基于FPGA的电机运动控制器设计与实现.pdf

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1、摘要 摘要 无刷直流电机具有体积小、转矩大、寿命长、功耗低等优点，近年来在机 器人、数控机床等方面具有广泛的应用需求，但目前其驱动控制器以国外产品 为主，且一个驱动器一般只能控制一个电机。 本文针对智能移动机器人自由度多而机械空间较小的问题，研究开发能够 同时控制多个电机且体积较小的无刷电机伺服控制器，从硬件系统、软件系统 和算法三个方面展开。在硬件方面，设计了一款基于F P G A 的运动控制器，充 分发挥F P G A 的优势，使所设计电路系统具有外围电路少、可以同时控制多个 电机并且控制性能和控制单个电机完全相同的优点。算法方面，本文对矢量控 制算法进行了大量仿真，对矢量控制算法和P l

2、 控制等算法进行了优化和改进， 以适应F P G A 平台的逻辑电路设计的需要。软件方面，本文使用V e r i l o g - H D L 语言和原理图设计结合的方式实现了电机控制器电流环和速度环的控制。 本文取得了以下创新性研究成果： 1 提出了基于硬件描述语言的多电机并行控制解决方案。电机控制的算法 均采用逻辑电路实现，一块F P G A 芯片可以根据用户的需求控制多路 电机。控制不同电机的逻辑电路模块是并行工作的，并且模块内部的速 度环与电流环算法也是并行工作的。这样，采用并行化控制方法相比采 用普通的C P U 串行控制方法的电机控制器的控制性能得到很大提高， 并且不会由于电机数量的

3、增加而降低。 2 对电机控制器电流环的矢量控制算法进行了优化和改进。本文针对 F P G A 平台对矢量控制算法进行了平行化处理和算法实现方式的转变， 充分发挥了F P G A 平行化处理的优势，克服了F P G A 相对于传统的C P U 在计算浮点数、乘除法、正负数方面比较困难的弱点。 3 对电机控制器速度环的码盘采样算法进行了改进，提高了码盘采样精度。 本文分析了传统的码盘采样算法M 算法的误差来源，在M 算法的基础 上提出了改进M 算法克服了M 算法缺点，在不改变码盘线数的前提 下，提高了采样精度。 浙江大学硕士学位论文 关键词：F P G A ，硬件化，S V P m d ，多电机，

4、运动控制 摘要 A b s t r a c t W i t ht h ea d v a n t a g eo fs m a l lv o l u m e ，b i gt o r q u e ，l o n gl i f e t i m e ，l o wl o s sa n dS O o n ，b r u s h l e s sD Cm o t o ro b t a i n e dt h er a p i dp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o ni nr o b o t a n dC N Cm a c h i n ei n d u

5、 s t r y , b u tm o s to fm o t o rc o n t r o l l e r sa r ef o r e i g np r o d u c t s ， w h i l eo n em o t o rc o n t r o l l e rC a no n l yc o n t r o lo n em o t o n A i m e da tt h ep r o b l e mo fm o r ed e g r e eo ff r e e d o ma n dl e s sm e c h a n i c a ls p a c ei n t h ei n t e l

6、l i g e n tm o b i l er o b o ti n d u s t r y , t h i sp a p e rd e s i g n sak i n do fs m a l lb r u s h l e s sD C m o t o rc o n t r o l l e rw h i c hC a nc o n t r o lm u l t i p l em o t o r sf r o mt h r e ea s p e c t so fh a r d w a r e , s o f t w a r ea n da l g o r i t h m I nh a r d w

7、 a r ea s p e c t ，t h i sp a p e rd e s i g n sac i r c u i ts y s t e mw h i c h c a l lc o n t r o lm u l t i p l em o t o r ss i m u l t a n e o u s l yw i t ht h es a m ee f f e c to fs i n g l em o t o r , w h i l eU S el e s sc i r c u i t s ，d u et ot h ea d v a n t a g eo fF P G A I na l g

