[实用新型]基于永磁无刷直流电机的无刷伺服控制系统和驱动装置

说明书

技术领域：

本发明属于工业自动化控制领域，特别是涉及一种以FPGA为核心控制单元的，以永磁无刷直流伺服电机为控制对象的无刷伺服控制系统和驱动装置。

背景技术：

随着我国科技的不断进步和经济的飞速发展，在工业控制领域，伺服系统的应用领域越来越广。根据我国的国情，大量情况下需要使用的是小型自动化设备，要求低成本，但又要满足自动控制的高精度和快速响应。为了适应这种国情，本发明人首先对伺服系统的控制对象即电动机本体进行设计改进，目前广泛使用的交流伺服电机由于使用带U、V、W信号的增量式光电编码器作为磁极位置的检测元件，成本居高不下，因此本发明人首先对于永磁无刷直流电机的结构进行了改进，在制造时就在其定子上由模具冲压出三条互差60°或120°机械角且精度很高的凹槽，用于安装开关型霍尔元件，作为磁极位置反馈元件，而避免使用价格昂贵的带U、V、W信号的增量式编码器，使电机制造成本大大降低，而且凹槽由模具冲压而成，精度也可以得到保证；同时在电机定子上同样由模具冲压出三条互差60°或120°机械角的凹槽，用于安装电流型霍尔元件，作为电流环采样元件，用来检测电机的相电流，改变了传统的电流采样方法，同时使永磁无刷直流电机用于高精度的定位控制场合成为可能。

以往以永磁无刷直流电机作为控制对象的电力拖动系统，虽然成本低，但传统的无刷直流电机，由于没有电流采样元件，因此无法进行相电流采样，因此大都只用于简单调速的电力拖动场合，其驱动器多采用电流环和速度环双闭环控制，难以应用在定位控制等高精度控制场合。尽管如此，由于永磁无刷直流电机具有结构简单，运行可靠，维护方便，不受机械换向限制，调速性能好的特点，而且，近年来随着微电子技术的发展，MCU、DSP、FPGA得到了广泛应用，特别是FPGA的出现，它体积小，容量大，能最大限度的集成外围逻辑，同时能实现复杂的控制算法，可以提高系统的整体可靠性和控制精度，性能越来越好，容量越来越大，成本越来越低，因此将FPGA应用于伺服系统的控制中，将永磁无刷直流电机结构进行改进后，基于永磁无刷直流电机的无刷伺服控制系统在小型自动化设备或低成本应用领域，具有广阔的应用前景。

发明内容：

本发明针对上述永磁无刷直流电机，提供了一种以永磁无刷直流电机为控制对象的伺服系统的驱动装置和采用该驱动装置的无刷伺服控制系统，其以FPGA为核心控制单元，实现了位置环、速度环和电流环的三个闭环控制，能够达到交流伺服系统的优越性能，可以应用在转矩、速度、位置等高精度、高性能要求的控制场合，同时生产成本又远远低于交流伺服系统。

本发明的技术方案如下：

一种永磁无刷直流伺服电机的驱动装置，包括控制单元、接口单元、驱动单元，控制单元通过接口单元与驱动单元连接，所述控制单元采用现场可编程门阵列FPGA，其特征是所述FPGA为电流闭环、速度闭环、位置闭环由里到外环环相扣的二阶系统；

所述FPGA中形成电流闭环的模块包括依次串联联接的2/3矢量转换模块、电流闭环控制模块、PWM电流控制模块和栅极驱动逻辑：电流检测反馈信号经模数转换后向FPGA输入两路电流信号，经2/3矢量转换模块生成三路电流反馈信号，作为电流闭环控制模块的反馈输入端，速度闭环控制模块的输出信号作为电流闭环控制模块的指令输入端，做比较后作为电流闭环控制模块的输入，由电流闭环控制模块运算生成的输出信号进入PWM电流控制模块，PWM电流控制模块的输出信号进入栅极驱动逻辑后，输出六路驱动信号；

所述FPGA中形成速度闭环的模块包括换相逻辑处理模块、倍频鉴相模块、频率采集模块、速度闭环控制模块：换相逻辑处理模块的输入端输入磁极检测反馈信号，输出端接速度闭环控制模块，用作速度闭环矢量控制变换的依据；倍频鉴相模块的输入端输入位置检测反馈信号，用于检测电机旋转方向，同时为提高频率采集模块的检测精度，该模块对位置检测反馈信号做四倍频处理后，其一输出端接频率采集模块，由频率采集模块最终产生与电机转速成正比的数字信号作为速度闭环控制模块的反馈输入端；速度闭环控制模块的指令输入端为位置闭环控制模块的输出端，做比较后作为速度闭环控制模块的输入，由速度闭环控制模块运算生成的输出信号即为电流闭环控制模块的指令输入端。