多功能电机伺服控制器设计与实现

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1、学兔兔www.xuetutu.com参I訇似多功能电机伺服控制器设计与实现Designandimplementationofmultifunctionalmotorservocontroller白传栋BAIChuan-dong(北方工业大学机电工程学院机械工程系，北京100144)摘要：针对目前伺服控制器大多采用单片机或者DSP作为核心算法处理元件，其控制器实时性与通用性不能满足日益丰富的市场需求，对该类控制器进行优化，采用FPGA作为核心算法元件，用硬件来描述闭环算法，运算速度得到显著提高。采用模块化设计思想，并将整个控制器通过并行

2、总线相连，实现多功能扩展，提高控制器的通用性。运用合理的方法设计实现了基于FP(3A的多功能伺服控制器。结果表明该方案在简化了现有设计的基础之上，可以明显改善现有电机控制器不足之处，显著提高伺服控制器的实时性、通用性和适应性。关键词：电机伺服控制器；算法硬件实现；FPGA；CPLD；力矩环；位置环；速度环中圈分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-0134([2013)o3(下)-Ol05-03Doi；10．3969／J．1ssn．1009--0134．2013．03(下)．320引言1控制器方案设计电机伺服控制是机电控制

3、技术中的重要部1．1伺服控制器结构分，在航空航天以及工业领域有广泛的应用。电控制器主要由控制器卡、数据采集卡和控制机伺服控制的被控对象是电机，利用电流环、速输出卡三部分组成，如图1所示。度环、位置环等三环控制使电机的位置、速度以数据采集卡1及加速度达到运动要求。传统的电机伺服控制大多采用单片机(AVR或者新一代51系列)或者DSP作为控制器载体，通过编写软件实现我们需要的算法，通常会不断地精简软件，提高软件的运行效率，增加控制的实时性。随着电机伺服控制技术的广泛应用，尤其是在航空航天领域的应用，对实时性要求更高，算法的软件实现越来越不

4、能满足伺服控制的实时性要求。现场可编程逻辑阵列(FPGA)的发展和应用，为电机伺服控制带来了一种新的控制器载体，通过采用FPGA，传统的算法软件可以通过硬件来实现，实时性有了更可靠的保证，有较好的应用前景。本文给出了一种基于FPGA的多功能伺服控制器总体设计方案，本方案将经典的三环控制融入FPGA控制器中，并充分利用状态机实现三环控制图1控制器结构图在电机伺服控制中的状态切换，以满足不同工作需求。最后通过ISA总线接口实现多个控制器协同1．2伺服控制器原理工作，以适应多机构共同工作。所设计的控制器伺服电机控制器作为整个运动控制系统的核

5、实时性好、可靠性高、体积小、扩展性好。心采用FPGA来实现，各类数据采集卡由CPLD及收稿日期：2Ol2—10—30作者简介：自传栋(1975一)，男，山东郓城人，讲师，硕士，研究方向为机电一体化、机械电子工程。第35卷第3期2013-03(下)11105]学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com1匐似2．2控制器间的数据交互实现高等环境下的运动控制系统。整个控制器扩展灵控制器间的数据交互主要是上位机与控制器活，可根据需要增加控制器的目标板以适应现场卡(以DSP为介质)之间、控制卡中DSP与FPGA需求

6、，周期短，使用方便，取得了预期的设计效之间、控制器卡与数据采集／输出控制卡之间果。有极大的市场前景。(FPGA与CPLD之间)。上位机与控制器卡之间参考文献：的RS485通讯有很多文献可以参考，不再赘述。【1】1李木国，彭平良．基于FPGA的运动控制卡的设计和实现2_2．1DSP与FPGA数据交互实现[J】．计算机工程与设计，2008，29(No．3)：666-667．上位机的控制指令送给FPGA以及控制器运行[2】黄万伟，汪斌强，黄惠群．基于FPGA的高速CPI接口的设状态发送给上位机需要两者数据交换。DSP在访问计与实现[J】．计

7、算机工程与设计，2010，31(8)：1836—1836．FPGA的时候，将FPGA看做一个外部存储器，进【3]贾达，邹益民．基于FPGA的电机控制模块[J]．计算机工程行简单的寄存器访问操作即可。在FPGA中定义相与设计，2010，31(14)：3237—3238．关存储变量，作为控制信息存储单元，并将控制[4】陆浩，王振占．基于高速ADC和FPGA的宽带数字相关器信息送给译码单元以分配控制器工作模式。工作设计[J】．计算机工程与设计，2011,32(No．3)：867—867．模式分力矩闭环、位置闭环和速度闭环。工作模[5】Yaj

8、uanChen，QinghaiWu．DesignandimplementationofPIDcontrollerbasedonFPGAandgeneticalgorithm【C】．式选定之后，将控制指令送给期望值存储器。