8、o r i t h ma s p e c t ，t h i s p a p e rb o t hs i m u l a t e st h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，a n do p t i m i z e sa n di m p r o v e st h e v e c t o rc o n t r o la l g o r i t h ma n dP Ic o n t r o la l g o r i t h mt of i l lt h en e e d so fF P G A p l a t f o r m I nS e t

9、, w a r ea s p e c t , t h i sp a p e ru s e st h eV e r i l o g - H D Ll a n g u a g ea n db l o c kd i a g r a mt o r e a l i z et h em o t o rc o n t r o l l e r Sc u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o p T h i sp a p e rm a k e st h ef o l l o w i n gi n n o v a t i v er e s e a r c hr e s u l t

10、 s ： 1 P u tf o r w a r dt h ep a r a l l e ls o l u t i o nb a s eo nV e r i l o g - H D L T h em o t o rc o n t r o l a l g o r i t h mi si m p l e m e n t e db yl o g i c c e l l s ，a n do n ep i e c eo fF P G Ac h i pC a n c o n t r o lm u l t i p l em o t o r sf o l l o w i n gt h eU s e r s r

11、e q u e s t s D i f f e r e n tl o g i cc i r c u i t m o d u l e sw o r ki np a r a l l e l ，w h i l ea l g o r i t h m so fs p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o p a l s ow o r ki np a r a l l e l I nt h i sw a y ，t h em o t o rc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fp a r a l l e l c o n t r o lm e

12、 t h o di sg r e a t l yi m p r o v e d ，c o m p a r e dt ot h ec o m m o nC P Us e r i a l c o n t r o lm e t h o d ，a n di tw o n td e c r e a s eb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gn u m b e ro f m o t o r s 2 O p t i m i z ea n di m p r o v et h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mo ft

13、 h em o t o r Sc u r r e n t l o o p T h i sp a p e rp r o c e s s e st h ev e c t o rc o n t r o la l g o r i t h mi np a r a l l e l a n d c h a n g et h ew a yo fi m p l e m e n t a t i o nt op l a ya d v a n t a g eo fp a r a l l e lp r o c e s s i n g ， i i i 浙江大学硕士学位论文 a n do v e r c o m et h

14、ew e a k n e s so ff l o a t i n gp o i n tn u m b e r s ，m u l t i p l ya n dd i v i d e l a w s ，a n dn e g a t i v en u m b e r so nF P G Ap l a t f o r m 目次 目次 致谢 摘要I A B S T R A C T 。 目次V 缩写、符号清单和术语表 1 绪论 1 1 课题的研究目的和意义l 1 2 伺服控制系统的发展趋势l 1 3 国内外伺服控制系统研究现状2 1 4 三闭环电机控制策略3 1 5 本文的创新点4 1 6 本文的主要内容

15、。5 1 7 本章小结。5 2 电机运动控制器的并行化架构 2 1F P G A 的并行设计思想。7 2 2 多电机运动控制系统并行化9 2 3 电机控制模块内部算法并行化1 0 2 4 基于L A B V l E W 的数据采集平台l l 2 5 实验结果l3 2 6 本章小结14 3 电机运动控制器的硬件设计 l ! ； 3 1 硬件系统总体结构介绍1 5 3 2 实验结果。2 0 3 3 本章小结2 2 V 浙江大学硕士学位论文 4 电流环矢量控制算法的研究、仿真与实现 4 1 矢量控制原理2 3 4 2 基于F P G A 平台的矢量控制算法的优化与实现：3 2 4 3 实验结果4 2

16、 4 4 本章小结4 7 5速度环的实现与速度测量方法的改进 4 9 5 1 速度环工作原理4 9 5 2 速度环的F P G A 实现4 9 5 3M 算法改进。5 1 5 4 实验结果5 3 5 5 本章小结6 0 6 总结与展望 6 1 6 1 总结6 l 6 2 展望6 l 参考文献 个人简历及攻读硕士学位期间发表的学术论文 V I 图目录 图目录 图1 1 伺服电机控制系统基本结构图4 图2 1 串行设计方法8 图2 2 并行设计方法。8 图2 3 流水线操作方法9 图2 4 并行控制系统架构1 0 图2 5 电机控制模块结构图l O 图2 6 基于L a b V i e w 的数据

