基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置。它采用C2000系列DSP芯片(1)和STM32系列ARM芯片(2)，兩塊芯片通過(guò)CAN總線(xiàn)(8)通信。DSP芯片(1)驅(qū)動(dòng)智能功率模塊IPM(4)，從而控制多臺(tái)電機(jī)(5)。ARM芯片(2)擴(kuò)展了RJ45以太網(wǎng)接口(6)并與觸摸屏(3)連接，使裝置既可以通過(guò)雙絞線(xiàn)和遠(yuǎn)程PC控制端(7)連接和通信，也可以組成現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)交互界面。雙處理器芯片分工明確，結(jié)構(gòu)合理。該裝置解決了現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性不高、使用維護(hù)不方便的缺點(diǎn)，可滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)中對(duì)多臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步控制的要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種電機(jī)控制裝置，具體是涉及一種基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同 步控制裝置。 基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的多電機(jī)同步控制，大多數(shù)是采用機(jī)械同步控制方式，這種傳統(tǒng)的控制方式 的動(dòng)力源是一臺(tái)大功率電機(jī)，通過(guò)剛性的齒輪、齒條傳動(dòng)或柔性帶式、鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)，它是機(jī)械 結(jié)構(gòu)的剛性連接傳動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸同步控制。機(jī)械同步方式的缺點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)固定，當(dāng) 需要增減單元或改變轉(zhuǎn)速比時(shí)不易操作；由軸、傳送帶、鍵、齒輪等組成的傳動(dòng)構(gòu)件由于連 接過(guò)多，會(huì)產(chǎn)生累積誤差；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，維修困難，容易磨損。
[0003] 另一種控制方式采用電方式，是指在機(jī)器傳動(dòng)關(guān)系中沒(méi)有主電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)主軸的 構(gòu)件。其自身的傳動(dòng)精確，減少機(jī)器調(diào)整時(shí)間，而且為遠(yuǎn)期的調(diào)整及控制系統(tǒng)的升級(jí)改造創(chuàng) 造了條件。但是，實(shí)際生產(chǎn)中現(xiàn)有的同步控制裝置具有數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、使用 維護(hù)不方便、維修工作量大等缺點(diǎn)。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 針對(duì)上述情況和實(shí)際生產(chǎn)中的需要，本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種 基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置，該裝置體積小、操作維護(hù)方便，控制性能優(yōu)秀，可 滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)中對(duì)多電機(jī)同步控制的要求。
[0005] 本實(shí)用新型的基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置如圖1所示，是通過(guò)以下技 術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 1. 一種基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置，包括：數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片 (1)、控制處理器ARM芯片（2)、觸摸屏（3)、智能功率模塊IPM (4)、RJ45以太網(wǎng)接口（6)和 CAN總線(xiàn)（8)，其特征在于：所述裝置采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，DSP芯片（1)與ARM芯片（2)通 過(guò)CAN總線(xiàn)⑶連接和通信，ARM芯片⑵擴(kuò)展RJ45以太網(wǎng)接口（6)和連接觸摸屏（3)， 并通過(guò)雙絞線(xiàn)與遠(yuǎn)程PC控制端（7)連接和通信，DSP芯片（1)輸出PWM驅(qū)動(dòng)智能功率模塊 IPM(4)，智能功率模塊IPM(4)輸出電壓驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)（5)。
[0007] 2. ARM芯片⑵通過(guò)RJ45以太網(wǎng)接口（6)與遠(yuǎn)程PC控制端（7)連接通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程控制，ARM芯片（2)和觸摸屏（3)組成人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。其特征在于：處理 器的分工不同，DSP芯片（1)主要負(fù)責(zé)控制電機(jī)，ARM芯片（2)主要負(fù)責(zé)控制各種外設(shè)和與 外界交互。
