[发明专利]一种基于FPGA＋DSP的振镜电机数字控制器

说明书

本发明公开了一种基于FPGA+DSP的高速振镜电机控制器，所述数字控制器包括：电源转换单元，将外部供电输入隔离转换为数字控制器内部所需各路直流电源；信号处理单元，对电机电流、位置反馈，位置输入三路模拟量信号进行运算并转换为数字信号；控制运算单元，采集三路信号、执行电机控制算法并输出PWM控制量，实现对振镜电机高速伺服控制；电机驱动单元，作为数字控制器的执行单元，驱动电机正反转；数据通讯单元，实现与上位机通讯功能。采用FPGA+DSP协同处理架构的振镜电机数字控制器结合了FPGA逻辑控制能力和DSP的数据处理能力，兼顾了控制速度和控制算法复杂度，提高了振镜电机扫描速度和精度。

技术领域

本发明属于高精度电机控制技术领域，尤其涉及一种基于FPGA+DSP的振镜电机数字控制器。

背景技术

振镜电机是一种位置随动伺服电机，在工作中要求振镜电机快速、准确、稳定地跟随位置输入信号。振镜电机控制方法分为模拟控制方法和数字控制方法两种，目前国内振镜电机控制主要通过模拟控制方法来实现。相比于数字控制方法，模拟控制方法无法应用智能控制算法、功耗大、发热严重、调试复杂、可移植性差、温度漂移大且容易受到外界干扰。

数字控制方法抗干扰能力强，可靠性高，但需要经过模/数转换，处理数据量庞大。单一处理器架构的数字控制系统需要实时采集电机电流和位置信号，处理器需兼顾数据采集、数据预处理和控制算法，高频率的中断响应会限制电机控制算法的复杂度，难以实现对反射镜扫描运动轨迹的高速高精度控制，无法满足军事探测以及航空航天等高性能应用场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有振镜电机数字控制系统的不足，提供一种基于FPGA+DSP的振镜电机数字控制器，提高振镜电机控制系统的响应速度和扫描精度。

本发明的技术方案是：一种基于FPGA+DSP的振镜电机数字控制器，该数字控制器包括信号处理单元、控制运算单元、电机驱动单元；

信号处理单元，采集位置输入信号、电机电流信号放大滤波后并转换成数字信号，发送给控制运算单元；从被控振镜电机中的位置传感器的输出进行处理，得到与电机实际角度成比例的位置反馈数字信号；

控制运算单元,采用FPGA和DSP实现，FPGA采用并行总线接口将位置输入信号数字信号、位置反馈信号数字信号、电机电流信号数字信号发送给DSP，并对位置反馈信号进行补偿，修正由位置传感器引起的误差；DSP采用引入前馈控制器的电流环、速度环、位置环三环PID控制器，计算得到PWM输出量，将PWM输出量转换为PWM驱动信号至电机驱动单元；

电机驱动单元，将PWM驱动信号隔离输出，用于驱动电机，实现电机的正转或者反转，对流过电机绕组电流进行采样，得到电机电流信号，并转发至反馈给信号处理单元。

优选地，FPGA对位置反馈信号进行补偿的方法为：

利用CORDIC算法求解出当前位置反馈信号角度误差值，再计算出当前位置反馈信号对应的位置传感器理想角度值，将理想角度值与角度误差值相加，即可得到位置传感器实际角度值，即对位置传感器误差进行补偿。

优选地，角度误差值采用三个正弦函数叠加而成的“电压-角度误差”函数表示。

优选地，所述三环PID控制器的传递函数为：

其中，F(s)为前馈控制器传递函数，G_v(s)为速度环闭环传递函数，G_p(s)为位置环控制器传递函数。

优选地，当位置输入信号为阶跃信号时，所述DSP在采用引入前馈控制器的电流环、速度环、位置环三环PID控制器，计算得到PWM输出量之前，对位置输入信号进行过渡处理，所述过渡处理函数如下：