一种可重构的交流伺服驱动控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种可重构的交流伺服驱动控制系统，至少包括交流伺服驱动控制器A、FPGA信号预处理B、功率驱动C、交流伺服电机D、编码器E、上位控制器F和按键显示控制面板G。交流伺服驱动控制器A主要由应用管理框架层、功能模块框架层、子功能模块层、硬件接口驱动层和硬件接口层组成。功能模块框架层、子功能模块层和硬件接口驱动层内部的组成，均可根据交流伺服电机类型和控制需求进行修改和配置。本发明的有益效果是：用户可根据电机类型、负载性质、运行参数、控制策略类型等对系统功能进行配置，实现交流伺服驱动控制系统的重构，以适应其特殊的伺服驱动控制需求，具有很好的可重构性和通用性。
【专利说明】一种可重构的交流伺服驱动控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及伺服控制领域，具体涉及一种可重构的交流伺服驱动控制系统。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论和计算机技术的发展，交流伺服控制技术取得长足进步，因而交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，并以其宽调速范围、高稳态精度和快速动态响应等优良特性，广泛应用于机电一体化、数控机床、加工中心、工业机器人、柔性制造系统等许多高科技领域中。
[0003]交流伺服驱动控制系统是交流伺服系统的重要组成部分，但伺服电机多种多样及与伺服电机配套使用的驱动器的专用性，给不同控制需求的用户在选型、设计以及应用中增加很多工作量和困难，也造成了诸多不必要的浪费。
[0004]目前，国外虽有集3种类型驱动控制(通用变频器、永磁同步交流伺服驱动器和异步电机伺服驱动器)于一体的控制器，但其开放性和通用性仍然不够强且价格较昂贵。国内研究以提高伺服单元控制性能为重点，主要集中在电机本体、电机控制策略、逆变器及调制技术、现代控制理论等方面，但交流伺服驱动系统的通用性、可升级性等相关的整体设计、软件架构以及实现方法等方面缺乏深入研究。
[0005]自主研究和设计集多种类型驱动控制于一体的通用型伺服驱动控制系统，用户可根据控制需求，对电机类型、负载性质、运行参数、控制策略类型等进行配置，实现交流伺服驱动控制系统的重构，具有很大必要性和实用价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的旨在提供一种可重构的交流伺服驱动控制系统，解决现有交流伺服驱动器开放程度低、通用性差的问题，便于根据实际工况与控制需求对系统功能进行修改、扩充和升级，实现交流伺服驱动控制系统快速重构。
[0007]为实现上述目标，本发明所采用的技术方案如下:
[0008]一种可重构的交流伺服驱动控制系统，至少包括交流伺服驱动控制器A、FPGA信号预处理B、功率驱动C、交流伺服电机D、编码器E、上位控制器F和按键显示控制面板G ；所述交流伺服驱动控制器A分别与FPGA信号预处理B和功率驱动C相连；所述FPGA信号预处理B与功率驱动C、编码器E、上位控制器F和按键显示控制面板G分别相连；所述功率驱动C与交流伺服电机D相连；所述交流伺服电机D与编码器E相连；
[0009]所述交流伺服驱动控制器A通过FPGA信号预处理B接收上位控制器F和按键显示控制面板G下发的运动参考命令，交流伺服驱动控制器A还接收经FPGA信号预处理B处理的功率驱动C和编码器E的反馈数据信息，再经交流伺服驱动控制器A的控制算法产生驱动信息，驱动信息经功率驱动C功率放大驱动交流伺服电机D运动。
[0010]所述交流伺服驱动控制器A主要由应用管理框架层1、功能模块框架层2、子功能模块层3、硬件接口驱动层4和硬件接口层5组成；[0011]所述应用管理框架层I至少包括交流伺服驱动控制器管理框架11 ；
[0012]所述功能模块框架层2至少包括控制单元功能模块框架21、变换单元功能模块框架22、设定单元功能模块框架23、测量单元功能模块框架24和执行单元功能模块框架25 ；
[0013]所述子功能模块层3至少包括控制单元子功能模块族31、变换单元子功能模块族32、设定单元子功能模块族33、测量单元子功能模块族34和执行单元子功能模块族35 ；
[0014]所述硬件接口驱动层4至少包括外部设备通信接口驱动40、设定单元接口驱动43、测量单元接口驱动44和执行单元接口驱动45 ；
[0015]所述硬件接口层5至少包括外部设备通信接口 50、设定单元接口 53、测量单元接口 54和执行单元接口 55。
[0016]所述交流伺服驱动控制器管理框架11至少包括交流伺服驱动控制器任务调度111和交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112 ；
