直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器的製作方法
2023-08-04 23:05:11 2
專利名稱：直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電機自動控制領域，具體涉及一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字 驅動控制器。
背景技術：
永磁直線音圈電機具有高加速度、高速度、體積小、力特性好、控制方便等優點，其用 於要求高加速度、高頻響、快速和高精度定位運動系統。因此近年來，數百赫茲以上高頻響 大流量直驅伺服閥幾乎都採用直線音圈電機直接驅動結構。要實現這些優良的性能，對永磁 直線音圈電機的驅動控制器的運算精度和運算速度提出了更高要求。同時工業應用時，還要 求驅動控制器具有更高的集成度，以提高可靠性和降低成本，且要求驅動控制器由功能升級 和可擴展能力，以適應各種不同的需求。
現有方案採用單片機或定點DSP組成，由於受控制器計算速度及計算精度的限制，其普 遍採用數模混合的驅動控制方式。即位置環數字控制，而電流環仍採用傳統的模擬控制方式。 該其存在模擬控制所固有的一些缺點，如調試不方便、存在溫漂、無法與其它數字控制器直 接實現接口。隨著高性能的浮點DSP和現場可編程邏輯器件FPGA的出現和廣泛應用，使採用 全數字方式來完成對永磁直線音圈電機的驅動控制成為可能。數字控制器具有可編程實現、 對環境變化不敏感、精確的行為、可實現複雜算法、可增加附屬功能的優點，是當前電機的 驅動控制器方展的主要方向。
發明內容
本發明一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，採用高性能的32位 浮點DSP(TMS320VC33)和現場可編程邏輯器件FPGA (EP2C35)，該浮點DSP的運算速度可達 75MIPS，該FPGA具有35000可編程邏輯單元(LE)，功率主電路採用智能功率模塊IPM來 構成H橋電路，信號檢測部分包括用於對永磁直線音圈電機的繞組電流和動圈位置進行採樣 的14位逐次比較型A/D轉換電路，四通道模擬開關，電流傳感器採用霍爾式電流傳感器， 動圈位置傳感器採用非接觸式的電渦流位移傳感器，以及模擬信號的放大及有源濾波電路， 實現對直接驅動閥用永磁直線音圈電機的高性能全數字驅動控制，其既有控制精度高、響應 快、系統可靠性高等優點。
本發明的目的在於提供一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，它採 用高性能的32位浮點DSP和現場可編程邏輯器件FPGA及高性能的控制算法，目的是獲得永 磁直線音圈電機動圈的高速、高精度往復運動的控制效果，實現對直接驅動閥用永磁直線音
4圈電機的高頻響、高精度的位置控制。
為實現上述發明目的，本發明提供一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控 制器，其由數字控制器、功率電路、信號檢測電路三部分組成。
所述的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其數字控制器電路包括32位浮點DSP， 其具有SPI接口、 SCI接口， 5倍頻的鎖相環時鐘發生器，2個獨立的32bit硬體定時器； 現場可編程邏輯器件FPGA，其作為DSP的一個協處理器，負責完成對A/D的採樣控制，PWM 信號的產生，與DSP的數據通信，電流環控制，電流過流保護等功能，並且FPGA中的各個 功能模塊均採用模塊化設計，便於系統功能的擴展和升級；外部Flash ROM，用於存儲DSP 的程序。數字控制器作用是利用位置指令和位置反饋信號和電機繞組電流反饋信號通過電流 環以及位置環的控制算法產生控制永磁直線音圈電機驅動所需的控制信號。
DSP作為主控制器，負責整個系統的任務調度。首先，DSP通過SPI接口或SCI接口讀 取上位機發送的給定動圈位置的數字量，並通過讀取在FPGA內部實現的雙埠 RAM得到動 圈位置的數字量，利用先進的位置環控制算法通過計算得到電流環的電流給定值並將電流環 的電流給定值發送給在FPGA內部實現的雙埠 RAM。該位置環控制算法採用了基於負載擾 動觀測器的前饋控制和非線性PID控制相結和的複合控制算法。其中，負載擾動觀測器是通 過採用現代控制理論中的龍博格(Luenberger)觀測器來實現的。利用該負載擾動觀測器來 估計負載擾動，並用前饋的方式加以補償，可以很好的減少負載擾動對系統控制性能的影響。 利用非線性PID控制，其具有"小偏差，大增益；大偏差，小增益"的特點，因而可以很好 的解決傳統PID控制中快速性與超調之間的矛盾，使系統的穩、動態性能大為提高。 非線性PID:
