单片机为CPU的控制器，单片机属于单线程，并行能力差，一般采用中断方式处理系统控制，程序循环运行需要时间，无法进行并行处理，对于高速高精的伺服运动场合不能满足要求。单以FPGA为CPU的控制器，虽然并行能力强，运行速度快，但是对于运动控制中的算法处理实现比较复杂，开发周期长。本发明解决这样的问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统及其控制方法，PID控制器由单片机和FPGA控制架构组成，程序循环运行时间短，运行速度快，且可以进行复杂的逻辑运算；实现双电机的同步控制系统，具有更高的响应速度和控制精度；控制方法在不影响双电机同步的情况下，能有效消除齿轮间隙，达到精确定位的目的。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，包括：上位机，连接于上位机的位置环控制器，连接于上述位置环控制器的第一电机、第二电机，连接于第一电机、第二电机的负载盘，连接于负载盘并将位置反馈给位置环控制器的旋转变压器；位置环控制器组成有：由单片机和FPGA控制架构组成的PID控制器，接收PID控制器发出的12路PWM的驱动器。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，还包括：设置于第一电机、第二电机上并通讯于位置环控制器的霍尔传感器。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，还包括：解析位置信号的旋转变压器解码芯片，传输旋转变压器解码芯片与FPGA之间的信息的SPI接口。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，旋转变压器采用多摩川高精度旋转变压器；旋转变压器解码芯片采用AD2S1210，分辨率采用16位，精度达到±2.5弧分。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，还包括：检测系统内电压、电流并将信息传输到FPGA的模数转换器。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，单片机采用Infineon公司的32位以ARM Cortex-M4为核心处理器的XMC4500系列的单片机。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统， FPGA采用XILINX的Spartan-6系列，外部晶振为100MHz；电机为直流无刷电机。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，负载盘组成有：连接于电机的减速箱，连接于上述减速箱的转台。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，包括如下步骤：步骤一，单片机初始化，FPGA初始化，上位机通过串口通信发送目标位置信号和控制信号，单片机内部集成的UART模块接收和发送位置信号及控制信号，旋转变压器解码芯片将负载当前位置迅速解析，通过SPI接口读取转台的位置信号，读取第一电机、第二电机的霍尔传感器的状态信号，确定电机位置，通过模数转换器检测电压、电流信号，FPGA将位置信息及伺服状态信息数据打包，通过并行IO口将数据上传至单片机中；

步骤二，单片机利用串口中断将状态信息上传至上位机，上位机显示电机当前状态信息，利用UART模块中断将命令下发至单片机，单片机对指令位置和当前位置进行PID计算，同时根据霍尔传感器发出的信号计算出电机换相指令，将位置参数信息、电机换相信息及其他控制指令打包，通过并行IO口发送至FPGA；

步骤三，FPGA将数据解析，将PID位置参数加上和减去齿轮消隙参数M后得到两个控制参数分别控制第一电机、第二电机的控制信号，生成12路PWM驱动信号给驱动器；

步骤四，驱动器驱动第一电机、第二电机，经过减速齿轮后即可转动到指定的位置，旋转变压器通过解码芯片将位置信号返回给FPGA，打包上传至单片机，单片机内部2个独立的POSIF资源用来接收FPGA上传的2个电机的6路霍尔传感器的信号，判断出电机的当前位置及期望位置，实现第一电机、第二电机的换相；

步骤五，通过串口中断反馈给上位机显示，构成完整的伺服闭环系统。

前述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，齿轮消隙参数M的计算过程是：

设需要补偿的齿轮间隙长度为S，两个电机精确定位时是两个电机向相反的方向旋转，由此得出单个电机需要补偿的齿轮间隙长度为0.5S；

PWM周期值范围为0~Y，对应的PWM占空比为0~100%，100%占空比对应的单个电机最大速度为V；

设齿轮间隙补偿时间为T，单个电机补偿的间隙为0.5S，电机补偿的速度为V，则0.5S=V*T，那么补偿参数M=Y；

如果需要0.1V的速度补偿相同的齿轮间隙0.5S，则需要的时间为5T，而对应的补偿参数M=0.1Y。

本发明的有益之处在于：

1，PID控制器由单片机和FPGA控制架构组成，程序循环运行时间短，运行速度快，且可以进行复杂的逻辑运算；利用单片机和FPGA具有很强的互补特性。单片机属于单线程，程序需要周期运行，所以运算速度慢，主要用来完成双电机伺服的主循环控制；FPGA的优势在于并行运算，具有快速的逻辑运算能力，并且具有丰富的IO，完成双电机伺服控制的逻辑处理；

