一種單FPGA實現的多臺電機的控制系統的製作方法

2023-05-06 03:44:01

本實用新型屬於電機控制領域，尤其涉及一種基於FPGA的多電機控制系統及電機控制方法。

背景技術：

電動機是電能轉化為機械能的必要裝置，廣泛應用於各種工業民用設備中。近些年來，隨著電力電子技術、控制技術和計算機技術的發展，電機的應用得到進一步發展，電機控制器經歷了從模擬控制器到數字控制器的發展，數字控制器與模擬控制器相比，性能更可靠、參數調節更方便、控制精度更高、控制策略更靈活並且對環境因素不敏感。

數字控制器一般採用CPU控制電機，雖然比模擬控制器減小了系統體積、簡化了電路，傳統的以單片機為CPU的運動控制卡已經不能滿足現代工業和社會發展的要求，其主要表現在：速度的運算需要CPU的頻繁參與，導致了運算時間增加，影響系統的整體效率，在驅動多個電機的情況下，CPU的運行速度成了提高性能的瓶頸，而且控制的電機數量有限，基本上以一個控制系統控制一臺電機，控制範圍有限，而且成本高昂，靈活性查。

為克服上述CPU直接控制電機存在的不足，目前市場上出現了採用FPGA 作為控制器的電機控制系統，如中國專利「一種基於FPGA視覺測量技術的多軸電機控制系統」(專利申請號：201520425129.7)公開的電機控制系統，只需向FPGA控制器中寫入控制參數，運算由FPGA控制器完成，提高了運算速度和控制精度。然而在一些工業和民用設備中，需要用到多臺步進電機或伺服電機。在用FPGA作為控制器的設計中，一般每個電機使用一個控制模塊，這種設計消耗的FPGA資源較多，限制了FPGA晶片的選擇範圍，提高了設計成本。

技術實現要素：

針對上述採用FPGA作為控制器的電機控制系統存在的缺陷，本實用新型提供一種基於FPGA的多電機控制系統，實現一個FPGA控制器控制多個電機的目的。

為了達到目的，本實用新型提供的技術方案為：

本實用新型涉及的一種單FPGA實現的多臺電機的控制系統，其特徵在於：其包括CPU、FPGA控制器和若干用於驅動電機的電機驅動器，所述的FPGA控制器包括與電機驅動器一一對應的參數寄存器組、電機選擇寄存器、第一選擇器、選定參數寄存器組、和第二選擇器，參數寄存器組及電機選擇寄存器的輸入端均與CPU通信連接，輸出端均與第一選擇器通信連接，第一選擇器的輸出端與選定參數寄存器組的輸入端通信連接，選定參數寄存器組的輸出端與第二選擇器的輸入端通信連接，第二選擇器包括與電機驅動器等量的輸出端，每個輸出端分別連接一個電機驅動器，每個電機驅動器又對應電連接一個電機；所述的電機驅動器包括若干組光耦隔離、三相逆變器、電壓電流檢測串口和串口隔離，所述的光耦隔離的輸入端均與第二選擇器通信連接，每個光耦隔離對應一個三相逆變器，光耦隔離的輸出端與三相逆變器的輸入端連接，三相逆變器的輸出端與電機連接，所有電機均與電壓電流檢測串口連接，電壓電流檢測串口通過串口隔離與 FPGA控制器連接。

優選地，所述的每個參數寄存器組均包括啟動寄存器、方向寄存器、轉速寄存器、加速度寄存器、模式寄存器、減速位置寄存器和停止位置寄存器，所述的啟動寄存器、方向寄存器、轉速寄存器、加速度寄存器、模式寄存器、減速位置寄存器和停止位置寄存器均通過數據、地址及控制總線與CPU連接。

優選地，所述的選定參數寄存器組包括啟動寄存器、方向寄存器、轉速寄存器、加速度寄存器、模式寄存器、減速位置寄存器和停止位置寄存器，所述的啟動寄存器、方向寄存器、轉速寄存器、加速度寄存器、模式寄存器、減速位置寄存器和停止位置寄存器均通過數據、地址及控制總線與第一選擇器連接。

採用本實用新型提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下有益效果：

本實用新型涉及的基於FPGA的多電機控制系統採用一個FPGA控制器控制多個電機，簡化了系統的設計，節約了FPGA資源，增加了FPGA晶片的選擇範圍，降低了設計成本。

附圖說明

圖1是本實用新型基於FPGA的多電機控制系統的結構示意圖；

圖2是本實用新型電機驅動器的結構示意圖。

具體實施方式

為進一步了解本實用新型的內容，結合實施例對本實用新型作詳細描述，以下實施例用於說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的範圍。

結合附圖1所示，本實施例涉及的一種單FPGA實現的多臺電機的控制系統包括CPU1、FPGA控制器2和電機驅動器3，用於控制數量為N的電機4。其中，CPU 1與FPGA控制器2通過數據、地址及控制總線連接。所述的FPGA 控制器2包括N個參數寄存器組21、一個電機選擇寄存器24、一個第一選擇器 22、一個選定參數寄存器組23和一個第二選擇器25，參數寄存器組21的輸入端以及電機選擇寄存器24的輸入端均與CPU連接，其中，參數寄存器組21又包括啟動寄存器、方向寄存器、轉速寄存器、加速度寄存器、模式寄存器、減速位置寄存器和停止位置寄存器，CPU 1將速度、加速度、方向、加速度、運行模式、減速位置、停止位置等參數寫入參數寄存器組中，並將啟動電機的編號寫入電機選擇寄存器24中。所有參數寄存器組的輸出端、以及電機選擇寄存器組24 的輸出端均與第一選擇器22連接，第一選擇寄存器的輸出端與選定參數寄存器組23的輸入端連接，參數寄存器組23的輸出端與第二選擇寄存器通信連接，電機選擇寄存器24的另一個輸出端與第二選擇器25的另一個輸入端連接，第一選擇器22根據寫入電機選擇寄存器24的編號，從相應的參數寄存器組21中提取信號，並將信號傳輸給第二選擇器25，第二選擇器25根據電機選擇寄存器24 寫入的編號，將該信號再次傳輸給電機驅動器3中。

結合附圖2所示，所述的電機驅動器3包括光耦隔離31、三相逆變器32、電壓電流檢測串口33和串口隔離34，光耦隔離31的輸入端與第二選擇器25的輸出端連接，每個光耦隔離31的輸出端均連接一個三相逆變器32，每個三相逆變器32又各自連接一個電機4，電機通過線路連接電壓電流檢測串口33，電壓電流檢測串口33通過串口隔離34由於FPGA控制器2連接。所述光耦隔離31 接收所述FPGA控制器2提供的驅動信號，同時將強電和弱電進行隔離，將驅動信號輸出給所述三相逆變器32，三相逆變器32接收由所述光耦隔離中隔離後的驅動脈衝，驅動電機運轉，並產生一電壓信號，電壓電流檢測串口將所述逆變單元中產生的電壓信號轉換成數位訊號，通過串口隔離後，輸入所述FPGA控制器2，FPGA控制器2將電壓信號儲存。

以上結合實施例對本實用新型進行了詳細說明，但所述內容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用於限定本實用新型的實施範圍。凡依本實用新型申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍屬於本實用新型的專利涵蓋範圍之內。