= & /"/( e( W， "， 5) + /t)/(e(/),", 5) + A:D々/(^^, "， 3)
其中U (t)為位置環的控制量輸出；e (t)為當前的位置偏差；&、 &、 ^分別為非線
性PID中的比例係數、積分係數、微分係數。 fal 為非線性函數；
|e| sz'gn(e) |e| > O，a > 0 e |e|",5>0,a>0
DSP的控制程序均採用C語言編程，具有可讀性好、可移植性好的優點，DSP的控制程序和 相關控制參數均存儲在外擴的Flash R0M中。
FPGA通過分時控制外部的14位A/D轉換器和多路模擬開關完成對動圈位置反饋信號和 動圈繞組電流反饋信號的採樣。通過硬體描述語言VHDL編程，利用FPGA用有限狀態機的形 式來完成動圈位置反饋信號和動圈繞組電流反饋信號的採樣控制。
FPGA將採樣得到的動圈位置反饋信號和動圈繞組電流反饋信號的數字量，寫入在FPGA內部通過硬體描述語言VHDL編程實現了一個雙埠 RAM, DSP與FPGA利用該雙埠 RAM實 現數據交換，具有硬體結構簡單、數據傳輸速率快等優點，且使系統的硬體資源得到了充分 利用。
利用FPGA通過硬體描述語言VHDL編程實現了一個數字PI調節器，來完成動圈繞組電 流的閉環控制。FPGA從雙埠 RAM中讀取動圈繞組電流指令和動圈繞組電反饋信號的數字 量，利用在其內部通過硬體描述語言VHDL編程實現的電流環數字PI調節器計算得到，PWM 控制信號的佔空比。
PWM信號的產生模塊，採用增減計數器、比較寄存器和比較器來實現P,波的產生，即 採用三角波比較法。其中增減計數器、比較寄存器和比較器，均在FPGA中通過硬體描述語 言VHDL編程來實現。PWM信號的產生模塊接收數字PI調節器計算得到的PWM控制信號的佔 空比，並將其轉換為相應的雙極性PWM控制信號。該雙極性PWM控制信號經過光耦隔離來驅 動由智能功率模塊IPM構成H橋電路，產生永磁直線音圈電機驅動所需的動圈電流，來實現 對永磁直線音圈電機的動圈位置的高頻響、高精度控制。
所述的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其數字控制器的特徵在於
(1) 採用高性能的32位浮點DSP，低功耗，3.3V 1/0供電、1.8V內核供電，該浮點DSP 的運算速度可達75MIPS;採用位置環和電流環的雙閉環控制，位置環的控制算法採用變結 構數字PID和基於位置指令前饋的複合控制算法並由32位浮點DSP完成，電流環的控制算 法採用數字PI控制並由FPGA完成。其可以同時滿足系統對高精度以及高頻響的要求。
(2) 採用現場可編程邏輯器件FPGA，通過硬體描述語言VHDL編程，在FPGA中實現了 A/D 轉換器的採樣控制，P麗信號的產生，電流環PI控制，採樣信號的數字濾波、電流過流保 護等功能。
(3) 在FPGA內部通過硬體描述語言VHDL編程實現了一個雙埠 RAM, DSP與FPGA利用該 雙埠RAM實現數據交換，具有硬體結構簡單、數據傳輸速率快等優點，且使系統的硬體資 源得到了充分利用。
所述的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其功率電路包括高速光耦隔離電路， 由智能功率模塊IPM構成的H橋功率主電路等。其中，高速光耦隔離器接收來自數字控制器 的雙極性可逆PWM控制信號，並通過光電耦合原理來產生智能功率模塊IPM的控制信號，其 實現了數字控制器電路與功率主電路的電氣隔離。功率主電路採用由智能功率模塊IPM構成 的H橋電路，智能功率模塊IPM將輸出功率元件和驅動電路、多種保護電路集成在同一模塊 內，與普通功率元件相比，在系統性能和可靠性上都更有優勢。功率主電路在經過高速光耦 隔離器輸出的控制信號下產生永磁直線音圈電機驅動所需的電壓和電流。且功率主電路的採 用了雙極性可逆PWM控制方式，可以使永磁直線音圈電機的動圈繞組電流始終連續，可以改 善永磁直線音圈電機在低速時的控制性能。