[0017]所述交流伺服驱动控制器任务调度111与功能模块框架层2、外部设备通信接口驱动40和交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112分别相连；所述交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112与功能模块框架层2和外部设备通信接口驱动40分别相连；所述交流伺服驱动控制器管理框架11通过交流伺服驱动控制器任务调度111完成功能模块框架层2中各功能模块框架和外部设备通信接口驱动40的调度与数据信息管理；所述交流伺服驱动控制器管理框架11通过交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112完成各功能模块框架间和交流伺服驱动控制器管理框架11与外部设备通信接口驱动40之间的数据交互。
[0018]所述子功能模块层3中的子功能模块族是指包含一系列功能性质相似的子功能模块的集合；所述功能模块框架层2中的功能模块框架用于完成对相应子功能模块族中子功能模块的调度和数据信息管理；所述控制单元功能模块框架21与控制单元子功能模块族31相对应；所述变换单元功能模块框架22与变换单元子功能模块族32相对应；所述设定单元功能模块框架23与设定单元子功能模块族33相对应；所述测量单元功能模块框架24与测量单元子功能模块族34相对应；所述执行单元功能模块框架25与执行单元子功能模块族35相对应；
[0019]所述控制单元功能模块框架21至少包括控制单元模块重构器211和控制单元模块数据信息接口 212 ;所述变换单元功能模块框架22至少包括变换单元模块重构器221和变换单元模块数据信息接口 222 ;所述设定单元功能模块框架23至少包括设定单元模块重构器231和设定单元模块数据信息接口 232 ;所述测量单元功能模块框架24至少包括测量单元模块重构器241和测量单元模块数据信息接口 242 ;所述执行单元功能模块框架25至少包括执行单元模块重构器251和执行单元模块数据信息接口 252 ；
[0020]所述控制单元模块重构器211分别与控制单元子功能模块族31和控制单元模块数据信息接口 212相连；所述控制单元模块数据信息接口 212与控制单元子功能模块族31相连；所述控制单元功能模块框架21通过控制单元模块重构器211完成控制单元子功能模块族31中各子功能模块的调度与数据信息管理；所述控制单元功能模块框架21通过控制单元模块数据信息接口 212完成各子功能模块间的数据交互；
[0021]所述变换单元模块重构器221分别与变换单元子功能模块族32和变换单元模块数据信息接口 222相连；所述变换单元模块数据信息接口 222与变换单元子功能模块族32相连；所述变换单元功能模块框架22通过变换单元模块重构器211完成变换单元子功能模块族32中各子功能模块的调度与数据信息管理；所述变换单元功能模块框架22通过变换单元模块数据信息接口 222完成各子功能模块间的数据交互；
[0022]所述设定单元模块重构器231分别与设定单元子功能模块族33、设定单元接口驱动43和设定单元模块数据信息接口 232相连；所述设定单元模块数据信息接口 232与设定单元子功能模块族33和设定单元接口驱动43分别相连；所述设定单元功能模块框架23通过设定单元模块重构器231完成设定单元子功能模块族33中各子功能模块和设定单元接口驱动43的调度与数据信息管理；所述设定单元功能模块框架23通过设定单元模块数据信息接口 232完成各子功能模块间及子功能模块与设定单元接口驱动43之间的数据交互；
[0023]所述测量单元模块重构器241分别与测量单元子功能模块族34、测量单元接口驱动44和测量单元模块数据信息接口 242相连；所述测量单元模块数据信息接口 242与测量单元子功能模块族34和测量单元接口驱动44分别相连；所述测量单元功能模块框架24通过测量单元模块重构器241完成测量单元子功能模块族34中各子功能模块和测量单元接口驱动44的调度与数据信息管理；所述测量单元功能模块框架24通过测量单元模块数据信息接口 242完成各子功能模块间及子功能模块与测量单元接口驱动44之间的数据交互；
[0024]所述执行单元模块重构器251分别与执行单元子功能模块族35、执行单元接口驱动45和执行单元模块数据信息接口 252相连；所述执行单元模块数据信息接口 252与执行单元子功能模块族35和执行单元接口驱动45分别相连；所述执行单元功能模块框架25通过执行单元模块重构器251完成执行单元子功能模块族35中各子功能模块和执行单元接口驱动45的调度与数据信息管理；所述执行单元功能模块框架25通过执行单元模块数据信息接口 252完成各子功能模块间及子功能模块与执行单元接口驱动45之间的数据交互。
[0025]所述功能模块框架层2中的每个功能模块框架完成单独的模块功能，各功能模块框架之间相互独立；所述子功能模块层3中的每个子功能模块完成单一的子功能，子功能模块之间也相互独立，非直接耦合；所述子功能模块层3中的子功能模块由属所子功能模块族对应的功能模块框架中的模块重构器进行调度，实现功能模块框架的模块功能重构。
[0026]所述外部设备通信接口驱动40与外部设备通信接口 50相连，主要用于驱动外部设备通信接口 50，以及完成交流伺服驱动控制器管理框架11与外部设备通信接口 50的数据信息交互；所述设定单元接口驱动43与设定单元接口 53相连，主要用于驱动设定单元接口 53，以及完成设定单元功能模块框架23与设定单元接口 53的数据信息交互；所述测量单元接口驱动44与测量单元接口 54相连，主要用于驱动测量单元接口 54，以及完成测量单元功能模块框架24与测量单元接口 54的数据信息交互；所述执行单元接口驱动45与执行单元接口 55相连，主要用于驱动执行单元接口 55，以及完成执行单元功能模块框架25与执行单元接口 55的数据信息交互。
