CN112532142B - 一种agv双轴舵轮基于fpga高度资源复用的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统。所述AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统包括由同一FPGA芯片系统控制的行走电机电流控制系统和转向电机电流控制系统，所述行走电机电流控制系统和所述转向电机电流控制系统并行设置，且均采用FOC算法，所述FPGA芯片系统包括两个乘法器，两个所述乘法器分别对所述行走电机电流控制系统及所述转向电机电流控制系统的计算算法进行分时复用式计算。本发明基于低成本FPGA，提出一种芯片资源高度复用的FOC算法，实现双轴AGV驱动控制。

Description

一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统
技术领域
本发明涉及AGV双轴舵轮控制系统技术领域，特别涉及一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统。
背景技术
现今，智能工厂得到快速发展，工业机器人代替了传统的人工重复性工作，自动导航车(AutomatedGuidedVehicle,简称AGV)代替了体力搬运，无论是在制造业还是在仓储业对AGV的需求都日益提高。AGV无人搬运车是柔性生产线和立体库等现代仓储体系的关键设备之一，具有自动化程度高、灵敏性，安全性好等特色，所以在汽车制造业、家电行业、重工等自动化生产和仓储体系得到了广泛的应用。
市面上实现AGV的控制方式大部分选用高端数字信号处理器(DSP)实现复杂的控制算法(FOC)，或者选用低成本控制芯片(MCU)实现简单的算法控制(开环控制或者六步方波闭环控制)，但是随着这市场需求日益增多，对现有AGV驱动器提出了成本、控制精度、同步性等提出了更高的要求。
发明内容
本发明提供了一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统，其目的是为了解决背景技术中成本高、控制精度不高、不同步的问题，基于低成本FPGA，提出一种FPGA资源高度复用的FOC算法，实现双轴AGV驱动控制。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供的一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统，包括由同一FPGA芯片系统控制的行走电机电流控制系统和转向电机电流控制系统，所述行走电机电流控制系统和所述转向电机电流控制系统并行设置，且均采用FOC算法，所述FPGA芯片系统包括两个乘法器，两个所述乘法器分别对所述行走电机电流控制系统及所述转向电机电流控制系统的计算算法进行分时复用式计算。
优选地，所述行走电机电流控制系统控制算法为FOC1，所述转向电机电流控制系统控制算法为FOC2，所述FOC1及所述FOC2算法包括依次进行的下述公式:
Clark变换公式：
Figure GDA0004001525520000021
Clark变换为将静止的a电流,b电流变换成静止的两相α,β；
Park变换公式：
Figure GDA0004001525520000022
Park变换为将静止的α轴，β轴电流变换成旋转的q轴和d轴电流；
PI调节变换公式：
Figure GDA0004001525520000023
PI转换为电流电压转换，具体为对可调的PI参数、当前交轴q轴电流设定值的Iq-ref、直轴Id轴电流设定值Id-ref进行乘加，实现PI转换；其中，Kp,Kd均为可调16-bits的PI参数；
PrePark变换公式：
Figure GDA0004001525520000024
PrePark变换为将Uq,Ud进行矢量分解，计算投影到α轴和β轴上的电压分量；
PreClark变换公式：
Figure GDA0004001525520000025
PreClark变换将静止的两相α轴和β轴上的电压变换成静止的三相a,b,c上的电压；
上述变换公式为电流数据通过乘法器进行数据处理的公式，公式左边为数据处理后的电流或电压数据，公式右边为数据处理前的电流或电压，θ为静止的α轴，β轴电流变换成旋转的q轴交轴和d轴直轴电流时的变换参数。
