CN117639596B - 一种基于fpga的高速永磁同步电机转速计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，涉及电机控制技术领域。该方法包括：采集高速永磁同步电机的位置点信息，根据高速永磁同步电机的位置点信息获取高速永磁同步电机的位置点差值信息；根据高速永磁同步电机的位置点差值信息，确定高速永磁同步电机的转动情况；根据高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速。本发明克服了现有数字旋变转换器的不足，能提升高速永磁同步电机转速计算的实时性，进而提升高速永磁同步电机转速计算的精度，能同时满足速度误差和速度监测范围的要求，并且能计算出电机抖动情况下的转速。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法。
背景技术
随着工业自动化的快速发展，人们对高性能伺服驱动控制提出了更高的要求。而永磁同步电机具有能量密度高、效率高、转矩惯量比高、体积小、重量轻等特点，在航空航天领域有广泛的应用。
在电机控制系统中，通常采用数字旋变转换器监测电机的位置和速度，并可以配置相关引脚或者寄存器对分辨率进行设置，以应对电机的不同精度要求。但数字旋变转换器具有以下不足：1、在数字旋变转换器分辨率设置较低时，能测量电机高转速(一万转以上/分钟)的情况，但是此时数字旋变转换器的转速LSB（Least Significant Bit，最低有效位）误差较大，不能满足转速精度要求；2、在数字旋变转换器分辨率设置较高时，满足了转速误差要求，但不能追踪电机高转速(一万转以上/分钟)的情况；3、数字旋变转换器在电机静止状态下，转速仍有跳变值输出，此时转速与转速方向无紧密联系，此转速输入PID（Proportional，比例；Integral，积分；Differential，微分）的速度环调节，会造成PID速度环调节失控；4、在高转速情况下，由于数字旋变转换器转速采集存在滞后性，不能真实反映此刻电机真实转速，进一步影响PID的速度环调节。
FPGA（FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列）能实现多通道电机控制，在多电机系统中有着重要的应用。在高速永磁同步电机的控制系统中，速度计算的精度十分重要，因此有必要对速度计算的方法进行优化。现有技术提出了一种电机转速的计算方法及计算装置，该方案解决了电机在低转速时转速计算不准的问题，但是该方案在计算第二转速时根据电机转动45度及以上所花时间来计算转速，这对于对速度实时性要求比较高的情况不适用。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，克服了现有数字旋变转换器的不足，能提升高速永磁同步电机转速计算的实时性，进而提升高速永磁同步电机转速计算的精度，能同时满足速度误差和速度监测范围的要求。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，包括以下步骤：
S1、采集高速永磁同步电机的位置点信息，根据高速永磁同步电机的位置点信息获取高速永磁同步电机的位置点差值信息；
S2、根据步骤S1中高速永磁同步电机的位置点差值信息，确定高速永磁同步电机的转动情况；
S3、根据步骤S2中高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速。
进一步地，在步骤S1中，采集高速永磁同步电机的位置点信息，具体为：根据载波频率，利用数字旋变转换器采集FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，利用FPGA设置第一随机存取存储器，并将FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息存储至第一随机存取存储器。
进一步地，在步骤S1中，根据高速永磁同步电机的位置点信息获取并存储高速永磁同步电机的位置点差值信息，具体为：利用FPGA设置速度数据计算模块和第二随机存取存储器，根据FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，利用速度数据计算模块获取FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值信息，并将FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值信息存储至第二随机存取存储器。
进一步地，在步骤S2中，根据高速永磁同步电机的位置点差值信息确定高速永磁同步电机的转动情况，具体为：对FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值进行求和，并根据求和结果判断高速永磁同步电机为正转未跨零点、反转未跨零点、正转跨零点、反转跨零点和抖动中的一种，以确定高速永磁同步电机的转动情况。
进一步地，在步骤S3中，不同转速计算方式包括正转未跨零点转速计算方式、反转未跨零点转速计算方式、正转跨零点转速计算方式、反转跨零点转速计算方式和抖动转速计算方式。
进一步地，在步骤S3中，根据高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，具体为：
根据高速永磁同步电机正转未跨零点的转动情况，选取正转未跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机反转未跨零点的转动情况，选取反转未跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机正转跨零点的转动情况，选取正转跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机反转跨零点的转动情况，选取反转跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机抖动的转动情况，选取抖动转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速；
其中：为高速永磁同步电机的转速，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的结束位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的初始位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期。
进一步地，选取抖动转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，包括以下分步骤：
A1、确定高速永磁同步电机的抖动起始位置点；
A2、根据高速永磁同步电机的抖动起始位置点，计算高速永磁同步电机的转速。
进一步地，在步骤A1中，确定高速永磁同步电机的抖动起始位置点，具体为：将第二随机存取存储器中的高速永磁同步电机的位置点差值从最后一位数据开始，依次与上一位数据进行比较，将与上一位数据不同的数据对应的位置确定为高速永磁同步电机的抖动起始位置点。