[0027]所述外部设备通信接口 50与FPGA信号预处理B相连，通过FPGA信号预处理B提供交流伺服驱动控制器A与外部设备通信的硬件接口 ；所述设定单元接口 53与FPGA信号预处理B相连，通过FPGA信号预处理B提供交流伺服驱动控制器A所需运动指令输入的硬件接口 ；所述测量单元接口 54与FPGA信号预处理B相连，通过FPGA信号预处理B提供交流伺服驱动控制器A所需反馈信息输入的硬件接口 ；所述执行单元接口 55与功率驱动C相连，提供交流伺服驱动控制器A驱动信息输出的硬件接口。
[0028]所述应用管理框架层I只能通过功能模块框架层2完成对子功能模块层3中子功能模块的调度；所述子功能模块层3只能通过功能模块框架层2完成对硬件接口驱动的调度。
[0029]所述交流伺服驱动控制器A中的功能模块框架层2、子功能模块层3和硬件接口驱动层4内部的组成，均可根据实际工况与控制需求进行修改和配置，实现交流伺服驱动控制系统的重构。
[0030]本发明的特点和有益效果在于:
[0031]1、采用交流伺服驱动控制器管理框架对各个功能模块框架和外部设备通信接口驱动进行调用与数据信息管理，以及功能模块框架对相应子功能模块族中的子功能模块和相应硬件接口驱动进行调度与数据管理，提高了系统的开放性。
[0032]2、功能模块框架层、子功能模块层和硬件接口驱动层的内部组成均可根据实际工况与控制需求进行修改和配置，提高了系统的可重构性。
[0033]3、系统的开放性和可重构性允许用户根据电机类型、负载性质、运行参数、控制策略类型等对系统功能进行修改配置，实现交流伺服驱动控制系统的重构，以满足不同控制需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明的一种可重构的交流伺服驱动控制系统框图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明作进一步的说明:
[0036]如图1所示，本发明的一种可重构的交流伺服驱动控制系统，至少包括交流伺服驱动控制器A、FPGA信号预处理B、功率驱动C、交流伺服电机D、编码器E、上位控制器F和按键显示控制面板G ;所述交流伺服驱动控制器A分别与FPGA信号预处理B和功率驱动C相连；所述FPGA信号预处理B与功率驱动C、编码器E、上位控制器F和按键显示控制面板G分别相连；所述功率驱动C与交流伺服电机D相连；所述交流伺服电机D与编码器E相连；
[0037]所述交流伺服驱动控制器A通过FPGA信号预处理B接收上位控制器F和按键显示控制面板G下发的运动参考命令，交流伺服驱动控制器A还接收经FPGA信号预处理B处理的功率驱动C和编码器E的反馈数据信息，再经交流伺服驱动控制器A的控制算法产生驱动信息，驱动信息经功率驱动C功率放大驱动交流伺服电机D运动。
[0038]所述交流伺服驱动控制器A主要由应用管理框架层1、功能模块框架层2、子功能模块层3、硬件接口驱动层4和硬件接口层5组成；
[0039]所述应用管理框架层I至少包括交流伺服驱动控制器管理框架11 ；
[0040]所述功能模块框架层2至少包括控制单元功能模块框架21、变换单元功能模块框架22、设定单元功能模块框架23、测量单元功能模块框架24和执行单元功能模块框架25 ；
[0041]所述子功能模块层3至少包括控制单元子功能模块族31、变换单元子功能模块族32、设定单元子功能模块族33、测量单元子功能模块族34和执行单元子功能模块族35 ；[0042]所述硬件接口驱动层4至少包括外部设备通信接口驱动40、设定单元接口驱动43、测量单元接口驱动44和执行单元接口驱动45 ；
[0043]所述硬件接口层5至少包括外部设备通信接口 50、设定单元接口 53、测量单元接口 54和执行单元接口 55。
[0044]所述交流伺服驱动控制器管理框架11用于对功能模块框架层2中各功能模块框架的调度和数据管理，以完成交流伺服驱动控制器系统功能的重构；所述交流伺服驱动控制器管理框架11至少包括交流伺服驱动控制器任务调度111和交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112:
[0045]所述交流伺服驱动控制器任务调度111与功能模块框架层2、外部设备通信接口驱动40和交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112分别相连，所述交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112与功能模块框架层2和外部设备通信接口驱动40分别相连；所述交流伺服驱动控制器任务调度111获取交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112的系统数据信息，并进行处理产生模块功能调度控制信息，再根据模块功能调度控制信息完成交流伺服驱动控制系统功能所需功能模块框架和外部通信设备接口驱动40的调度，待调度执行完后，交流伺服驱动控制器任务调度111从功能模块框架层2和外部设备通信接口驱动40获取必要的数据信息并存储到交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112;所述交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口 112通过共享内存方式实现应用管理框架层I与功能模块框架层2和外部设备通信接口驱动40之间的数据交互。
