基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统技术方案

基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，可以满足实时控制的需要，达到良好稳态精度和抗干扰能力等精度指标，实现较高的位置控制精度，得到实时位移数据反馈。伺服电机在控制系统的指令下运动；内环反馈系统分别与伺服电机和所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号和电流信号，并将转速信号和电流信号反馈至控制系统；外环反馈系统分别与伺服电机和控制系统连接，采集伺服电机的位置信号，并将位置信号反馈至控制系统；控制系统在接收到转速信号、电流信号和位置信号中的一种或多种信号的情况下，输出控制信号控制所述伺服电机进行相应转动。应转动。应转动。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统


[0001]本专利技术涉及伺服控制的
，尤其涉及一种基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统。

技术介绍

[0002]由于精密光学工程和超精密加工等领域的快速发展，各种精密定位系统应运而生。精密运动伺服控制系统作为一个典型的运动控制系统，涉及的技术包括控制程序设计、交互通信、电机驱动、数据采集等，呈现出复杂的机电一体化特性。
[0003]伺服系统：输入量的改变，可以影响物体的位移、速度、状态等输出信息。同理，输出也可反馈影响输入状态，即形成死循环的自动控制系统。传统的伺服系统只能单线采集一类物理信号，对于输出信号控制方式单一，不能达到精密控制的程度。
[0004]驱动方式：传统的驱动方式，由于通过齿轮、带、滚珠等传动装置，存在动静摩擦、体积大、效率低、精度差等问题。则对于在行程短、高频往复直线运动的精密加工领域中，传统的驱动方式难以满足实际微定位的要求。
[0005]核心控制系统：以往的单片机为控制器具有价格便宜，对外接口涵盖广泛，但以线性运行，在信号采集较多时难以满足需求。同时DSP这种专用于浮点计算的控制器来说，对电平触发不敏感。不能满足实时控制、动态响应和较高稳态精度的需要。
[0006]因此，亟需一种可以满足实时控制的需要，达到良好稳态精度和抗干扰能力等精度指标，实现较高的位置控制精度，得到实时位移数据反馈的核心伺服控制系统。