2，采用第一电机、第二电机驱动方案，在需要大加速度时，使转台获得高速性能，避免了采用单电机对驱动器的大电流要求；在转台精确定位时，有效地消除由于齿轮传动所带来的间隙对控制精度的影响，提高转台精度；实现双电机的同步控制系统，具有更高的响应速度和控制精度；

3，为了消除齿隙，引入了消隙参数M，添加消隙参数M后得到两个电机各自的PWM占空比参数，经过FPGA逻辑运算后输出各自的PWM驱动信号至驱动板，实现在不影响双电机同步的情况下，能有效消除齿轮间隙，达到精确定位的目的。

附图说明

图1是本发明伺服控制系统的一种实施例的结构示意图；

图2是应用本发明的军用雷达伺服系统的一种实施例的结构示意图；

图3是本发明PID控制器的一种实施例的结构示意图；

图4是本发明控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，包括：上位机，连接于上位机的位置环控制器，连接于上述位置环控制器的第一电机、第二电机，连接于第一电机、第二电机的负载盘，连接于负载盘并将位置反馈给位置环控制器的旋转变压器；位置环控制器组成有：由单片机和FPGA控制架构组成的PID控制器，接收PID控制器发出的12路PWM的驱动器。

伺服控制系统，还包括：设置于第一电机、第二电机上并通讯于位置环控制器的霍尔传感器。霍尔传感器实时采样三相电机的霍尔信号，FPGA中加入霍尔滤波，能滤除干扰信号，防止换相误动作。

伺服控制系统，还包括：解析位置信号的旋转变压器解码芯片，传输旋转变压器解码芯片与FPGA之间的信息的SPI接口。

伺服控制系统，旋转变压器采用多摩川高精度旋转变压器；旋转变压器解码芯片采用AD2S1210，分辨率采用16位，精度达到±2.5弧分。

伺服控制系统，还包括：检测系统内电压、电流并将信息传输到FPGA的模数转换器。需要说明的是：模数转换器（ADC）能够实时监测系统中的电压、电流，从而能实时快速的监测到电机的过电压、过电流状态，一旦出现故障能迅速地处理。

作为一种实施例，单片机采用Infineon公司的32位以ARM Cortex-M4为核心处理器的XMC4500系列的单片机，该单片机具有两个三相无刷电机的配置资源。FPGA采用XILINX的Spartan-6系列，外部晶振为100MHz。电机为三相无刷直流电机。

负载盘采用1:100的减速齿轮；或是负载盘组成有：连接于电机的减速箱，连接于上述减速箱的转台。

图3为控制器的结构示意图。利用单片机内部集成的UART模块接收和发送位置信号及控制信号；旋转变压器解码芯片将负载当前位置迅速解析，通过SPI读取，SPI速率高达20M，能实时读取负载当前位置。另外单片机内部2个独立的POSIF资源用来接收FPGA上传的2个BLDC电机的6路HALL信号，判断出电机的当前位置及期望位置，顺利实现两个电机的换相。此功能在单片机中实现简单且稳定，这是FPGA实现起来困难之处。单片机将位置信号及控制信号经过PID控制器运算后，通过并行IO发送给FPGA，FPGA利用强大的逻辑运算能力解析和处理控制信号。控制信号加上或减去消隙参数后得到电机1和电机2的驱动信号，分别产生12路PWM信号。FPGA能轻松实现PWM驱动信号数百KHz以上的频率，对电机精确定位起着至关重要的作用。伺服控制系统中的电压、电流ADC检测能实时快速的监测电机的过电压、过电流状态，一旦出现故障能迅速地处理。HALL模块实时采样三相电机的霍尔信号，FPGA中加入霍尔滤波，能滤除干扰信号，防止换相误动作。旋转变压器精度决定伺服控制的精度，实施例采用多摩川高精度旋转变压器。旋转变压器解码芯片采用AD2S1210，分辨率采用16位，精度达到±2.5弧分。