[0046]所述子功能模块层3中的子功能模块族是指包含一系列功能性质相似的子功能模块的集合；所述功能模块框架层2中的功能模块框架用于完成对相应子功能模块族中子功能模块的调度和数据信息管理；所述控制单元功能模块框架21与控制单元子功能模块族31相对应；所述变换单元功能模块框架22与变换单元子功能模块族32相对应；所述设定单元功能模块框架23与设定单元子功能模块族33相对应；所述测量单元功能模块框架24与测量单元子功能模块族34相对应；所述执行单元功能模块框架25与执行单元子功能模块族35相对应；
[0047]所述控制单元功能模块框架21用于对控制单元子功能模块族31中子功能模块的调度和数据管理，以完成控制单元功能模块框架的模块功能重构；控制单元功能模块框架21至少包括控制单元模块重构器211和控制单元模块数据信息接口 212 ；
[0048]所述控制单元模块重构器211分别与控制单元子功能模块族31和控制单元模块数据信息接口 212相连；所述控制单元模块数据信息接口 212与控制单元子功能模块族31相连；所述控制单元模块重构器211从控制单元模块数据信息接口 212获取数据信息，并根据控制单元模块功能调度控制信息进行处理，产生控制单元子功能模块调度控制信息，再根据控制单元子功能模块调度控制信息完成控制单元模块功能所需子功能模块的调度，待调度执行完后，控制单元模块重构器211从控制单元子功能模块族31获取必要的子功能模块数据信息并存储到控制单元模块数据信息接口 212 ;所述控制单元模块数据信息接口212通过共享内存方式实现控制单元功能模块框架21与控制单元子功能模块族31之间的数据交互；
[0049]所述变换单元功能模块框架22用于对变换单元子功能模块族32中子功能模块的调度和数据管理，以完成变换单元功能模块框架的模块功能重构；变换单元功能模块框架22至少包括变换单元模块重构器221和变换单元模块数据信息接口 222 ；
[0050]所述变换单元模块重构器221分别与变换单元子功能模块族32和变换单元模块数据信息接口 222相连；所述变换单元模块数据信息接口 222与变换单元子功能模块族32相连；所述变换单元模块重构器221从变换单元模块数据信息接口 222获取数据信息，并根据变换单元模块功能调度控制信息进行处理，产生变换单元子功能模块调度控制信息，再根据变换单元子功能模块调度控制信息完成设定单元模块功能所需子功能模块的调度，待调度执行完后，变换单元模块重构器221从变换单元子功能模块族32获取必要的子功能模块数据信息并存储到变换单元模块数据信息接口 222 ;所述变换单元模块数据信息接口222通过共享内存方式实现变换单元功能模块框架22与变换单元子功能模块族32之间的数据交互；
[0051]所述设定单元功能模块框架23用于对设定单元子功能模块族33中子功能模块和设定单元接口驱动43的调度和数据管理，以完成设定单元功能模块框架的模块功能重构；设定单元功能模块框架23至少包括设定单元模块重构器231和设定单元模块数据信息接Π 232 ；
[0052]所述设定单元模块重构器231分别与设定单元子功能模块族33、设定单元接口驱动43和设定单元模块数据信息接口 232相连；所述设定单元模块数据信息接口 232与设定单元子功能模块族33和设定单元接口驱动43分别相连；所述设定单元模块重构器231从设定单元模块数据信息接口 232获取数据信息，并根据设定单元模块功能调度控制信息进行处理，产生设定单元子功能模块调度控制信息，再根据设定单元子功能模块调度控制信息完成设定单元模块功能所需子功能模块和设定单元接口驱动43的调度，待调度执行完后，设定单元模块重构器231从设定单元子功能模块族33和设定单元接口驱动43获取必要的子功能模块数据信息并存储到设定单元模块数据信息接口 232 ;所述设定单元模块数据信息接口 232通过共享内存方式实现设定单元功能模块框架23与设定单元子功能模块族33和设定单元接口驱动43之间的数据交互；
[0053]所述测量单元功能模块框架24用于对测量单元子功能模块族34中子功能模块和测量单元接口驱动44的调度和数据管理，以完成测量单元功能模块框架的模块功能重构；测量单元功能模块框架24至少包括测量单元模块重构器241和测量单元模块数据信息接Π 242 ；
