專利名稱：一種基于fpaa和fpga的智能重構柔性電機控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能重構柔性電機控制系統，該系統能夠依據不同的驅動需求對控制芯片內部電路進行變換，實現真正意義的軟控，屬于驅動控制領域。
背景技術：
近年來，市場對通用型和智能型伺服控制系統的需求，正按幾何級數增加。隨著機電一體化技術的不斷發展，設備對控制系統的性能、精度和可靠性要求越來越高，客觀上需要伺服系統具有更高的控制性能。同時，伺服控制系統隨著應用領域的發展，功能整合化與應用專業化已是大勢所趨。要實現伺服控制系統的通用性和智能性，系統必須具有很強的柔性，目前的控制系統中主要存在以下問題(1)信號檢測電路升級難，目前信號檢測電路主要是應用分立元件或中規模集成電路，當系統變后整個電路需要重新設計，這使得開發周期長、研發成本較大；(2)設計經驗、專業知識要求比較高，雖然控制系統趨向全數字化當信號的采樣電路還是脫離不了模擬電路，目前模擬電路的設計對設計人員的工作經驗和專業知識要求比較高，研發流程受到工程師的專業技能限制；(3)系統的通信網絡性較差，隨著網絡時代的到來人們對設計的遠程控制需求比較大，現在系統接口單一且智能性差不能很好適應時代的需求；(4)控制電路的柔性差，這嚴重的阻礙了系統的智能性和軟控性。
發明內容
針對上述存在的問題，本發明提供一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統，該系統充分利用FPAA和FPGA技術的可重構性提高系統的柔性進一步實現系統的智能性。本發明的技術方案是
一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統，包括上位機、FPGA算法計算單元、傳感器單元、FPAA控制單元、隔離電路、IPM模塊和電機。FPGA算法計算單元用于計算控制器各種算法、配置上位機通信及整個硬件電路；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調理電路組成，用于實時監測電機的工作狀態，為電機的控制提供相應的參數；FPAA控制單元用于控制電機；IPM驅動模塊用于實現逆變電路和驅動電路來完成電機的驅動。作為本發明的進一步改進，所述FPGA算法計算單元采用DSP核嵌入方式實現，應用DSP對各種復雜算法進行運算，為控制器提供精確參數。作為本發明的進一步改進，所述上位機的通信接口包括串口接口和RJ45以太網口，所述的串口接口自動對RS323和RS485接口進行切換，實現串口的智能化通信。作為本發明的進一步改進，所述FPAA控制單元包括PID電路、PI電路、PD電路和P電路，所述FPAA信號調理電路和PID電路采用FPAA技術實現。與現有技術相比，本發明的有益效果是通過充分利用FPGA和FPAA技術的可重構特點，實現了交流伺服點擊控制系統的柔性重構，串口電路可以自動識別達到串口設備的 通用性，RJ45接口的設計滿足現在網絡通信需求。
圖1是本發明基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統結構 圖2是AnadigmDesigner2中實現FPAA信號調理電路 圖3是AnadigmDesigner2中實現FPAA的P電路 圖4是AnadigmDesigner2中實現FPAA的PI電路 圖5是AnadigmDesigner2中實現FPAA的F1D電路 圖6是AnadigmDesigner2中實現FPAA的PID電路 圖7是RS232和RS485自動切換電路圖。圖中1、FPGA算法計算單元；2、傳感器單元；3、FPAA控制單元。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步詳細描述。如圖1所示，本發明基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統包括上位機、FPGA算法計算單元1、傳感器單元2、FPAA控制單元3、隔離電路、IPM模塊和電機，FPGA算法單元主要負責控制器各種算法的計算、上位機通信及整個硬件電路的配置；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調理電路組成，主要負責電機工作狀態的實時監測為電機的控制提供相應的參數；所述FPAA控制單元主要負責電機的控制；所述IPM驅動模塊主要用來實現逆變電路、驅動電路來完成電機的驅動。各種傳感器實時采集電機的位置、電流、速度等參數，傳感器信號通過信號調理模塊對傳感器的信號進行調理，調理后的信號傳輸到FPGA算法運算單元。FPGA算法單元對調理模塊調理好的信號進行AD轉換，將傳感器的模擬信號轉換成數字信號以備DSP核進行不同策略運算用；DSP核根據上位機提供的運算策略對傳感器傳來的參數進行相應的運算為控制器提供控制參數；FPGA算法運算單元將IPM模塊傳來的異常信號進行處理并發送給報警模塊，報警模塊將信號傳送給上位機同時鳴笛警告；FPGA算法運算單元與上位機通過串口或者RJ45接口進行通信，向下傳送上位機的控制策略和向上傳電機的工作狀態，實現電機的實時控制和控制系統的柔性控制。