[0008] 3.數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片（1)選用C2000系列的DSP芯片，控制處理器ARM芯 片
[0009] (2)選用STM32系列的ARM芯片。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)勢(shì)：
[0011] 1.控制裝置采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，體積縮小，成本減少，控制精度提高，功耗降低， 穩(wěn)定性提升。C2000系列DSP芯片中，既有高運(yùn)算速度和高控制能力的定點(diǎn)型DSP，又有能夠 執(zhí)行復(fù)雜浮點(diǎn)運(yùn)算能力的浮點(diǎn)型DSP。STM32系列ARM芯片采用了哈佛結(jié)構(gòu)的Cortex-M3的 內(nèi)核，擁有獨(dú)立的指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，具有高控制性能而且還有低功耗，低成本等優(yōu)點(diǎn)。
[0012] 2.采用DSP芯片和ARM芯片雙處理器結(jié)構(gòu)，ARM芯片負(fù)責(zé)控制各種外設(shè)與外界交 互，可以使DSP芯片從繁瑣的控制外設(shè)中解放出來(lái)，使之專(zhuān)注于電機(jī)的復(fù)雜、快速實(shí)時(shí)性的 控制要求。ARM/DSP雙處理器結(jié)構(gòu)使裝置分工明確，結(jié)構(gòu)合理。
[0013] 3.本實(shí)用新型考慮到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中各種需求的不同，當(dāng)需要擴(kuò)展外設(shè)時(shí)，CAN 總線(xiàn)方便各芯片和外設(shè)相互連接和通信。同時(shí)，裝置中擴(kuò)展的以太網(wǎng)接口，可以使裝置接入 以太網(wǎng)，形成網(wǎng)絡(luò)化控制體系。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是本實(shí)用新型基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2是本實(shí)用新型裝置的硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖3是本實(shí)用新型裝置應(yīng)用ΤΧΒ0108的驅(qū)動(dòng)電路。
[0017] 圖4是本實(shí)用新型裝置的A/D輸入前端處理電路。
[0018] 圖5是本實(shí)用新型的多臺(tái)電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)框圖。
[0019] 圖中：1.數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片，2.控制處理器RAM芯片，3.觸摸屏，4.智能功 率模塊IPM，5.多臺(tái)電機(jī)，6. RJ45以太網(wǎng)接口，7.遠(yuǎn)程PC控制端，8. CAN總線(xiàn)，9.速度控制 器，10.速度傳感器，11.電機(jī)A，12.電機(jī)B，13.速度補(bǔ)償器A，14.速度補(bǔ)償器B。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021] 1.硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
[0022] 本實(shí)用新型基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：數(shù)字 信號(hào)處理器DSP芯片（1)、控制處理器ARM芯片（2)、觸摸屏（3)、智能功率模塊IPM(4)、RJ45 以太網(wǎng)接口（6)和CAN總線(xiàn)（8)。DSP芯片（1)與ARM芯片（2)通過(guò)CAN總線(xiàn)⑶連接和 通信，ARM芯片（2)擴(kuò)展RJ45以太網(wǎng)接口（6)和連接觸摸屏（3)，并通過(guò)雙絞線(xiàn)與遠(yuǎn)程PC 控制端（7)連接和通信，DSP芯片⑴驅(qū)動(dòng)智能功率模塊IPM (4)，智能功率模塊IPM (4)驅(qū) 動(dòng)多臺(tái)電機(jī)（5)。
[0023] 所述裝置的硬件系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電 路、JTAG接口電路及外圍電路。DSP芯片（1)通過(guò)GPI0輸出PWM驅(qū)動(dòng)智能功率模塊IPM(4)， 智能功率模塊IPM (4)輸出電壓控制多臺(tái)電機(jī)（5)。ARM芯片（2)通過(guò)RJ45以太網(wǎng)接口（6) 與遠(yuǎn)程PC控制端（7)連接通信，可遠(yuǎn)程輸入指令和觀察電機(jī)運(yùn)行狀況。ARM芯片（2)和觸 摸屏（3)，在控制現(xiàn)場(chǎng)組成人機(jī)交互界面，可現(xiàn)場(chǎng)觀察電機(jī)運(yùn)行狀況和調(diào)試、維護(hù)控制裝置。
[0024] 2.處理器芯片
[0025] DSP芯片（1)的任務(wù)包括：對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行確定，處理電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn) 向，檢測(cè)光電碼盤(pán)的位置，檢測(cè)U相和V相電流，產(chǎn)生SVPWM，通過(guò)CAN總線(xiàn)⑶進(jìn)行通信等。 ARM芯片⑵的任務(wù)包括：與PC間的網(wǎng)絡(luò)通信，與觸摸屏的交互，通過(guò)CAN總線(xiàn)⑶進(jìn)行通 信，輔助采集電流、電壓、轉(zhuǎn)速等。