17、采集平台的控制界面。1 2 图2 7 基于L a b V i e w 的数据采集平台的数据上传界面1 2 图2 8 控制频率5 0 0 H Z 下电机稳态控制效果。1 3 图2 9 控制频率2 5 0 H Z 下电机稳态控制效果1 4 图3 1 硬件结构框图1 5 图3 2 电源电路原理图1 6 图3 3F P G A 最小系统电路原理图。1 7 图3 4 功率电路原理图。18 图3 5A D 信号转换电路原理图1 9 图3 65 V 转3 3 V 电平变换电路原理图1 9 图3 73 3 V 转5 V 电平交换电路原理图2 0 图3 8F P G A 控制电路板实物图2 0 图3 9 功率电

18、路板实物图。2 1 图3 1 0 电路板和机器人手臂平台2 2 图4 1 矢量控制流程图2 4 图4 2C l a r k e 坐标变换。2 5 图4 3P a 水坐标变换2 5 图4 4 无刷直流电机控制拓扑图2 6 图4 5 功率桥的可能的开关模式2 7 图4 6 无刷直流电机的6 个矢量扇区3 0 图4 7 第1 扇区的八段S V P W M 波形3 2 V n 浙江大学硕士学位论文 图4 8C l a r k e 模块的封装图3 4 图4 9 三角函数计算原理图3 5 图4 1 0 三角函数封装图。3 5 图4 1 ls i nc o n t r o l 模块状态转换图3 5 图4 1

19、2P a r k 模块封装图3 7 图4 1 3i P a r k 模块封装图3 7 图4 1 4 电流环P I 运算模块3 8 图4 1 5 电流环控制状态机3 9 图4 16S V P W M 模块4 l 图4 17P W M 生成模块4 2 图4 18 电机三相电流值4 3 图4 19C l a r k e 变换输出值。4 3 图4 2 0P a r k 变换输出值4 4 图4 2 1i P a r k 变换输出值4 4 图4 2 2S V P W M 算法输出值4 4 图4 2 3 转子与A 相电流的相位关系。4 5 图4 2 4S V P W M 模块的输出结果4 6 图4 2 5

20、电机A 、B 相电流反馈值4 6 图4 2 6 电机转速反馈值4 6 图5 1 速度环控制算法信号流图4 9 图5 2 速度控制模块结构图5 0 图5 3 速度测量模块结构图5 l 图5 A 改进M 算法时序图5 3 图5 5 改进M 算法与M 算法测量值对比图5 5 图5 6 改进M 算法与M 算法测量值局部对比图5 6 图5 7 空载条件下采用梯形波激励的速度响应波形5 8 图5 8 负载条件下采用梯形波激励的速度响应波形5 8 图5 9 空载条件下采用正弦波激励的速度响应波形。5 9 图目录 图5 1 0 负载条件下采用正弦波激励的速度响应波形6 0 I X 缩写、符号清单和术语表 缩写

21、、符号清单和术语表 F P G A ：现场可编程门阵列( F i e l d - - P r o g r a m m a b l eG a t eA r m y ) S V P W M ：空间矢量脉宽调制( S p a c eV e c t o rP u l s eW i d t hM o d u l a t i o n ) P V T 控制：位置速度时间( P o s i t i o n - V e l o c i t y T i m e ) 控制 I PC o r e ：知识产权核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 绪论 1 绪论 1 1

22、课题的研究目的和意义 伺服控制指对物体运动的有效控制，即对物体运动的位置、速度、加 速度进行控制。伺服控制是机器人、数控机床以及其他相关机械控制领域的关 键技术之一，与国家装备技术水平的患患相关。 自上世纪八十年代以来，机器人技术发展飞速。机器人技术结合了徼电子 电路、自动控制理论、传感器技术、仿生学、人工智能等多门基础与新型学科， 是各国科学研究的一个重要方向。从某种意义上说，机器人技术水平可以体现 一个国家的综合科学技术水平。移动机器人是机器人研究的热点之一，发展迅 猛，已被广泛应用于民用、工业和军事等众多领域。运动控制系统是移动机器 人的基础，它以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力