[0054]所述测量单元模块重构器241分别与测量单元子功能模块族34、测量单元接口驱动44和测量单元模块数据信息接口 242相连；所述测量单元模块数据信息接口 242与测量单元子功能模块族34和测量单元接口驱动44分别相连；所述测量单元模块重构器241从测量单元模块数据信息接口 242获取数据信息，并根据测量单元模块功能调度控制信息进行处理，产生测量单元子功能模块调度控制信息，再根据测量单元子功能模块调度控制信息完成测量单元模块功能所需子功能模块和测量单元接口驱动44的调度，待调度执行完后，测量单元模块重构器241从测量单元子功能模块族34和测量单元接口驱动44获取必要的子功能模块数据信息并存储到测量单元模块数据信息接口 242 ;所述测量单元模块数据信息接口 242通过共享内存方式实现测量单元功能模块框架24与测量单元子功能模块族34和测量单元接口驱动44之间的数据交互；
[0055]所述执行单元功能模块框架25用于对执行单元子功能模块族35中子功能模块和执行单元接口驱动45的调度和数据管理，以完成执行单元功能模块框架的模块功能重构；执行单元功能模块框架25至少包括执行单元模块重构器251和执行单元模块数据信息接Π 252 ；
[0056]所述执行单元模块重构器251分别与执行单元子功能模块族35、执行单元接口驱动45和执行单元模块数据信息接口 252相连；所述执行单元模块数据信息接口 252与执行单元子功能模块族31和执行单元接口驱动45分别相连；所述执行单元模块重构器251从执行单元模块数据信息接口 252获取数据信息，并根据执行单元模块功能调度控制信息进行处理，产生执行单元子功能模块调度控制信息，再根据执行单元子功能模块调度控制信息完成执行单元模块功能所需子功能模块和执行单元接口驱动45的调度，待调度执行完后，执行单元模块重构器251从执行单元子功能模块族35和执行单元接口驱动45获取必要的子功能模块数据信息并存储到执行单元模块数据信息接口 252 ;所述执行单元模块数据信息接口 252通过共享内存方式实现执行单元功能模块框架25与执行单元子功能模块族35和执行单元接口驱动45之间的数据交互。
[0057]所述控制单元子功能模块族31是指包含一系列完成控制器功能的子功能模块的集合，主要用于完成交流伺服电机各种工作模式的闭环控制；所述控制单元子功能模块族31中子功能模块由控制单元模块重构器211根据控制单元子功能模块调度控制信息进行调度与执行；所述控制单元子功能模块族31至少包括磁链PID控制器311、转矩PID控制器312、速度PID控制器313和位置PID控制器314 ；
[0058]所述磁链控制器311用于接收控制单元功能模块框架21下发的的磁链设定点数据信息和反馈磁链数据信息，采用PID控制算法实现磁链闭环控制，并将PID控制的输出数据信息传送给控制单元功能模块框架21 ;所述转矩控制器312用于接收控制单元功能模块框架21下发的的转矩设定点数据信息和反馈转矩数据信息，采用PID控制算法实现转矩闭环控制，并将PID控制的输出数据信息传送给控制单元功能模块框架21 ;所述速度控制器313用于接收控制单元功能模块框架21下发的的速度设定点数据信息和反馈速度数据信息，采用PID控制算法实现速度闭环控制，并将PID控制的输出数据信息传送给控制单元功能模块框架21 ;所述位置控制器314用于接收控制单元功能模块框架21下发的的位置设定点数据信息和反馈位置数据信息，采用PID控制算法实现位置闭环控制，并将PID控制的输出数据信息传送给控制单元功能模块框架21 ；
[0059]所述变换单元子功能模块族32是指包含一系列完成坐标变换功能的子功能模块的集合，主要用于完成交流伺服电机控制中所需的坐标变换；所述变换单元子功能模块族32中子功能模块由变换单元模块重构器221根据变换单元子功能模块调度控制信息进行调度与执行；所述变换单元子功能模块族32至少包括CLARK变换321、PARK变换322和PARK逆变换323 ；
[0060]所述CLARK变换321用于接收变换单元功能模块框架22下发的相电流反馈数据信息，完成相位互差120°的三相电流信号到定子上固定坐标系下两相正交信号的变换，并将CLARK变换的输出数据信息传送给变换单元功能模块框架22 ;所述PARK变换322用于接收变换单元功能模块框架22下发的定子上固定坐标系下两相正交信号数据信息，完成定子上固定坐标系下两相正交信号到转子上旋转坐标系下两相正交信号的变换，并将PARK变换的输出数据信息传送给变换单元功能模块框架22 ;所述PARK逆变换323用于接收变换单元功能模块框架22下发的转子上旋转坐标系下两相正交信号磁链控制与转矩控制输出的数据信息，完成转子上旋转坐标系下两相正交信号到定子上固定坐标系下两相正交信号的变换，并将PARK逆变换的输出数据信息传送给变换单元功能模块框架22 ；
[0061]所述设定单元子功能模块族33是指包含一系列完成加减速控制的子功能模块的集合，主要用于完成运动指令的平滑处理和设定点数据信息的生成；所述设定单元子功能模块族33中子功能模块由设定单元模块重构器231根据设定单元子功能模块调度控制信息进行调度与执行；所述设定单元子功能模块族33至少包括S曲线加减速331、直线加减速332和指数加减速333 ；
[0062]所述S曲线加减速331用于接收设定单元功能模块框架23下发的运动命令，采用S型曲线加减速控制产生设定点数据信息，并将其传送给设定单元功能模块框架23 ;所述直线加减速332用于接收设定单元功能模块框架23下发的运动命令，采用T型曲线加减速控制产生设定点数据信息，并将其传送给设定单元功能模块框架23 ;所述指数加减速333用于接收设定单元功能模块框架23下发的运动命令，采用E型曲线加减速控制产生设定点数据信息，并将其传送给设定单元功能模块框架23 ；