[0026] 在實(shí)施實(shí)例中DSP芯片（1)可選用C2000系列數(shù)字信號(hào)處理器中的浮點(diǎn)型數(shù)字 信號(hào)處理器TMS320F28335,頻率可達(dá)150MHz，它不僅具有適合復(fù)雜運(yùn)算的浮點(diǎn)單元FPU， 還具有利于高精度操作的增強(qiáng)型控制外設(shè)，其中多路PWM輸出端口為多電機(jī)控制提供了可 能，正交編碼器通道eQEP可以方便檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。ARM芯片（2)可選用基于 Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列中的控制處理器STM32F103,頻率可達(dá)72MHz，具有豐富的外設(shè) 接口和通信接口，快速的中斷處理能力，優(yōu)越的實(shí)時(shí)性，是一款高性能、低功耗、低成本微控 制器。
[0027] 3.驅(qū)動(dòng)電路
[0028] 本實(shí)用新型的裝置中存在不同電平之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的情況，VME總線(xiàn)的高電平 典型值為5V，而DSP芯片⑴和ARM芯片⑵的I/O引腳承受電壓一般為3. 3V，要實(shí)現(xiàn)與 VME總線(xiàn)之間的數(shù)據(jù)交換，需要電平轉(zhuǎn)換電路。圖3給出了使用TXB0108實(shí)現(xiàn)3. 3V與5V之 間電平轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電路。I/O使用過(guò)程中，還需要考慮引腳的驅(qū)動(dòng)能力，負(fù)載需要維持較大 的正向或反向電流，此時(shí)可在負(fù)載與I/O之間增加驅(qū)動(dòng)電路，以解決DSP芯片（1)和ARM芯 片（2)的I/O 口驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題。常用的驅(qū)動(dòng)芯片有SN74LS245、SN74LVC16245A。
[0029] DSP芯片⑴和ARM芯片⑵的A/D轉(zhuǎn)換模塊可處理的電壓范圍為0?3V，但待 測(cè)量電壓范圍常常超過(guò)這個(gè)電壓區(qū)域，另外，待測(cè)電壓通常夾雜高頻噪聲信號(hào)，需要對(duì)信號(hào) 進(jìn)行濾波處理。A/D輸入前端處理電路如圖4所示，運(yùn)算放大器U30A與R 3Q、R31、R32、R33構(gòu) 成偏置電路，可將待測(cè)電壓的范圍偏置到〇?3V，通過(guò)調(diào)整4個(gè)電阻器的阻值來(lái)改變偏置范 圍。U30B與其周?chē)娮桦娙輼?gòu)成一階有源濾波器，且使用電壓跟隨式輸出，將前端電壓與采 樣點(diǎn)很好地隔離開(kāi)，通過(guò)調(diào)節(jié)R 34的阻值與C3(l電容的大小可改變截止頻率。二極管D30用 來(lái)限制輸入電壓的幅值，通常選用具有超快響應(yīng)速度的瞬態(tài)抑制二極管，即TVS管。
[0030] 3.電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)
[0031] 在實(shí)施實(shí)例中以控制兩臺(tái)電機(jī)為例，如圖5所示，在DSP芯片（1)中為每臺(tái)電機(jī) 配備速度控制器和獨(dú)立的速度補(bǔ)償器，當(dāng)控制更多電機(jī)時(shí)，可采用同樣的控制結(jié)構(gòu)。電機(jī) A (11)配備一個(gè)的控制器（9)和獨(dú)立的速度補(bǔ)償器A (13);電機(jī)B (12)配備一個(gè)相同的控制 器（9)和獨(dú)立的速度補(bǔ)償器B(14)。每臺(tái)電機(jī)和它的速度控制器（9)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的閉 環(huán)系統(tǒng)，各電機(jī)的閉環(huán)系統(tǒng)間采用速度補(bǔ)償器耦合。根據(jù)各電機(jī)系統(tǒng)間阻尼系數(shù)關(guān)系，反饋 各電機(jī)的相對(duì)速度，達(dá)到多電機(jī)速度同步控制的目標(biāo)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置，包括：數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片（1)、 控制處理器ARM芯片（2)、觸摸屏（3)、智能功率模塊IPM (4)、RJ45以太網(wǎng)接口（6)和CAN總 線(xiàn)（8)，其特征在于：所述裝置采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，DSP芯片（1)與ARM芯片（2)通過(guò)CAN 總線(xiàn)（8)連接和通信，ARM芯片（2)擴(kuò)展RJ45以太網(wǎng)接口（6)和連接觸摸屏（3)，并通過(guò)雙 絞線(xiàn)與遠(yuǎn)程PC控制端（7)連接和通信，DSP芯片（1)輸出PWM驅(qū)動(dòng)智能功率模塊IPM (4)， 智能功率模塊IPM(4)輸出電壓驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)（5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置，其特征在于：處理 器的分工不同，DSP芯片（1)負(fù)責(zé)控制電機(jī)，ARM芯片（2)負(fù)責(zé)控制各種外設(shè)和與外界交互。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的多電機(jī)同步控制裝置，其特征在于：數(shù)字 信號(hào)處理器DSP芯片（1)選用C2000系列的DSP芯片，控制處理器ARM芯片（2)選用STM32 系列的ARM心片。
【文檔編號(hào)】H02P5/46GK203896234SQ201420244031
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】王德貴, 吳明贊, 楊晶晶, 魏蕾, 王立龍 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)