23、电子功率变换装 置为执行机构，将龟能转换为机械能实现移动机器入的运动要求。所以，运 动控制技术的水平直接影响了移动机器人平台性削。 本课题主要来源于浙江大学的智能移动机器人项目。目前市场上的伺服电 机控制器大多只能控制一个电机，而智能移动机器人的手臂有多个自由度并且 机械空间较小；因此，能够同时控制多个电机的、体积较小的伺服电机控制器成 为迫切的需要。多电机集成的伺服控制器也会降低机器人的成本，加快机器人 的普及速度。 本课题的主要任务是完成无刷直流电机运动控制器的设计与实现：研究基 于正弦波矢量控制算法的电流环控制和基于P I 算法的速度闭环控制，并在 F P G A 平台上实现具有基本伺服

24、控制功能的系统。本课题的研究成功将会增强 无刷直流电机的控制能力，为以后进行各种先进控制算法的研究和实践提供平 台，并为实验室的乒乓球机器人和服务机器人提供手臂的关节驱动器。 1 2 伺服控制系统的发展趋势 伺服系统又称为随动系统，是构成自动化体系的基本环节，是由若干元件 和部件组成的具有功率放大作用的一种自动控制系统。电气伺服系统又分为直 浙江大学硬士学位论文 流伺服系统和交流伺服系统。直流电动机具有调速范围宽，转矩大，启动停止 方便，系统消耗能量小的优势，在上世纪7 0 年代被广泛应用于对控制性能要求 比较高的伺服系统中。随着微处理器、永磁材料制造工艺和大功率半导体器件 的发展，交流伺服电

25、动机在上世纪8 0 年代逐渐成为交流伺服控制的主导产品。 交流伺服电机在过负荷特性和低惯性方面表现优越，并且机械结构相对直流电 机简单，可靠性高。无刷直流电机本质上是一个交流同步电机，具有输出扭矩 大，体积小，寿命长的优点。在伺服控制系统的得到广泛应用。总体来看，伺 服系统的发展趋势主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 体积小型化 采用嵌入式处理器、超大规模集成电路、集成功率元件等软硬件集合的技 术，伺服控制器的功能被集合在一块集成的电路板上，这使得伺服控制器的体 积越来越小，功能越来越强大。对于移动机器人来说，控制器的体积小，则机 械设计空间更加灵活和美观。 ( 2 ) 控制智能化 随着现代

26、控制理论的发展，模糊控制、自适应控制、神经网络等控制算法 在伺服控制系统中也得到了各种研究与应用，从而使伺服控制系统的速度和精 度得到了很大提高。闭环控制系统可以对控制参数进行自整定，从而缩短了用 户对系统的调试周期，提高了研发进度1 2 训。 ( 3 ) 通信网络化 1 遗着网络的发展，传统的一对一的控制方法正在被一对多的控制方法所取 代。各个控制器挂在同一条总线上，实时与主控制器进行通信，完成复杂的控 制参数传递和数据检测 1 3 国内外伺服控制系统研究现状 当前，在中国的交流伺服市场中，来自日本、美国和德国的品牌占据了8 5 的份额，如安川、三菱、松下、罗克维尔、西门子、施奈德等。日本的

27、品牌性 价比较高，占据了市场的半壁江山，欧美的品牌性能高、价格昂贵，在高端设 备上有较高的使用率嘲 我国从上世纪7 0 年代开始研发交流伺服技术，主要的研究机构有北京机床 2 绪论 所、中科院沈阳自动化所等科研单位。随着中国制造的快速发展，国内的很多 厂家也开始推出自己的产品，有森创、华中数控、广数、南京埃斯顿等【6 1 。 早期，伺服控制器采用模拟控制方案，动态响应快，但是电路复杂、功能 单一；中期，D S P 作为控制器的方案以电路简单、软件修改灵活的优点得到广 泛应用，但是P W M 信号的产生和电流环的实现需要D S P 硬件接口的支持系 统的扩展性不强【7 _ 1 2 】；后期，基于