[0063]所述测量单元子功能模块族34是指包含一系列完成信号检测与计算功能的子功能模块的集合，主要用于对传感器检测信息进行处理；所述测量单元子功能模块族34中子功能模块由测量单元模块重构器241根据测量单元子功能模块调度控制信息进行调度与执行；所述测量单元子功能模块族34至少包括电流检测341、编码器检测342和速度计算343 ；
[0064]所述电流检测341用于接收测量单元功能模块框架24下发的霍尔传感器信息，经计算处理产生相电流、电压反馈数据信息，并将其传送给测量单元功能模块框架24 ;所述编码器检测342用于接收测量单元功能模块框架24下发的编码器信息，经计算处理得到角度位置数据信息，并将其传送给测量单元功能模块框架24 ;所述速度计算343用于接收测量单元功能模块框架24下发的角度位置信息，经计算处理产生速度反馈数据信息，并将其传送给测量单元功能模块框架24 ；
[0065]所述执行单元子功能模块族35是指包含一系列完成产生驱动信息功能的子功能模块集合，主要用于对驱动数据信息的处理；所述执行单元子功能模块族35中子功能模块由执行单元模块重构器251根据执行单元子功能模块调度控制信息进行调度与执行；所述执行单元子功能模块族35至少包括空间电压矢量计算351 ；
[0066]所述空间电压矢量计算351用于接收执行单元功能模块框架25下发的数据信息，经计算处理产生驱动数据信息，并将其传送给执行单元功能模块框架25。
[0067]所述功能模块框架层2中的每个功能模块框架完成单独的模块功能，各功能模块框架之间相互独立；所述子功能模块层3中的每个子功能模块完成单一的子功能，子功能模块之间也相互独立，非直接耦合；所述子功能模块层3中的子功能模块由属所子功能模块族对应的功能模块框架中的模块重构器进行调度，实现功能模块框架的模块功能重构。
[0068]所述外部设备通信接口驱动40至少包括按键显示接口驱动401和SCI通信接口驱动402 ;所述设定单元接口驱动43至少包括位置数据接口驱动431、速度ADC接口驱动432和转矩ADC接口 533 ;所述测量单元接口驱动44至少包括编码器接口驱动441和电流ADC接口驱动442 ;所述执行单元接口驱动45至少包括PWM接口驱动451 ；[0069]所述外部设备通信接口 50至少按键显示接口 501和SCI通信接口 502 ;所述设定单元接口 53至少包括位置数据接口 531、速度ADC接口 532和转矩ADC接口 533 ;所述传感器接口 54至少包括编码器接口 541和电流ADC接口 542 ;所述执行单元接口 55至少包括PWM接口驱动551 ；
[0070]所述外部设备通信接口驱动40与外部设备通信接口 50对应相连，主要用于驱动外部设备通信接口 50，以及完成交流伺服驱动控制器管理框架11与外部设备通信接口 50的数据信息交互；所述设定单元接口驱动43与设定单元接口 53对应相连，主要用于驱动设定单元接口 53，以及完成设定单元功能模块框架23与设定单元接口 53的数据信息交互；所述测量单元接口驱动44与测量单元接口 54对应相连，主要用于驱动测量单元接口 54，以及完成测量单元功能模块框架24与测量单元接口 54的数据信息交互；所述执行单元接口驱动45与执行单元接口 55对应相连，主要用于驱动执行单元接口 55，以及完成执行单元功能模块框架25与执行单元接口 55的数据信息交互。
[0071]所述按键显示接口 501和SCI通信接口 502分别与FPGA信号预处理B相连，通过FPGA信号预处理B提供交流伺服驱动控制器A与外部设备通信的硬件接口 ；所述位置数据接口 531、速度ADC接口 532和转矩ADC接口 533分别与FPGA信号预处理B相连，通过FPGA信号预处理B提供交流伺服驱动控制器A所需运动指令输入的硬件接口 ；所述编码器接口541和电流ADC接口 542分别与FPGA信号预处理B相连，通过FPGA信号预处理B提供交流伺服驱动控制器A所需反馈信息输入的硬件接口 ；所述PWM接口 551与功率驱动C相连，提供交流伺服驱动控制器A驱动信息输出的硬件接口。
[0072]所述应用管理框架层I只能通过功能模块框架层2完成对子功能模块层3中子功能模块的调度；所述子功能模块层3只能通过功能模块框架层2完成对硬件接口驱动的调度。
[0073]所述交流伺服驱动控制器A中的功能模块框架层2、子功能模块层3和硬件接口驱动层4内部的组成，均可根据实际工况与控制需求进行修改和配置，实现交流伺服驱动控制系统的重构。
[0074]本发明可以实现以不同控制需求的交流伺服驱动控制系统重构，例如:
[0075]1、基于矢量控制的交流永磁同步电机伺服驱动控制系统的重构