FPAA控制單元接收到DSP核運算好的各個控制參數并根據上位機的控制策略配置控制模塊電路，通過控制模塊輸出的控制數據輸入給PWM模塊，然后通過高速光耦模塊輸給IPM模塊對電機進行控制，同時結合傳感器模塊夠多層閉環控制系統。FPAA控制模塊充分利用FPAA技術在線可重構特點對電路進行快速配置滿足不同控制形式的控制，FPAA技術可以快速的實現P、P1、PD、PID電路配置。進一步，所述串口接口是RS232和RS485公用一個接口，電路具有自動識別功能，使得接口可以很好的與RS232或RS485上位機系統連接。各種傳感器實時采集電機的位置、電流、速度等參數，傳感器信號通過信號調理模塊進行調理，調理后的信號傳輸到FPGA算法運算模塊。下面以Anadigm公司的AN221E04為例對FPAA技術設計信號調理電路進行說明，信號調理的具體電路如圖2所示。傳感器信號首先通過G模塊和低通濾波模塊然后通過2階低通、高通濾波模塊對傳感器信號進一步濾波，濾波后的信號通過兩級G增益模塊對信號進一步放大以滿足FPGA模塊處理信號的需求，放大后的信號再通過帶通濾波器進一步濾波，通過多次放大和濾波后傳感器信號傳給FPGA算法運算單元。FPGA算法運算單元對調理模塊調理好的信號進行AD轉換，將傳感器的模擬信號轉換成數字信號以備DSP核進行不同策略運算用；DSP核根據上位機提供的運算策略對傳感器傳來的參數進行相應的運算并將運算后的參數發送給FPAA控制器；FPAA控制模塊根據上位機的控制策略配置控制電路并運算控制參數，FPAA控制模塊的輸出信號輸入到FPGA芯片設計的PWM模塊對PWM波的各項參數進行控制，處理后的PWM波經過高速光耦隔離傳給IPM模塊。圖3至圖6提供了在軟件AnadigmDesigner2中實現的P、P1、PD和PID控制電路，設計者可以根據自己的需求通過編程實現電路的不同控制。上位機通過串口或者RJ45接口將電機的具體控制策略發送到FPGA，同時節點將電機的運行參數和狀態上傳給上位機。當IPM模塊監測到異常信號時，FPGA運算模塊對異常信號進行警報并上傳上位機提醒操作人員，以確保電機的正常工作。系統的各個芯片的配置信息儲存在于FPGA芯片相連接的EPROM芯片中。串口的自動切換電路如圖7所示。
權利要求
1.一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統，包括上位機、FPGA算法計算單元(I)、傳感器單元(2)、FPAA控制單元(3)、隔離電路、IPM模塊和電機；所述FPGA算法計算單元用于計算控制器各種算法、配置上位機通信及整個硬件電路；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調理電路組成，用于實時監測電機的工作狀態，為電機的控制提供相應的參數；所述FPAA控制單元用于控制電機；所述IPM驅動模塊用于實現逆變電路和驅動電路來完成電機的驅動。
2.根據權利要求1所述的一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統，其特征在于所述FPGA算法計算單元(I)采用DSP核嵌入方式實現，應用DSP對各種復雜算法進行運算，為控制器提供精確參數。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統，其特征在于所述上位機的通信接口包括串口接口和RJ45以太網口，所述的串口接口自動對RS323和RS485接口進行切換，實現串口的智能化通信。
4.根據權利要求1或2所述的一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機控制系統，其特征在于所述FPAA控制單元(3)包括PID電路、PI電路、H)電路和P電路，所述FPAA信號調理電路和PID電路采用FPAA技術實現。
全文摘要
本發明公開了一種基于FPAA和FPGA的智能重構柔性電機驅動控制系統，包括FPGA算法計算單元、傳感器單元、FPAA控制單元和IPM驅動模塊，FPGA算法計算單元用于計算控制器的各種算法、配置上位機通信及整個硬件電路；傳感器單元由各種傳感器和FPAA信號調理電路組成，用于實時監測的電機工作狀態，為電機的控制提供相應參數；FPAA控制單元用于電機的控制；IPM驅動模塊用于驅動電機。本發明利用FPGA和FPAA可重構特點實現控制器的柔性。該控制器在同一硬件電路上實現不同控制策略實施及不同類型電機的控制，增強了電路的通用性、柔性、智能性；本發明采用超大規模集成電路使系統整體面積大大縮小。
文檔編號G05B19/414GK103048955SQ201210509230
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月4日 優先權日2012年12月4日
發明者朱正偉, 孫廣輝, 馮瑞如 申請人:常州大學, 常熟市森源電氣科技有限公司