如图4所示，基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一，单片机初始化，FPGA初始化，上位机通过串口通信发送目标位置信号和控制信号，单片机内部集成的UART模块接收和发送位置信号及控制信号，旋转变压器解码芯片将负载当前位置迅速解析，通过SPI接口读取转台的位置信号，读取第一电机、第二电机的霍尔传感器的状态信号，确定电机位置，通过模数转换器检测电压、电流信号，FPGA将位置信息及伺服状态信息数据打包，通过并行IO口将数据上传至单片机中。

步骤二，单片机利用串口中断将状态信息上传至上位机，上位机显示电机当前状态信息，利用UART模块中断将命令下发至单片机，单片机对指令位置和当前位置进行PID计算，同时根据霍尔传感器发出的信号计算出电机换相指令，将位置参数信息、电机换相信息及其他控制指令打包，通过并行IO口发送至FPGA；

需要说明的是；在达位过程初期需要大加速度时，目标位置和当前位置经过PID控制器计算后，PWM占空比接近最大，第一电机、第二电机向同一个方向上的出力，使转台获得高速性能，避免了采用单电机对驱动器的大电流要求，使伺服系统具有快速的响应能力；

在接近目标位置时, PID控制器计算后的动态参数接近0，将此参数分别加上和减去消隙参数M后得到一正一负两个控制参数分别控制第一电机和第二电机，此时第一电机、第二电机往相反的方向出力，其中一台电机提供阻尼作用，能消除精确定位过程中的齿隙。

齿轮消隙参数M的计算过程是：

设需要补偿的齿轮间隙长度为S，两个电机精确定位时是两个电机向相反的方向旋转，由此得出单个电机需要补偿的齿轮间隙长度为0.5S；

PWM周期值范围为0~Y，对应的PWM占空比为0~100%，100%占空比对应的单个电机最大速度为V；

设齿轮间隙补偿时间为T，单个电机补偿的间隙为0.5S，电机补偿的速度为V，则0.5S=V*T，那么补偿参数M=Y；

如果需要0.1V的速度补偿相同的齿轮间隙0.5S，则需要的时间为5T，而对应的补偿参数M=0.1Y。

步骤三，FPGA将数据解析，将PID位置参数加上和减去齿轮消隙参数M后得到两个控制参数分别控制第一电机、第二电机的控制信号，生成12路PWM驱动信号给驱动器。

步骤四，驱动器驱动第一电机、第二电机，经过减速齿轮后，负载天线就可以转动到指定的位置，旋转变压器通过解码芯片将位置信号返回给FPGA，打包上传至单片机，单片机内部2个独立的POSIF资源用来接收FPGA上传的2个电机的6路霍尔传感器的信号，判断出电机的当前位置及期望位置，实现第一电机、第二电机的换相。

步骤五，通过串口中断反馈给上位机显示，构成完整的伺服闭环系统。

作为本系统的一种应用，图2为一种基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的军用伺服雷达装置，包括上位机、控制器、驱动器、两个三相无刷直流电机、负载盘、高精度旋转变压器和天线负载。控制器、驱动器、电机和旋转变压器位于舱体内，负载盘采用1:100的减速齿轮。天线负载6KG，能360度快速旋转和精确定位。

上位机通过串口通信发送目标位置信号和控制信号，单片机利用串口中断接收，将位置信息和控制信息解析，将其下发给FPGA处理，FPGA运算将得到两个电机的控制信号发送给驱动器驱动两个BLDC电机，经过减速齿轮后转动负载天线达到指定的位置，旋转变压器通过解解码芯片将位置信号返回给FPGA，打包上传至单片机，通过串口中断反馈给上位机显示，构成了完整的伺服闭环系统。