所述的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其功率電路的特徵在於
6(1) 採用高速光耦隔離器，實現了數字控制器電路與功率主電路的電氣隔離，可以提高了 系統的可靠性。
(2) 採用智能功率模塊IPM構成H橋功率主電路，並採用雙極性可逆PWM控制方式，智能 功率模塊IPM將輸出功率元件和驅動電路、多種保護電路集成在同一模塊內，與普通功率元 件相比，在系統性能和可靠性上都更有優勢。
(3) 採用雙極性可逆PWM控制方式，永磁直線音圈電機的動圈繞組電流始終連續，可以改 善永磁直線音圈電機在低速時的控制性能。
所述的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其信號檢測電路包括14位逐次比較型 A/D轉換器，四通道多路模擬開關，用於檢測動圈繞組電流的霍爾式電流傳感器，用於檢測 動圈位置的非接觸式電渦流位移傳感器，以及模擬信號的放大及有源濾波電路。
首先，利用霍爾式電流傳感器和非接觸式電渦流位移傳感器將要檢測的動圈繞組電流及 動圈位置的轉換成相應的電壓信號。其次，利用高精度、高共模抑制比的儀器放大器和高精 度、低溫度係數的獨石電容完成對電流傳感器和位置傳感器輸出的模擬電壓信號的放大及有 源濾波。然後，放大及有源濾波電路輸出的兩路模擬信號經過四通道多路模擬開關與14位 逐次比較型A/D轉換器相聯。最後，多路模擬開關與14位逐次比較型A/D轉換器在FPGA的 分時控制下完成對動圈繞組電流及動圈位置的數字採樣。
其中，動圈繞組電流的檢測採用霍爾式電流傳感器，其具有測量精度高、響應快的優點， 且可以實現與功率主電路的電氣隔離。動圈位置的檢測採用非接觸式的電渦流位移傳感器， 實現對永磁直線音圈電機的動圈位置的檢測，其具有測量精度高、響應快、壽命常的優點， 且為非接觸式測量，不額外增加動圈的質量。模擬信號的放大及有源濾波電路，採用高精度、 高共模抑制比的儀器放大器和精密變阻器組成差分比例放大電路，採用儀器放大器和高精 度、低溫度係數的獨石電容和精密電阻來組成一階有源濾波電路，其具有結構緊湊、可靠性 好、精度高等優點。
所述的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其信號檢測電路的特徵在於
(1) 採用霍爾式電流傳感器，實現對永磁直線音圈電機的動圈繞組電流的檢測，其具有測 量精度高、響應快的優點，且可以實現與功率主電路的電氣隔離。
(2) 採用非接觸式的電渦流位移傳感器，實現對永磁直線音圈電機的動圈位置的檢測，其 具有測量精度高、響應快、壽命常的優點，且為非接觸式測量，不額外增加動圈的質量。
(3) 採用高精度、高共模抑制比的儀器放大器和高精度、低溫度係數的獨石電容完成對電 流傳感器和位置傳感器輸出的模擬信號的放大及有源濾波。
(4) 採用14位逐次比較型A/D轉換器，其採樣率最高可達500kps，可提共符合工業標準 的土10V的電壓輸入範圍，且其數字量輸入、輸出電平兼容3.3V標準，可以直接與FPGA實 現數字接口。
(5) 採用高精度多路模擬開關與單通道A/D轉換器配合，由FPGA通過分時控制的方式完成 對電流傳感器和位置傳感器輸出的兩路模擬信號的A/D轉換。本發明的工作原理利用FPGA分時控制14位A/D轉換器和四通道多路模擬開關實現對 動圈繞組電流的和動圈位置的檢測，然後將採樣得到的動圈繞組電流的和動圈位置的數字量 寫入在FPGA內部實現的雙埠 RAM中，DSP通過SPI接口或SCI接口讀取上位機發送的給 定動圈位置的數字量，並通過讀取在FPGA內部實現的雙埠 RAM得到動圈位置得數字量利 用先進的位置環控制算法，通過計算得到電流環的電流給定值並將電流環的電流給定值發送 給在FPGA內部實現的雙埠 RAM, FPGA通過讀取在其內部實現的雙埠 RAM獲得動圈繞組 電流的數字量和動圈繞組電流的給定值，然後由FPGA通過電流環的計算得到雙極性PWM控 制信號的佔空比，該佔空比發送給P麵信號產生模塊生成雙極性PWM控制信號，該PWM控制 信號經過光耦隔離來驅動由智能功率模塊IPM構成H橋電路，產生永磁直線音圈電機驅動所 需的動圈電流，來實現對永磁直線音圈電機的動圈位置的高頻響、高精度控制。