优选地，对所述FOC1及所述FOC2进行所述分时复用式计算处理方式具体为：乘法器输入两个16位数据A[15:0]、B[15:0]，乘法器计算结果输出32位数据P[31:0],对于低16位进行截断处理，得到16位结果P[31:16]，继续投入到下一步运算，再准备好输入的数据A[15:0],B[15:0]，使能时钟CLK输入有效信号，时钟CLK信号产生2个上升沿，便可以得到计算结果P[31:0]。
优选地，所述Clark变换公式计算方法具体为：外部12位的模数转换器按照16K频率同时采集行走电机的U、V两相(对应为公式中的A相和B相)电流Ia1、Ib1，和转向电机的U、V两相电流Ia2、Ib2，电流数据左移4位与16位数据对齐，使FOC1和FOC2同时进行计算，Ia1、Ib1先投入两路16位乘法器进行计算，再Ia2、Ib2复用乘法器进行Clark变换，所得结果是16位宽数据Iα1、Iβ1、Iα2、Iβ2；并行执行Sin计算模块，Sin计算模块通过查找ROM表进行角度计算，得到θ1、θ2正弦变换的结果sinθ1、cosθ1、sinθ2、cosθ2，θ1、θ2分别表示行走电机和转向电机电流转换成旋转的q轴和d轴电流的参数值。
优选地，所述Park变换公式计算方法具体为：将Clark变换公式计算和Sin计算模块计算的结果，分时投入两个乘法器中，实现Park变换公式计算，Park变换公式计算出的结果Id1、Iq1、Id2、Iq2。
优选地，所述PI调节变换公式、PrePark变换公式及PreClark变换公式的计算方法具体为：将Park变换公式计算出的结果Id1、Iq1、Id2、Iq2与可调的PI参数、当前q轴交轴电流设定值的Iq-ref、Id轴直轴电流设定值d-ref进行乘加，实现PI转换，得到Ud1、Uq1、Ud2、Uq2，再按照所述PI调节变换公式进行，再依次进行PrePark变换及PreClark变换。
优选地，所述FOC1及所述FOC2均还包括SVPWM转换，实现空间矢量脉宽调制，具体为：根据PrePark变换结果的符号判断对应行走电机和转向电机所在扇区，计算出行走电机和转向电机彼此的当前占空比PWMa、PWMb、PWMc，在成对的PWMa、PWMb、PWMc信号内部加入的死区时间，最终得到PWMa1_H、PWMa1_L、PWMb1_H、PWMb1_L、PWMc1_H、PWMc1_L、PWMa2_H、PWMa2_L、PWMb2_H、PWMb2_L、PWMc2_H、PWMc2_L，并通过PWMa1_H、PWMa1_L、PWMb1_H、PWMb1_L、PWMc1_H、PWMc1_L控制外接的行走电机驱动MOS对管；通过PWMa2_H、PWMa2_L、PWMb2_H、PWMb2_L、PWMc2_H、PWMc2_L控制外接的转向电机驱动MOS对管。
采用本发明能达到的技术效果有：基于低成本FPGA，提出一种FPGA资源高度复用的FOC算法，实现双轴AGV驱动控制。运算速度快，精度高，电流环控制效率高，提高外环的性能。FPGA(xc6slx9-2tqg144)内部具体DSP单元颗粒(DSP48A1)16个，单16位乘法器实现只需要1个DSP48A1，不需要额外的LUT6s资源，本发明权衡计算速度和当前FPGA内部资源，使用2个DSP48A1实现两路并行16位乘法器，资源利用率高，计算时间短。
附图说明
图1为本发明的一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统的一较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的问题，提供了一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统，如图1所示，包括由同一FPGA芯片系统控制的行走电机电流控制系统和转向电机电流控制系统，所述行走电机电流控制系统和所述转向电机电流控制系统并行设置，且均采用FOC算法(矢量控制，vector control)，所述FPGA芯片系统包括两个乘法器，两个所述乘法器分别对所述行走电机电流控制系统及所述转向电机电流控制系统的计算算法进行分时复用式计算。