[0076]根据永磁同步电机的矢量控制流程，所述应用管理框架层I中的交流伺服驱动控制器任务调度111至少需要对功能模块框架层2中控制单元功能模块框架21、变换单元功能模块框架22、设定单元功能模块框架23、测量单元功能模块框架24和执行单元功能模块框架25等5个功能模块框架及外部设备通信接口驱动40进行调度:通过调度外部设备通信接口驱动40，获取上位控制器F和按键显示控制面板G下发到FPGA信号预处理B的命令数据信息，进行解析处理；调度设定单元功能模块框架23，通过设定单元接口驱动43获取外部运动命令，再经设定单元功能模块框架23调度设定单元子功能模块，生成设定点数据信息；调度测量单元功能模块框架24，通过测量单元接口驱动44读取FPGA信号预处理B对功率驱动C上霍尔检测信号和编码器E检测信号的预处理数据信息，并经测量单元功能模块框架24调度测量单元子功能模块，生成相电流、位置、速度等反馈信息；调度变换单元功能模块框架22，完成CLARK和PARK等坐标变换，生成ID、IQ轴电流反馈信息；调度控制单元功能模块框架21，完成电流、速度和位置闭环控制；再调度变换单元功能模块框架22，完成PARK逆变换；最后调度执行单元功能模块框架25，完成PWM信号的生成，并经执行单元接口 55输出给功率驱动C，驱动交流伺服电机D运动。
[0077]2、基于直接转矩控制的交流永磁同步电机伺服驱动控制系统重构
[0078]基于上述矢量控制的交流永磁同步电机伺服驱动控制系统，将执行单元功能模块框架25中的空间电压矢量计算351替换成开关表模块、同时增加扇区判断模块，在测量单元功能模块框架24下增加磁链估测模块、转矩估测模块；再根据永磁同步电机的直接转矩控制流程，由交流伺服驱动控制器任务调度111对功能模块框架层2中各功能模块框架进行调度，即可完成永磁同步电机直接转矩控制系统的重构。
[0079]3、基于直接转矩控制的异步电机伺服驱动控制系统重构
[0080]基于上述直接转矩控制的交流永磁同步电机伺服驱动控制系统，根据异步电机的电机参数和控制特性，对相应模块做相应修改；再根据异步电机直接转矩控制流程，由交流伺服驱动控制器任务调度111对功能模块框架层2中各功能模块框架进行调度，即可完成异步电机直接转矩控制系统的重构。
[0081]4、基于矢量控制的异步电机伺服驱动控制系统重构
[0082]基于上述矢量控制的交流永磁同步电机伺服驱动控制系统，在测量单元功能模块框架24下增加电压电流磁链估测模块；再根据异步电机矢量控制流程，由交流伺服驱动控制器任务调度111对功能模块框架层2中各功能模块框架进行调度，即可完成异步电机矢量控制系统的重构。
[0083]本发明的一种可重构的交流伺服驱动控制系统，具有很好的开放性、可重构性和通用性。通过本发明用户可以根据需要，简便、快速、可靠地重构所需的交流伺服驱动控制系统，减少开发、维护、升级成本和时间。
[0084]最后说明的是本发明的一种可重构的交流伺服驱动控制系统不局限于上述实施例，还可以做出各种修改、变换和变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术方案进行修改、修饰或等同变化，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种可重构的交流伺服驱动控制系统，至少包括交流伺服驱动控制器(A)、FPGA信号预处理(B)、功率驱动(C)、交流伺服电机(D)、编码器(E)、上位控制器(F)和按键显示控制面板(G)，其特征在于:所述交流伺服驱动控制器(A)主要由应用管理框架层(I)、功能模块框架层(2)、子功能模块层(3)、硬件接口驱动层(4)和硬件接口层(5)组成。
2.根据权利要求1所述一种可重构的交流伺服驱动控制系统，其特征在于:所述应用管理框架层(I)至少包括交流伺服驱动控制器管理框架(11);所述功能模块框架层(2)至少包括控制单元功能模块框架(21)、变换单元功能模块框架(22)、设定单元功能模块框架(23)、测量单元功能模块框架(24)和执行单元功能模块框架(25);所述子功能模块层(3)至少包括控制单元子功能模块族(31)、变换单元子功能模块族(32)、设定单元子功能模块族(33)、测量单元子功能模块族(34)和执行单元子功能模块族(35);所述硬件接口驱动层(4)至少包括外部设备通信接口驱动(40)、设定单元接口驱动(43)、测量单元接口驱动(44)和执行单元接口驱动(45);所述硬件接口层(5)至少包括外部设备通信接口(50)、设定单元接口(53)、测量单元接口(54)和执行单元接口(55)。
3.根据权利要求1或2所述一种可重构的交流伺服驱动控制系统，其特征在于:所述交流伺服驱动控制器管理框架(11)至少包括交流伺服驱动控制器任务调度(111)和交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口(112)； 所述交流伺服驱动控制器任务调度(111)与功能模块框架层(2)、外部设备通信接口驱动(40)和交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口(112)分别相连；所述交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口(112)与功能模块框架层(2)和外部设备通信接口驱动(40)分别相连；所述交流伺服驱动控制器管理框架(11)通过交流伺服驱动控制器任务调度(111)完成功能模块框架层(2)中各功能模块框架和外部设备通信接口驱动(40)的调度与数据信息管理；所述交流`伺服驱动控制器管理框架(11)通过交流伺服驱动控制器管理框架数据信息接口(112)完成各功能模块框架间和交流伺服驱动控制器管理框架(11)与外部设备通信接口驱动(40)之间的数据交互。