技术实现思路

[0007]为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其可以满足实时控制的需要，达到良好稳态精度和抗干扰能力等精度指标，实现较高的位置控制精度，得到实时位移数据反馈。
[0008]本专利技术的技术方案是：这种基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其包括：伺服电机、控制系统、内环反馈系统、外环反馈系统；
[0009]所述伺服电机在控制系统的指令下运动；所述内环反馈系统分别与所述伺服电机和所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号和电流信号，并将转速信号和电流信号反馈至控制系统；外环反馈系统分别与伺服电机和控制系统连接，采集伺服电机的位置信号，并将位置信号反馈至控制系统；控制系统在接收到转速信号、电流信号和位置信号中的一种或多种信号的情况下，输出控制信号控制所述伺服电机进行相应转动，控制系统包括：核心控制芯片、控制器；
[0010]控制器采用三环伺服PID死循环控制结构，其包括：电流环、速度环、位置环；首先对最内电流环设计，然后将电流环等效为速度环的控制对象进行速度环设计，最后将速度环等效为位置环的控制对象进行位置环设计。
[0011]本专利技术伺服电机在控制系统的指令下运动，内环反馈系统分别与所述伺服电机和
所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号和电流信号，并将转速信号和电流信号反馈至控制系统，外环反馈系统分别与伺服电机和控制系统连接，采集伺服电机的位置信号，并将位置信号反馈至控制系统，控制系统在接收到转速信号、电流信号和位置信号中的一种或多种信号的情况下，输出控制信号控制所述伺服电机进行相应转动，因此可以满足实时控制的需要，达到良好稳态精度和抗干扰能力等精度指标，实现较高的位置控制精度，得到实时位移数据反馈。
附图说明
[0012]图1是根据本专利技术的基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统的结构示意图。
[0013]图2是根据本专利技术的伺服电机构成图。
[0014]图3是根据本专利技术的转速采集流程图。
[0015]图4是根据本专利技术的电流电压采集流程图。
[0016]图5是根据本专利技术的输出控制原理图。
具体实施方式
[0017]如图1所示，这种基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其包括：伺服电机、控制系统、内环反馈系统、外环反馈系统；
[0018]所述伺服电机在控制系统的指令下运动；所述内环反馈系统分别与所述伺服电机和所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号和电流信号，并将转速信号和电流信号反馈至控制系统；外环反馈系统分别与伺服电机和控制系统连接，采集伺服电机的位置信号，并将位置信号反馈至控制系统；控制系统在接收到转速信号、电流信号和位置信号中的一种或多种信号的情况下，输出控制信号控制所述伺服电机进行相应转动，控制系统包括：核心控制芯片、控制器；
[0019]控制器采用三环伺服PID死循环控制结构，其包括：电流环、速度环、位置环；首先对最内电流环设计，然后将电流环等效为速度环的控制对象进行速度环设计，最后将速度环等效为位置环的控制对象进行位置环设计。
[0020]本专利技术伺服电机在控制系统的指令下运动，内环反馈系统分别与所述伺服电机和所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号和电流信号，并将转速信号和电流信号反馈至控制系统，外环反馈系统分别与伺服电机和控制系统连接，采集伺服电机的位置信号，并将位置信号反馈至控制系统，控制系统在接收到转速信号、电流信号和位置信号中的一种或多种信号的情况下，输出控制信号控制所述伺服电机进行相应转动，因此可以满足实时控制的需要，达到良好稳态精度和抗干扰能力等精度指标，实现较高的位置控制精度，得到实时位移数据反馈。
[0021]优选地，所述伺服电机采用无刷直流电机，无刷直流电机输入的电枢电压模块以电枢电流的输出和转速模块的输出为导向。
[0022]优选地，所述伺服电机采用音圈电机，音圈电机是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机，定子部分由永磁体、磁轭构成，动子部分则由铜制线圈、线圈支架组成；永磁体产生磁场，通电线圈在永磁体与磁轭之间均匀磁场的作用下产生推动线圈支架水平移动的轴向电磁推力。
[0023]优选地，所述核心控制芯片为FPGA。
[0024]优选地，所述内环反馈系统包括：转速采集模块、电枢电压电流采集模块、输出控制模块；所述转速采集模块包括编码器，在所述FPGA芯片的条件下，转速的采集选择对编码器输出脉冲进行计数；所述转速采集模块与所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号，将转速信号发送至控制系统。
[0025]优选地，所述转速采集模块执行：
[0026]读取正反转信息，判别转速方向；
[0027]限制最大脉冲计数，防止数据超过量程；
[0028]计数标准脉冲，在采集脉冲周期内对标准脉冲进行计数，计算每个采集脉冲周期对应的标准脉冲数，算出采集脉冲周期。
[0029]优选地，所述电枢电压电流采集模块在所述FPGA芯片条件下，外挂ADC芯片，进行模数转换；所述电枢电压电流采集模块采集电压电流，经过外挂ADC芯片，将电枢电压送入所述控制系统；所述输出控制模块在FPGA芯片的条件下，采用脉冲宽度调制，控制通断时间进行控制输出量的大小。
[0030]优选地，所述外环反馈系统包括：光栅尺传感器、位移采集模块；所述光栅尺传感器是测量微位移信号的检测装置，与所述位移采集模块连接，将检测到的位移物理量信号转换成电信号，实现信息的传输和控制；所述位移采集模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其特征在于：其包括：伺服电机、控制系统、内环反馈系统、外环反馈系统；所述伺服电机在控制系统的指令下运动；所述内环反馈系统分别与所述伺服电机和所述控制系统连接，采集伺服电机的转速信号和电流信号，并将转速信号和电流信号反馈至控制系统；外环反馈系统分别与伺服电机和控制系统连接，采集伺服电机的位置信号，并将位置信号反馈至控制系统；控制系统在接收到转速信号、电流信号和位置信号中的一种或多种信号的情况下，输出控制信号控制所述伺服电机进行相应转动，控制系统包括：核心控制芯片、控制器；控制器采用三环伺服PID死循环控制结构，其包括：电流环、速度环、位置环；首先对最内电流环设计，然后将电流环等效为速度环的控制对象进行速度环设计，最后将速度环等效为位置环的控制对象进行位置环设计。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其特征在于：所述伺服电机采用无刷直流电机，无刷直流电机输入的电枢电压模块以电枢电流的输出和转速模块的输出为导向。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其特征在于：所述伺服电机采用音圈电机，音圈电机是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机，定子部分由永磁体、磁轭构成，动子部分则由铜制线圈、线圈支架组成；永磁体产生磁场，通电线圈在永磁体与磁轭之间均匀磁场的作用下产生推动线圈支架水平移动的轴向电磁推力。4.根据权利要求2或3所述的基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其特征在于：所述核心控制芯片为FPGA。5.根据权利要求4所述的基于FPGA的精密机械运动伺服控制系统，其特征在于：所述内环反馈系统包括：转速采集模块、电枢电压电流采集模块、输出控制模块；所述转速采集模块包括编码器，在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓梅，蔡惟玙，柳华，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：