28、D S P 和F P G A 的控制方案以较强的灵活性 和适应性得到用户青睐，然而D S P 和F P G A 的开发增加了系统的复杂性【协1 5 1 。 随着微电子技术和电机控制理论的快速发展，大容量、高性能F P G A 的出现， 使采用一片F P G A 实现电机控制成为可鲥1 6 9 1 。 F P G A 是逻辑单元阵列用户可以对其进行特定的编程内部逻辑全部采 用电路的方式实现，系统可以通过并行化和流水线化方式进行数据处理，从而 使控制性能得到提高。F P G A 在伺服控制系统中有过成功的应用1 2 0 抛l 。 1 4 三闭环电机控制策略 图1 1 为伺服系统的基本结构，是一个典

29、型的多闭环反馈控制系统。除无 刷直流电机外，系统主要包括功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩 ( 电流) 控制器、位置转速反馈单元及电流反馈单元等。电流环和速度环可以 根据需要设定为开环或闭环控制方式。 三闭环电机控制系统由外到内依次为位置环，速度环和电流环。内环的控 制频率大干外环的控制频率。用户给定值为位置环的设定值，位置环的输出值 作为速度环的设定值，速度环的输出值作为电流环的设定值。 电流环控制算法由电流环调节部分与无刷直流电机换相部分组成。无刷直 流电机的换相方式分为梯形波换相方法和正弦波矢量换相方法。若采用梯形波 换相方法，电流环采用三相无刷直流电机的总电流作为控制对象；若采

30、用正弦 波矢量换相方法，电流环采用三相无刷直流电机的两相电流经过坐标交换后的 电流作为控制对象。梯形波换相方法的优点是控制算法简单，正弦波换相方法 的优点是使得三相绕组电流为对称正弦波，实际磁通逼近基准圆磁通。这样可 以减少开关次数，提高直流电压利用率，更好的抑制谐波。 速度环与位置环控制算法可以采用普通的P I D 算法实现目标位置的控制功 3 浙江大学_ 硬士学位论文 能，很多先进控制算法在速度环和位置环控制中也得到了应用与仿真。如模糊 控制算法，神经网络控制算法，自适应控制算法和滑膜变结构控制算法等。 商业化的三闭环电机运动控制器一般采用两种控制方式：一种是位置环和 速度环均采用简单的P

31、 I D 控制，用户可以设定电机的目标位置，但是到达目标 位置的速度和时间不能够设置；另一种是位置环采用P V T ( 位置，速度和时间) 控制方式，用户可以根据自己的需要设定电机的目标位置，及到达目标位置的 速度与时间；P v T 控制方法可以使机器人的手臂关节运行得更加平稳流畅。但 是P V T 控制方法在文献中很少被提到四J 。 设定 。1 5 本文的创新点 图1 1 伺服电机控制系统基本结构图 本文根据机器人关节运动控制的特点，提出了多电机并行化控制的方法， 有效地减小了机器人运动控制器的总体积和成本；对电流环的正弦波矢量控制 算法进行了详尽的理论分析和公式推导，针对逻辑电路的特点，对

32、电流环的正 弦波矢量控制算法进行了优化，在F P G A 平台上进行系统开发，实现了对无刷 直流电机正弦波矢量控制的功能；对传统的码盘采样算法进行改进在M 算法 的基础上，提出改进M 算法，在硬件不变的条件下，提高码盘的采样精度；本 文设计的电机运动控制器的所有底层算法均由硬件描述语言V 酾I o g - H D L 实现， 顶层通过原理图的方式将各个子模块连接在一起，可以作为电机控制I P 核发布 4 绪论 给其他用户使用。 1 6 本文的主要内容 如何让电机运动的更快速、更准确、更平滑，是机器人研究不可避免的问 题。为了实现机器人手臂关节的电机运动控制器的自主研发，降低成本，本文 主要进行