进一步地，在步骤A2中，计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
其中：为高速永磁同步电机的转速，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的结束位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期，/>为载波频率，为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的抖动起始位置点，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的抖动起始位置点的前一个位置点的序号。
本发明具有以下有益效果：
本发明克服了现有数字旋变转换器的不足，能提升高速永磁同步电机转速计算的实时性，进而提升转速计算的精度，能同时满足速度误差和速度监测范围的要求，并且能计算出电机抖动情况下的转速。
附图说明
图1为一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法流程示意图；
图2为高速永磁同步电机正转未跨零点示意图；
图3为高速永磁同步电机反转未跨零点示意图；
图4为高速永磁同步电机正转跨零点示意图；
图5为高速永磁同步电机反转跨零点示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，包括步骤S1-S3，具体如下：
S1、采集高速永磁同步电机的位置点信息，根据高速永磁同步电机的位置点信息获取高速永磁同步电机的位置点差值信息。
在本发明的一个可选实施例中，本发明采集高速永磁同步电机的位置点信息，具体为：根据载波频率，利用数字旋变转换器采集FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，利用FPGA设置第一随机存取存储器，并将FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息存储至第一随机存取存储器。
具体地，载波频率为F，本发明根据载波频率采集高速永磁同步电机的位置点信息，即本发明每隔采集一个高速永磁同步电机的位置点旋转角度/>。FPGA中速度环速度更新周期为T。本发明利用数字旋变转换器采集FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，采集的点数为/>，以使得转速计算更新时间与速度环更新时间匹配。
本发明利用FPGA设置第一随机存取存储器RAM1。第一随机存取存储器深度为。本发明将采集的高速永磁同步电机的位置点信息依次存放在第一随机存取存储器RAM1中。
本发明根据高速永磁同步电机的位置点信息获取并存储高速永磁同步电机的位置点差值信息，具体为：利用FPGA设置速度数据计算模块和第二随机存取存储器，根据FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，利用速度数据计算模块获取FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值信息，并将FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值信息存储至第二随机存取存储器。
具体地，本发明利用FPGA设置速度数据计算模块。速度数据计算模块用于计算FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机相邻两个位置点的差值。若第个位置点旋转角度/>减去第/>个位置点旋转角度/>大于或等于零，则计算获得两个位置点的差值为1；若第/>个位置点旋转角度/>减去第/>个位置点旋转角度/>小于零，则计算获得两个位置点的差值为0。本发明利用FPGA设置第二随机存取存储器RAM2。第二随机存取存储器RAM2用于存储FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机相邻两个位置点的差值。第二随机存取存储器RAM2深度为/>。
S2、根据步骤S1中高速永磁同步电机的位置点差值信息，确定高速永磁同步电机的转动情况。
在本发明的一个可选实施例中，本发明根据高速永磁同步电机的位置点差值信息确定高速永磁同步电机的转动情况，具体为：对FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值进行求和，并根据求和结果判断高速永磁同步电机为正转未跨零点、反转未跨零点、正转跨零点、反转跨零点和抖动中的一种，以确定高速永磁同步电机的转动情况。
具体地，本发明对FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值进行求和，即对第二随机存取存储器RAM2中的值进行求和。
第二随机存取存储器RAM2中的值的求和结果为，判断高速永磁同步电机为正转未跨零点。如图2所示，本发明提供了高速永磁同步电机正转未跨零点示意图。
第二随机存取存储器RAM2中的值的求和结果为0，判断高速永磁同步电机为反转未跨零点。如图3所示，本发明提供了高速永磁同步电机反转未跨零点示意图。
第二随机存取存储器RAM2中的值的求和结果为，判断高速永磁同步电机为正转跨零点。如图4所示，本发明提供了高速永磁同步电机正转跨零点示意图。
第二随机存取存储器RAM2中的值的求和结果为1，判断高速永磁同步电机为反转跨零点。如图5所示，本发明提供了高速永磁同步电机反转跨零点示意图。
第二随机存取存储器RAM2中的值的求和结果为2到，判断高速永磁同步电机为抖动。
S3、根据步骤S2中高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速。
在本发明的一个可选实施例中，不同转速计算方式包括正转未跨零点转速计算方式、反转未跨零点转速计算方式、正转跨零点转速计算方式、反转跨零点转速计算方式和抖动转速计算方式。
本发明根据高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，具体为：
本发明根据高速永磁同步电机正转未跨零点的转动情况，选取正转未跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
其中：为高速永磁同步电机的转速，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的结束位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的初始位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期。
本发明根据高速永磁同步电机反转未跨零点的转动情况，选取反转未跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
。
本发明根据高速永磁同步电机正转跨零点的转动情况，选取正转跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
。