4.根据权利要求2所述一种可重构的交流伺服驱动控制系统，其特征在于:所述控制单元功能模块框架(21)至少包括控制单元模块重构器(211)和控制单元模块数据信息接口(212);所述变换单元功能模块框架(22)至少包括变换单元模块重构器(221)和变换单元模块数据信息接口(222);所述设定单元功能模块框架(23)至少包括设定单元模块重构器(231)和设定单元模块数据信息接口(232);所述测量单元功能模块框架(24)至少包括测量单元模块重构器(241)和测量单元模块数据信息接口(242);所述执行单元功能模块框架(25)至少包括执行单元模块重构器(251)和执行单元模块数据信息接口(252)； 所述控制单元模块重构器(211)分别与控制单元子功能模块族(31)和控制单元模块数据信息接口(212)相连；所述控制单元模块数据信息接口(212)与控制单元子功能模块族(31)相连；所述控制单元功能模块框架(21)通过控制单元模块重构器(211)完成控制单元子功能模块族(31)中各子功能模块的调度与数据信息管理；所述控制单元功能模块框架(21)通过控制单元模块数据信息接口(212)完成各子功能模块间的数据交互； 所述变换单元模块重构器(221)分别与变换单元子功能模块族(32)和变换单元模块数据信息接口(222)相连；所述变换单元模块数据信息接口(222)与变换单元子功能模块族(32)相连；所述变换单元功能模块框架(22)通过变换单元模块重构器(211)完成变换单元子功能模块族(32)中各子功能模块的调度与数据信息管理；所述变换单元功能模块框架(22)通过变换单元模块数据信息接口(222)完成各子功能模块间的数据交互； 所述设定单元模块重构器(231)分别与设定单元子功能模块族(33)、设定单元接口驱动(43)和设定单元模块数据信息接口(232)相连；所述设定单元模块数据信息接口(232)与设定单元子功能模块族(33)和设定单元接口驱动(43)分别相连；所述设定单元功能模块框架(23)通过设定单元模块重构器(231)完成设定单元子功能模块族(33)中各子功能模块和设定单元接口驱动(43)的调度与数据信息管理；所述设定单元功能模块框架(23)通过设定单元模块数据信息接口(232)完成各子功能模块间及子功能模块与设定单元接口驱动(43)之间的数据交互； 所述测量单元模块重构器(241)分别与测量单元子功能模块族(34)、测量单元接口驱动(44)和测量单元模块数据信息接口(242)相连；所述测量单元模块数据信息接口(242)与测量单元子功能模块族(34)和测量单元接口驱动(44)分别相连；所述测量单元功能模块框架(24)通过测量单元模块重构器(241)完成测量单元子功能模块族(34)中各子功能模块和测量单元接口驱动(44)的调度与数据信息管理；所述测量单元功能模块框架(24)通过测量单元模块数据信息接口(242)完成各子功能模块间及子功能模块与测量单元接口驱动(44)之间的数据交互； 所述执行单元模块重构器(251)分别与执行单元子功能模块族(35)、执行单元接口驱动(45)和执行单元模块数据信息接口(252)相连；所述执行单元模块数据信息接口(252)与执行单元子功能模块族(35)和执行单元接口驱动(45)分别相连；所述执行单元功能模块框架(25)通过执行单元模块重构器(251)完成执行单元子功能模块族(35)中各子功能模块和执行单元接口驱动(45)的调度与数据信息管理；所述执行单元功能模块框架(25)通过执行单元模块数据信息接口(252)完成各子功能模块间及子功能模块与执行单元接口驱动(45)之间的数据交互。
5.根据权利要求1或2所述一种可重构的交流伺服驱动控制系统，其特征在于:所述功能模块框架层(2)中的每个功能模块框架完成单独的模块功能,各功能模块框架之间相互独立；所述子功能模块层(3)中的`每个子功能模块完成单一的子功能，子功能模块之间也相互独立，非直接耦合；所述子功能模块层(3)中的子功能模块由属所子功能模块族对应的功能模块框架中的模块重构器进行调度，实现功能模块框架的模块功能重构。
6.根据权利要求2所述一种可重构的交流伺服驱动控制系统，其特征在于:所述外部设备通信接口驱动(40)与外部设备通信接口(50)相连；所述设定单元接口驱动(43)与设定单元接口(53)相连；所述测量单元接口驱动(44)与测量单元接口(54)相连；所述执行单元接口驱动(45)与执行单元接口(55)相连。
7.根据权利要求1所述一种可重构的交流伺服驱动控制系统，其特征在于:所述交流伺服驱动控制器(A)的功能模块框架层(2)、子功能模块层(3)和硬件接口驱动层(4)内部的组成，均可根据实际工况与控制需求进行修改和配置，实现交流伺服驱动控制系统的重构。
【文档编号】H02P21/00GK103684175SQ201310718272
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】陈琳, 钟文, 潘海鸿, 杨增启, 黄炳琼 申请人:广西大学