[发明专利]基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统及其方法

权利要求书

1.一种基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，其特征在于，所述基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统，包括：

上位机，连接于上位机的位置环控制器，连接于上述位置环控制器的第一电机、第二电机，连接于上述第一电机、第二电机的负载盘，连接于上述负载盘并将位置反馈给位置环控制器的旋转变压器；上述位置环控制器组成有：由单片机和FPGA控制架构组成的PID控制器，接收PID控制器发出的12路PWM的驱动器；还包括：解析位置信号的旋转变压器解码芯片，传输旋转变压器解码芯片与FPGA之间的信息的SPI接口，检测系统内电压、电流并将信息传输到FPGA的模数转换器；

还包括：设置于上述第一电机、第二电机上并通讯于位置环控制器的霍尔传感器；

上述旋转变压器采用多摩川高精度旋转变压器；旋转变压器解码芯片采用AD2S1210，分辨率采用16位，精度达到±2.5弧分；

上述单片机采用Infineon公司的32位以ARM Cortex-M4为核心处理器的XMC4500系列的单片机；

上述FPGA采用XILINX的Spartan-6系列，外部晶振为100MHz；上述电机为直流无刷电机；

上述负载盘组成有：连接于上述电机的减速箱，连接于上述减速箱的转台；

具体包括如下步骤：步骤一，单片机初始化，FPGA初始化，上位机通过串口通信发送目标位置信号和控制信号，单片机内部集成的UART模块接收和发送位置信号及控制信号，旋转变压器解码芯片将负载当前位置迅速解析，通过SPI接口读取转台的位置信号，读取第一电机、第二电机的霍尔传感器的状态信号，确定电机位置，通过模数转换器检测电压、电流信号，FPGA将位置信息及伺服状态信息数据打包，通过并行IO口将数据上传至单片机中；

步骤二，单片机利用串口中断将状态信息上传至上位机，上位机显示电机当前状态信息，利用UART模块中断将命令下发至单片机，单片机对指令位置和当前位置进行PID计算，同时根据霍尔传感器发出的信号计算出电机换相指令，将位置参数信息、电机换相信息及上位机发送的控制信号打包，通过并行IO口发送至FPGA；

步骤三，FPGA将数据解析，将PID位置参数加上和减去齿轮消隙参数M后得到两个控制参数分别控制第一电机、第二电机的控制信号，生成12路PWM驱动信号给驱动器；

步骤四，驱动器驱动第一电机、第二电机，经过减速齿轮后即可转动到指定的位置，旋转变压器通过解码芯片将位置信号返回给FPGA，打包上传至单片机，单片机内部2个独立的POSIF资源用来接收FPGA上传的2个电机的6路霍尔传感器的信号，判断出电机的当前位置及期望位置，实现第一电机、第二电机的换相；

步骤五，通过串口中断反馈给上位机显示，构成完整的伺服闭环系统。

2.根据权利要求1所述的基于单片机和FPGA的双电机高速高精伺服控制系统的控制方法，其特征在于，上述齿轮消隙参数M的计算过程是：

设需要补偿的齿轮间隙长度为S，两个电机精确定位时是两个电机向相反的方向旋转，由此得出单个电机需要补偿的齿轮间隙长度为0.5S；

PWM周期值范围为0～Y，对应的PWM占空比为0～100％，100％占空比对应的单个电机最大速度为V；

设齿轮间隙补偿时间为T，单个电机补偿的间隙为0.5S，电机补偿的速度为V，则0.5S＝V*T，那么补偿参数M＝Y；

如果需要0.1V的速度补偿相同的齿轮间隙0.5S，则需要的时间为5T，而对应的补偿参数M＝0.1Y。