本发明提供一种基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统及其控制方法，PID控制器由单片机和FPGA控制架构组成，程序循环运行时间短，运行速度快，且可以进行复杂的逻辑运算；实现双电机的同步控制系统，具有更高的响应速度和控制精度；控制方法在不影响双电机同步的情况下，能有效消除齿轮间隙，达到精确定位的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，其特征在于，所述基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，包括：

上位机，连接于上位机的位置环控制器，连接于上述位置环控制器的第一电机、第二电机，连接于上述第一电机、第二电机的负载盘，连接于上述负载盘并将位置反馈给位置环控制器的旋转变压器；上述位置环控制器组成有：由单片机和FPGA控制架构组成的PID控制器，接收PID控制器发出的12路PWM的驱动器；还包括：解析位置信号的旋转变压器解码芯片，传输旋转变压器解码芯片与FPGA之间的信息的SPI接口，检测系统内电压、电流并将信息传输到FPGA的模数转换器；

还包括：设置于上述第一电机、第二电机上并通讯于位置环控制器的霍尔传感器；

上述旋转变压器采用多摩川高精度旋转变压器；旋转变压器解码芯片采用AD2S1210，分辨率采用16位，精度达到±2.5弧分；

上述单片机采用Infineon公司的32位以ARM Cortex-M4为核心处理器的XMC4500系列的单片机；

上述FPGA采用XILINX的Spartan-6系列，外部晶振为100MHz；上述电机为直流无刷电机；

上述负载盘组成有：连接于上述电机的减速箱，连接于上述减速箱的转台；

具体包括如下步骤：步骤一，单片机初始化，FPGA初始化，上位机通过串口通信发送目标位置信号和控制信号，单片机内部集成的UART模块接收和发送位置信号及控制信号，旋转变压器解码芯片将负载当前位置迅速解析，通过SPI接口读取转台的位置信号，读取第一电机、第二电机的霍尔传感器的状态信号，确定电机位置，通过模数转换器检测电压、电流信号，FPGA将位置信息及伺服状态信息数据打包，通过并行IO口将数据上传至单片机中；

步骤二，单片机利用串口中断将状态信息上传至上位机，上位机显示电机当前状态信息，利用UART模块中断将命令下发至单片机，单片机对指令位置和当前位置进行PID计算，同时根据霍尔传感器发出的信号计算出电机换相指令，将位置参数信息、电机换相信息及上位机发送的控制信号打包，通过并行IO口发送至FPGA；

步骤三，FPGA将数据解析，将PID位置参数加上和减去齿轮消隙参数M后得到两个控制参数分别控制第一电机、第二电机的控制信号，生成12路PWM驱动信号给驱动器；

步骤四，驱动器驱动第一电机、第二电机，经过减速齿轮后即可转动到指定的位置，旋转变压器通过解码芯片将位置信号返回给FPGA，打包上传至单片机，单片机内部2个独立的POSIF资源用来接收FPGA上传的2个电机的6路霍尔传感器的信号，判断出电机的当前位置及期望位置，实现第一电机、第二电机的换相；

步骤五，通过串口中断反馈给上位机显示，构成完整的伺服闭环系统。

2.根据权利要求1所述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，其特征在于，上述齿轮消隙参数M的计算过程是：

设需要补偿的齿轮间隙长度为S，两个电机精确定位时是两个电机向相反的方向旋转，由此得出单个电机需要补偿的齿轮间隙长度为0.5S；

PWM周期值范围为0～Y，对应的PWM占空比为0～100％，100％占空比对应的单个电机最大速度为V；

设齿轮间隙补偿时间为T，单个电机补偿的间隙为0.5S，电机补偿的速度为V，则0.5S＝V*T，那么补偿参数M＝Y；

如果需要0.1V的速度补偿相同的齿轮间隙0.5S，则需要的时间为5T，而对应的补偿参数M＝0.1Y。

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