本发明根据高速永磁同步电机反转跨零点的转动情况，选取反转跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
。
本发明根据高速永磁同步电机抖动的转动情况，选取抖动转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速。
本发明选取抖动转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，包括以下分步骤：
A1、确定高速永磁同步电机的抖动起始位置点。
本发明确定高速永磁同步电机的抖动起始位置点，具体为：将第二随机存取存储器中的高速永磁同步电机的位置点差值从最后一位数据开始，依次与上一位数据进行比较，将与上一位数据不同的数据对应的位置确定为高速永磁同步电机的抖动起始位置点。
A2、根据高速永磁同步电机的抖动起始位置点，计算高速永磁同步电机的转速。
本发明计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
其中：为高速永磁同步电机的转速，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的结束位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期，/>为载波频率，为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的抖动起始位置点，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的抖动起始位置点的前一个位置点的序号。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集高速永磁同步电机的位置点信息，根据高速永磁同步电机的位置点信息获取高速永磁同步电机的位置点差值信息，具体为：若第个位置点旋转角度/>减去第/>个位置点旋转角度/>大于或等于零，则计算获得两个位置点的差值为1；若第/>个位置点旋转角度/>减去第/>个位置点旋转角度/>小于零，则计算获得两个位置点的差值为0；
S2、根据步骤S1中高速永磁同步电机的位置点差值信息，确定高速永磁同步电机的转动情况，具体为：对FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值进行求和，并根据求和结果判断高速永磁同步电机为正转未跨零点、反转未跨零点、正转跨零点、反转跨零点和抖动中的一种，以确定高速永磁同步电机的转动情况；
S3、根据步骤S2中高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，在步骤S1中，采集高速永磁同步电机的位置点信息，具体为：根据载波频率，利用数字旋变转换器采集FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，利用FPGA设置第一随机存取存储器，并将FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息存储至第一随机存取存储器。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，在步骤S1中，根据高速永磁同步电机的位置点信息获取并存储高速永磁同步电机的位置点差值信息，具体为：利用FPGA设置速度数据计算模块和第二随机存取存储器，根据FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点信息，利用速度数据计算模块获取FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值信息，并将FPGA中速度环速度更新周期内高速永磁同步电机的位置点差值信息存储至第二随机存取存储器。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，在步骤S3中，不同转速计算方式包括正转未跨零点转速计算方式、反转未跨零点转速计算方式、正转跨零点转速计算方式、反转跨零点转速计算方式和抖动转速计算方式。
5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，在步骤S3中，根据高速永磁同步电机的转动情况，选取不同转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，具体为：
根据高速永磁同步电机正转未跨零点的转动情况，选取正转未跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机反转未跨零点的转动情况，选取反转未跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机正转跨零点的转动情况，选取正转跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机反转跨零点的转动情况，选取反转跨零点转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
；
根据高速永磁同步电机抖动的转动情况，选取抖动转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速；
其中：为高速永磁同步电机的转速，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的结束位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的初始位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，选取抖动转速计算方式计算高速永磁同步电机的转速，包括以下步骤：
A1、确定高速永磁同步电机的抖动起始位置点；
A2、根据步骤A1中高速永磁同步电机的抖动起始位置点，计算高速永磁同步电机的转速。
7.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，在步骤A1中，确定高速永磁同步电机的抖动起始位置点，具体为：将第二随机存取存储器中的高速永磁同步电机的位置点差值从最后一位数据开始，依次与上一位数据进行比较，将与上一位数据不同的数据对应的位置确定为高速永磁同步电机的抖动起始位置点。
8.根据权利要求6所述的一种基于FPGA的高速永磁同步电机转速计算方法，其特征在于，在步骤A2中，计算高速永磁同步电机的转速，表示为：
其中：为高速永磁同步电机的转速，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的结束位置点信息，/>为FPGA中速度环速度更新周期，/>为载波频率，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的抖动起始位置点，/>为FPGA中速度环速度更新周期内的高速永磁同步电机的抖动起始位置点的前一个位置点的序号。
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