本發明一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其優點及功效在於 利用32位浮點DSP和現場可編程邏輯器件FPGA，智能功率模塊IPM， 14位逐次比較型A/D
轉換器和四通道多路模擬開關，霍爾式電流傳感器和非接觸式的電渦流位移傳感器，以及其 它外圍電路，實現了一個集成度高、擴展性好、高可靠性、高頻響、高精度的直接驅動閥用 的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器。
四
圖l是發明的整體結構示意圖； 圖2是控制器功能劃分示意圖3是基於智能功率模塊IPM的H橋功率主電路的晶片結構示意圖； 圖4是A/D轉換電路晶片結構示意圖。
五具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行進一步說明。
圖1中的DSP採用美國德州儀器公司的高性能的浮點DSPTMS320VC33，低功耗，3. 3V I/O 供電、1. 8V內核供電，該浮點DSP的運算速度可達75MIPS，用其實現了 SPI接口和SCI接 口 ，外擴Flash Rom用於存儲DSP的程序。FPGA採用美國Altera公司的EP2C35，該FPGA 具有35000可編程邏輯單元(LE)，外擴了美國ADI公司14位A/D轉換器和美國Maxim公 司多路模擬開關，用於對動圈繞組電流的和動圈位置信號的採樣。由FPGA產生的PWM控制 信號通過高速光耦傳送給由智能功率模塊IPM組成的H橋功率主電路，高速光耦採用美國 HP公司雙通道高速光耦HPCL2531。
系統的工作過程首先，利用FPGA分時控制14位A/D轉換器和四通道多路模擬開關實 現對動圈繞組電流的和動圈位置的檢測，然後將採樣得到的動圈繞組電流的和動圈位置的數 字量寫入在FPGA內部實現的雙埠 RAM中；其次，DSP通過SPI接口或SCI接口讀取上位 機發送的給定動圈位置的數字量，並通過讀取在FPGA內部實現的雙埠 RAM得到動圈位置
8得數字量，利用先進的位置環控制算法，通過計算得到電流環的電流給定值並將電流環的電 流給定值發送給在FPGA內部實現的雙埠 RAM;然後，FPGA通過讀取在其內部實現的雙端 口 RAM獲得動圈繞組電流的數字量和動圈繞組電流的給定值，然後由FPGA通過電流環的計 算得到雙極性PWM控制信號的佔空比，該佔空比發送給PWM信號產生模塊生成雙極性PWM控 制信號；最後，該雙極性PM4控制信號經過光耦隔離來驅動由智能功率模塊IPM構成H橋電 路，產生永磁直線音圈電機驅動所需的動圈電流，來實現對永磁直線音圈電機的動圈位置的 高頻響、高精度控制。
圖2中所示為由DSP和FPGA組成的數字控制器中，DSP和FPGA各自承擔的功能。其中 由DSP負責完成的功能包括與上位機通信、完成位置環控制、與FPGA之間進行數據交換; 由FPGA負責完成的功能包括A/D的採樣控制，PWM信號的產生，電流環控制，採樣信號的 數字濾波、電流過流保護等功能。通過合理的功能劃分，使DSP和FPGA各自的資源得到了 充分的利用。
圖3中基於智能功率模塊IPM的構建的H橋功率主電路，智能功率模塊IPM為美國IR 公司的IRAM16UP60B，其最高工作母線電壓可達600V，最大工作電流16A，其內部集成模塊 IPM輸出功率元件和驅動電路、以及多種保護電路,與普通功率元件相比，在系統性能和可 靠性上都更有優勢。
圖4中A/D轉換器為美國ADI公司的AD7899AR-1，其為14位逐次比較型A/D轉換器， 採樣率最高可達500kps，可提供符合工業標準的土10V的電壓輸入範圍，採用單+ 5V供電， 且其數字量輸入、輸出電平兼容3.3V標準，可以直接與FPGA實現數字接口。其與多路模擬 開關配合完成將電流傳感器和位置傳感器輸出的模擬信號轉換為相應的數位訊號。
權利要求