33、了如下研究和系统实现。 第一章阐述了本课题的研究目的和意义以及国内外的研究现状，介绍了无 刷直流电机伺服控制系统的结构组成以及系统的控制策略。 第二章提出了多电机运动控制器的并行化架构，介绍了并行化控制系统的 工作原理、并行化系统常用的设计思想以及多电机运动控制系统的实现方法。 第三章完成了并行化伺服电机运动控制器的硬件电路设计。 第四章研究了电流环矢量控制算法，对算法进行了仿真，并在F P G A 平台 上对算法进行了优化和实现，使算法更快地运行并占用更少的F P G A 空间。 第五章介绍了速度环P I 控制算法，改进了码盘采样算法，提出了改进M 算法，并在F P G A 平台上对算法进行

34、了实现。 第六章对本文主要工作的全面总结，并对后续工作进行了展望。 1 7 本章小结 本章介绍了课题的研究目的分析了研究和开发伺服控制系统的重要性。 通过调研伺服控制器的当前现状，提出本文要重点研究的算法与控制系统的实 现内容。 S 电机运动控制器的并行化榘构 2 电机运动控制器的并行化架构 目前广泛使用的电机控制器大多是基于M C U D S P 设计的，一些M C U 和 D S P 中配置了电机控制专用指令、接口和外设，方便用户使用。但是，实际应 用中仍需要大量外围逻辑电路扩展其硬件功能，而且一块控制芯片往往只有一 至两路电机控制接口，在多电机同时控制的场合。系统需要多个控制芯片，这 样

35、控制系统的成本和体积都会增加。另外，M C U 和D S P 的外设是固定的，底 层算法不能够优化【2 4 1 。 F P G A 内嵌软核的方案可以解决专用芯片外设和端1 2 受到限制的问题，但 是程序串行执行的特点决定了软件功能的增多将会影响到运算的实时性。 本章设计了并行化的电机运动控制系统架构，采用硬件描述语言实现多个 电机并行控制功能，使一块F P G A 控制芯片可以同时控制多个电机，并且系统 的控制频率不会降低。 并行化控制系统体现在两个方面： ( 1 ) 各个电机控制模块和软核控制器之间是并行化工作的。 ( 2 ) 电机控制模块内部的位置环、速度环和电流环之间是并行化工作的。

36、2 1F P G A 的并行设计思想 本文主要采用了串并转换设计思想和流水设计思想进行并行化电机运动控 制器的架构设计。串并转换和流水线操作是两种常用的F P G A C P L D 设计思想 、 与技巧，这两种思想都是F P G A C P L D 逻辑设计的内在规律的体现，合理地采 用这些设计思想能在F P G A C P L D 设计工作种取得事半功倍的效果【2 5 1 。 ( 1 )串并转换设计思想 串并转换是F P G A 设计的一个重要技巧，它是数据流处理的常用手段也 是面积与速度互换思想的直接体现。图2 1 为常用的串行系统，当有多个任务 需要执行时，C P U 分时轮流执行不同

37、的任务，当所有的任务执行一遍结束后 C P U 跳转到任务l 开始新一轮的执行。当任务之间相对独立时。我们可以采用 如图2 2 所示的并行结构执行。任务l 至任务N 之问同时运行这样系统的运 行速率会得到很大提高。 7 浙江大学硕士学位论文 图2 1 串行设计方法 图2 2 并行设计方法 ( 2 ) 流水线操作设计思想 流水线处理是逻辑设计中的另外一种常用的方法。如果某个设计的处理流 程分为若干个步骤，而且整个数据流是单流向的，即前一个步骤的输出是下一 个步骤的输入，则可以考虑采用流水线设计方法来提高系统的工作效率。 流水线设计的结构示意图如图2 3 所示。系统执行一个算法需要4 个步骤 或者