AGV小车驱动器外部连接2个电机，分别是行走电机和转向电机。电机种类都属于直流无刷电机(BLDC)，电机自带正交编码器(ABZ信号)。本实施例选用低成本FPGA，如Xilinxxc6slx9-2tqg144，实现两个电机同时控制，两轴均采用FOC控制算法，主要是通过对电机电流的控制实现对电机转矩(电流)控制。所述行走电机电流控制系统和所述转向电机电流控制系统分别控制所述行走电机和转向电机。
电流作为最内环，运算速度要求最快(本实施例设定为16KHz)，精度要求高，电流环控制是否基准直接影响外环的性能，其算法主要包括Clark变换(将静止的三相a,b,c变换成静止的两相α,β)、Park变换(将静止的α，β电流变换成旋转的q轴和d轴电流)、PrePark变换(Uq,Ud进行矢量分解，计算投影到α轴和β轴上的电压分量)、PreClark变换、SVPWM变换(实现空间矢量脉宽调制)。
在进行FOC控制之前，需对常规的算法进行公式变换，见下公式①、公式②、公式③、公式④、公式⑤
Clark变换将静止的a电流,b电流变换成静止的两相α,β
Figure GDA0004001525520000051
Clark变换为将静止的a电流,b电流变换成静止的两相α,β；
Park变换
Figure GDA0004001525520000052
Park变换为将静止的α轴，β轴电流变换成旋转的q轴和d轴电流；
PI变换
Figure GDA0004001525520000053
PI转换为电流电压转换，具体为对可调的PI参数、当前交轴q轴电流设定值的Iq-ref、直轴Id轴电流设定值Id-ref进行乘加，实现PI转换；其中，Kp,Kd均为可调16-bits的PI参数；
PrePark变换
Figure GDA0004001525520000054
PrePark变换为将Uq,Ud进行矢量分解，计算投影到α轴和β轴上的电压分量；
PreClark变换
Figure GDA0004001525520000061
变换为
Figure GDA0004001525520000062
变换为
Figure GDA0004001525520000063
变换为
Figure GDA0004001525520000064
/>
变换为
Figure GDA0004001525520000065
PreClark变换将静止的两相α轴和β轴上的电压变换成静止的三相a,b,c上的电压；
上述变换公式为电流数据通过乘法器进行数据处理的公式，公式左边为数据处理后的电流或电压数据，公式右边为数据处理前的电流或电压，θ为静止的α轴，β轴电流变换成旋转的q轴交轴和d轴直轴电流时的变换参数。
所述行走电机电流控制系统控制算法为FOC1，所述转向电机电流控制系统控制算法为FOC2，所述FOC1及所述FOC2算法包括依次进行的公式①Clark变换公式、公式②Park变换公式、公式③PI调节变换公式、公式④PrePark变换公式、公式⑤PreClark变换公式。
从上面分解的公式变换过程中可以看出每次计算变换，里面都会使用两次乘法，这里使用两个16位的乘法器，进行分时复用；
对所述FOC1及所述FOC2进行所述分时复用式计算处理方式具体为：数据输入端A[15:0]，B[15:0](最高位A[15]、B[15]是数据符号位)，送入计算的数据都需要对16’h7FFF进行归一化。输出结果是P[31:0]，此处对于低16位进行截断处理，得到P[15:0]投入下步运算中。在准备好输入数据A和B，使能时钟信号置位(CE由0变为1)，时钟CLK(Clock)产生2个上升沿，就可以得到计算结果P，整个计算过程在3个时钟CLK里面完成。单16位乘法器的实现若是采用6输入查找表(LUT6s)总共需要280个，但是该FPGA(xc6slx9-2tqg144)内部具体DSP单元颗粒(DSP48A1)16个，单16位乘法器实现只需要1个DSP48A1，不需要额外的LUT6s资源，本发明权衡计算速度和当前FPGA内部资源，使用2个DSP48A1实现两路并行16位乘法器。
上面公式中sinθ的计算均通过查找表迅速得到结果(1个时钟CLK)。sinθ计算表结果存在FPGA的单口ROM里面，ROM的输出宽度16位，深度是256，上电之后，ROM加载正弦转换结果Hex文件，可供FPGA内部随时读取对应数据。
对照坐标变换公式，最后形态的公式①、公式②、公式③、公式④、公式⑤，结合FPGA对于内部乘法器和Sin计算模块的复用，其调度如图1所示，下标为1的箭头表示数据流是控制AGV行走电机的算法FOC1，下表为2的箭头表示数据流是控制AGV转向电机算法FOC2。