1、一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其由數字控制器、功率電路、信號檢測電路三部分組成，其特徵在於所述的數字控制器電路包括32位浮點DSP，SPI接口、SCI接口，現場可編程邏輯器件FPGA；外部Flash ROM；所述的功率電路包括高速光耦隔離電路，由智能功率模塊IPM構成的H橋功率主電路；所述的信號檢測電路包括A/D轉換器，多路模擬開關，用於檢測動圈繞組電流的霍爾式電流傳感器，用於檢測動圈位置的非接觸式電渦流位移傳感器，以及模擬信號的放大及有源濾波電路；其中，DSP作為主控制器，負責整個系統的任務調度；首先，DSP通過SPI接口或SCI接口讀取上位機發送的給定動圈位置的數字量，並通過讀取在FPGA內部實現的雙埠RAM得到動圈位置的數字量，利用位置環控制算法通過計算得到電流環的電流給定值並將電流環的電流給定值發送給在FPGA內部實現的雙埠RAM；FPGA通過分時控制外部的A/D轉換器和多路模擬開關完成對動圈位置反饋信號和動圈繞組電流反饋信號的採樣；FPGA將採樣得到的動圈位置反饋信號和動圈繞組電流反饋信號的數字量，寫入在FPGA內部通過硬體描述語言VHDL編程實現了一個雙埠RAM，DSP與FPGA利用該雙埠RAM實現數據交換；利用FPGA通過硬體描述語言VHDL編程實現的一個數字PI調節器，來完成動圈繞組電流的閉環控制；FPGA從雙埠RAM中讀取動圈繞組電流指令和動圈繞組電反饋信號的數字量，利用所述的電流環數字PI調節器計算得到PWM控制信號的佔空比；在FPGA中通過硬體描述語言VHDL編程來實現增減計數器、比較寄存器和比較器，並通過該增減計數器、比較寄存器和比較器形成PWM信號產生模塊，產生PWM波；所述的PWM信號產生模塊接收數字PI調節器計算得到的PWM控制信號的佔空比，並將其轉換為相應的雙極性PWM控制信號；該雙極性PWM控制信號經過光耦隔離來驅動由智能功率模塊IPM構成的H橋功率主電路，產生永磁直線音圈電機驅動所需的動圈電流，來實現對永磁直線音圈電機的動圈位置的高頻響、高精度控制；其中，所述的信號檢測電路，首先，利用霍爾式電流傳感器和非接觸式電渦流位移傳感器將要檢測的動圈繞組電流及動圈位置的轉換成相應的電壓信號；其次，利用模擬信號的放大及有源濾波電路完成對電流傳感器和位移傳感器輸出的模擬電壓信號的放大及有源濾波；然後，模擬信號放大及有源濾波電路輸出的兩路模擬信號經過多路模擬開關與A/D轉換器相聯；最後，多路模擬開關與A/D轉換器在FPGA在分時控制下完成對動圈繞組電流及動圈位置的數字採樣。
2、 根據權利要求1所述的直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其特徵在於該位置環控制算法採用了基於負載擾動觀測器的前饋控制和非線性PID控制相結和 的複合控制算法；其中負載擾動觀測器採用現代控制理論中的龍博格觀測器來實現，非線性 PID控制採用位置偏差信號的非線性組合來實現。
3、 根據權利要求1所述的直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其特 徵在於所述的A/D轉換器為14位逐次比較型A/D轉換器。
4、 根據權利要求1所述的直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其特徵在於所述的多路模擬開關為四通道多路模擬開關。
5、 根據權利要求1所述的直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其特徵在於所述的模擬信號的放大及有源濾波電路，包括採用高精度、高共模抑制比的儀器放 大器和精密變阻器組成的差分比例放大電路，以及採用儀器放大器和高精度、低溫度係數的 獨石電容和精密電阻組成的一階有源濾波電路。
全文摘要
本發明涉及一種直接驅動閥用永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器，其由數字控制器、功率電路、信號檢測電路三部分組成所述的數字控制器電路包括32位浮點DSP；現場可編程邏輯器件FPGA；外部Flash ROM；所述的功率電路包括高速光耦隔離電路，由智能功率模塊IPM構成的H橋功率主電路；所述的信號檢測電路包括A/D轉換器，多路模擬開關，用於檢測動圈繞組電流的霍爾式電流傳感器，用於檢測動圈位置的非接觸式電渦流位移傳感器，以及模擬信號的放大及有源濾波電路。本發明實現了一個集成度高、擴展性好、高可靠性、高頻響、高精度的直接驅動閥用的永磁直線音圈電機的全數字驅動控制器。
文檔編號G05D3/20GK101576745SQ200910086070
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月9日 優先權日2009年6月9日
發明者於凱平, 治 劉, 李豔明, 王大彧, 宏 郭, 鑫 馬 申請人:北京航空航天大學