38、时钟周期，每个步骤都由相应的逻辑电路执行，信号进入系统中的执行顺 序是固定的，那么在一个时钟周期，每个步骤对应的逻辑电路均可以同时工作， 但分别处理的信号不同。在第一个时钟周期，步骤l 对应的模块执行a 信号的 第一个运算过程；在第二个时钟周期，步骤2 对应的模块执行a 信号的第二个 计算过程，同时b 信号进行系统中，步骤I 对应的模块执行b 信号的第一个运 算过程；在第三个和第四个时钟周期中，c 信号和d 信号依次进入到系统中得 到执行；在第五个时钟周期中a 信号经过所有的处理步骤后输出；在第六个 时钟周期中，b 信号经过所有的处理步骤后输出。流水线操作可以得到如下效 果：虽然两个信号的执行

39、过程均需要4 个时钟周期，但是它们得到输出结果的 时间间隔只需要1 个时钟周期即可。 l 电机运动控制器的并行化榘构 T 互H 匦窭 图2 3 流水线操作方法 2 2 多电机运动控制系统并行化 a 5 b 5 图2 4 为并行化控制系统的架构图。F P G A 系统由C P U 软核和电机控制模 块组成。软核是开发者设计的具有逻辑功能的、可以转化为F P G A 电路的程序 模块，通常使用H D L 语言开发，它经过R T L 级设计优化和功能验证，但其中 不含有任何具体的物理信息。在F P G A 中使用软核处理器比硬核的优势在于 硬核实现没有灵活性，而软核可以不依赖于硬件而实时更新i 2

40、D 2 9 1 。 以N i o sI I 系列为代表的软核处理器是A i t e r a 的第二代F P G A 嵌入式 处理器，其性能超过2 0 0 D M I P S ，在A i t e r aF P G A 中实现仅需3 5 美分。 在并行化架构的系统中，软核处理器负责系统的初始化配置，与上位机进 行通信，计算每个电机的设定值，检测传感器的信号并做出相应的响应。电机 控制模块完全由硬件描述语言实现，包括位置环，速度环，电流环等部分。电 机控制模块的数量是由系统需要控制电机的数量决定的。每个电机控制模块对 应一个电机。所有的电机控制模块都是独立并行工作的，用户可以根据需要设 定电机控制模

41、块的工作模式和参数。 - 通过这种并行化的方式，一块芯片可以控制多路电机，并且每一路电机的 控制性能相同，系统不会因为多增添一路电机，而整体的计算效率降低。 9 浙江大学硕士学位论文 图2 4 并行控制系统架构 2 3 电机控制模块内部算法并行化 电机控制模块由外到内包括位置环控制模块、速度环控制模块和电流环控 制模块等三个子模块，如图2 5 所示。每个控制模块内部都有自己的状态机， 由相对应的定时器触发。三个模块之间的联系是上级的输出结果作为下级的输 入设定值，因此，这三个模块可以独立、并行工作。三个模块的控制频率由各 个模块对应的定时器决定。 1 0 图2 5 电机控制模块结构图 电机运动

42、控制器的并行化榘构 2 4 基于L a b V i e w 的数据采集平台 L a b V i e w ( L a b o r a t o r yV i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图形 化的程序开发环境，由美国国家仪器( N 1 ) 公司研制开发。L a b V i e w 与其他计 算机语言的显著区别是：其他计算机语言都采用文本语言编写代码，而L a b V i e w 使用图形模块编写程序，编写的程序也是以框图的形式存在。它以图形化编程 的优势广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个用于开发数 据采集和仪器控制软件的标准的平台。 为了测试电机运动控制器的控制性能和监督每个程序模块的计算过程与结 果，本文在L a b V i e w 环境下开发了一款数据采集平台。本文每个章节的实验数 据均是通过基于L a b V i e w 的数据采集平台得到的。该数据采集平台可以实现电 机运动控制器与计算机的双向通信。该数据采集平台具有如下两个功能： 1 用户在图2 6 所示的R o b o t C o n t r o l 界面设置待测电机的激励方式，控制 参数和需要观测的数据类型等，数据采集平台会将这些控制