所述Clark变换公式计算方法具体为：外部12位的模数转换器按照16K频率同时采集行走电机的U、V两相电流Ia1、Ib1和转向电机的U、V两相电流Ia2、Ib2，数据左移4位与16位数据对齐，使FOC1和FOC2同时进行计算，Ia1、Ib1先投入两路16位乘法器进行计算，再Ia2、Ib2复用乘法器进行Clack变换，所得结果是16位宽数据Iα1、Iβ1、Iα2、Iβ2；并行执行Sin计算模块，Sin计算模块通过查找ROM表进行角度计算，得到θ1、θ2正弦变换的结果sinθ1、cosθ1、sinθ2、cosθ2，θ1、θ2分别表示行走电机和转向电机电流转换成旋转的q轴和d轴电流的参数值。
所述Park变换公式计算方法具体为：将Clark变换公式计算和Sin计算的结果，分时投入两个乘法器中，实现Park变换公式计算，Park变换公式计算出的结果Id1、Iq1、Id2、Iq2。
所述PI调节变换公式、PrePark变换公式及PreClark变换公式的计算方法具体为：将Park变换公式计算出的结果Id1、Iq1、Id2、Iq2与可调的PI参数、当前q轴交轴电流设定值的Iq-ref、Id轴直轴电流设定值d-ref进行乘加，实现PI转换，得到Ud1、Uq1、Ud2、Uq2，再按照所述PI调节变换公式进行，再进行PrePark变换及PreClark变换，反Clark变换方法与所述Clark变换公式计算方法一致。
所述FOC1及所述FOC2算法还包括SVPWM转换，具体为：根据上一步骤结果的符号判断电机所在扇区，计算出当前占空比PWMa、PWMb、PWMc，在成对的PWM信号内部加入的死区时间，最终PWMa1_H、PWMa1_L、PWMb1_H、PWMb1_L、PWMc1_H、PWMc1_L控制外接行走电机驱动MOS对管；PWMa2_H、PWMa2_L、PWMb2_H、PWMb2_L、PWMc2_H、PWMc2_L控制外接转向电机驱动MOS对管。其中，死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关的关断延迟问题发生同时导通而设置的一个保护时段，通常也指pwm响应时间。
FOC双路同实现，整个周期花费了46个时钟CLK，FPGA外部连接50M时钟，通过锁相环PLL倍频到100M，可以算的当前FOC计算时间是0.46us，当前控制开关频率是16KHz(62.5us)，FPGA计算时间有足够余量。
采用本发明所提供的一种AGV双轴舵轮基于低成本FPGA高度资源复用的控制系统，其技术优点体现如下：
基于低成本FPGA，提出一种FPGA资源高度复用的FOC算法，实现双轴AGV驱动控制。运算速度快，精度高，电流环控制效率高，提高外环的性能。FPGA(xc6slx9-2tqg144)内部具体DSP单元颗粒(DSP48A1)16个，单16位乘法器实现只需要1个DSP48A1，不需要额外的LUT6s资源，本发明权衡计算速度和当前FPGA内部资源，使用2个DSP48A1实现两路并行16位乘法器，资源利用率高，计算时间短。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统，其特征在于，包括由同一FPGA芯片系统控制的行走电机电流控制系统和转向电机电流控制系统，所述行走电机电流控制系统和所述转向电机电流控制系统并行设置，且均采用FOC算法，所述FPGA芯片系统包括两个乘法器，两个所述乘法器分别对所述行走电机电流控制系统及所述转向电机电流控制系统的计算算法进行分时复用式计算，所述分时复用式计算处理方式具体为：乘法器输入两个16位数据A[15:0]、B[15:0]，乘法器计算结果输出32位数据P[31:0],对于低16位进行截断处理，得到16位结果P[31:16]，继续投入到下一步运算，再准备好输入的数据A[15:0],B[15:0]，使时钟CLK能输入有效信号，时钟CLK信号产生2个上升沿，便可以得到计算结果P[31:0]。
2.根据权利要求1所述的一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统，其特征在于，所述行走电机电流控制系统控制算法为FOC1，所述转向电机电流控制系统控制算法为FOC2，所述FOC1及所述FOC2包括依次进行的下述公式:
Clark变换公式：
Figure FDA0004141890880000011
Clark变换为将静止的a电流,b电流变换成静止的两相α轴,β轴电流；
Park变换公式：
Figure FDA0004141890880000012
Park变换为将静止的α轴，β轴电流变换成旋转的q轴和d轴电流；
PI调节变换公式：
Figure FDA0004141890880000013
PI转换为电流电压转换，具体为对可调的PI参数、当前交轴q轴电流设定值的Iq-ref、直轴Id轴电流设定值Id-ref进行乘加，实现PI转换；其中，Kp,Kd均为可调16-bits的PI参数；
PrePark变换公式：
Figure FDA0004141890880000021
PrePark变换为将Uq,Ud进行矢量分解，计算投影到α轴和β轴上的电压分量；
PreClark变换公式：
Figure FDA0004141890880000022
PreClark变换将静止的两相α轴和β轴上的电压变换成静止的三相a,b,c上的电压；
上述变换公式为电流数据通过乘法器进行数据处理的公式，公式左边为数据处理后的电流或电压数据，公式右边为数据处理前的电流或电压，θ为静止的α轴，β轴电流变换成旋转的q轴交轴和d轴直轴电流时的变换参数。
3.根据权利要求2所述的一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统，其特征在于，所述Clark变换公式计算方法具体为：外部12位的模数转换器按照16K频率同时采集行走电机的U、V两相电流Ia1、Ib1，和转向电机的U、V两相电流Ia2、Ib2，电流数据左移4位与16位数据对齐，使FOC1和FOC2同时进行计算，Ia1、Ib1先投入两路16位乘法器进行计算，再Ia2、Ib2复用乘法器进行Clark变换，所得结果是16位宽数据Iα1、Iβ1、Iα2、Iβ2；并行执行Sin计算模块，Sin计算模块通过查找ROM表进行角度计算，得到θ1、θ2正弦变换的结果sinθ1、cosθ1、sinθ2、cosθ2，θ1、θ2分别表示行走电机和转向电机电流转换成旋转的q轴和d轴电流的参数值。
4.根据权利要求3所述的一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统，其特征在于，所述Park变换公式计算方法具体为：将Clark变换公式计算和Sin计算模块计算的结果，分时投入两个乘法器中，实现Park变换公式计算，Park变换公式计算出的结果Id1、Iq1、Id2、Iq2。
5.根据权利要求4所述的一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统，其特征在于，所述PI调节变换公式、PrePark变换公式及PreClark变换公式的计算方法具体为：将Park变换公式计算出的结果Id1、Iq1、Id2、Iq2与可调的PI参数、当前q轴交轴电流设定值的Iq-ref、Id轴直轴电流设定值d-ref进行乘加，实现PI转换，得到Ud1、Uq1、Ud2、Uq2，再按照所述PI调节变换公式进行，再依次进行PrePark变换及PreClark变换。
6.根据权利要求2所述的一种AGV双轴舵轮基于FPGA高度资源复用的控制系统，其特征在于，所述FOC1及所述FOC2均还包括SVPWM转换，实现空间矢量脉宽调制，具体为：根据PrePark变换结果的符号判断对应行走电机和转向电机所在扇区，计算出行走电机和转向电机彼此的当前占空比PWMa、PWMb、PWMc，在成对的PWMa、PWMb、PWMc信号内部加入的死区时间，最终得到PWMa1_H、PWMa1_L、PWMb1_H、PWMb1_L、PWMc1_H、PWMc1_L、PWMa2_H、PWMa2_L、PWMb2_H、PWMb2_L、PWMc2_H、PWMc2_L，并通过PWMa1_H、PWMa1_L、PWMb1_H、PWMb1_L、PWMc1_H、PWMc1_L控制外接的行走电机驱动MOS对管；通过PWMa2_H、PWMa2_L、PWMb2_H、PWMb2_L、PWMc2_H、PWMc2_L控制外接的转向电机驱动MOS对管。
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