CN102355179A - 一种用于多台无刷直流电机协调控制的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多台无刷直流电机协调控制的装置及方法，异步串行通信设备完成计算机和主控制器之间指令及反馈信号的传输；CAN总线实现主控制器与各个分控制器的信号传输；分控制器解算主控制器下达的指令，通过无刷直流电机功率开关器件专用驱动芯片将分控制器产生的PWM信号放大，控制各个无刷直流电机，同时各个分控制器实时采集电机转速、母线电流、转子位置的数据，上传至主控制器进行整合，然后上传至计算机。本发明提结构简单，控制算法简洁，可提高多电机控制系统的协调性与稳定性，在保证实时控制的同时提升了多电机系统的控制协调性、实时性和可扩展性。

Description

一种用于多台无刷直流电机协调控制的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于DSC及CAN总线的适用于多台永磁无刷直流电机协调控制的方法与装置。

背景技术

目前，多电机协调运动控制在工业领域中的应用越来越广泛，控制精度与工艺要求也越来越高。只有保证多个电机之间按某种比例关系同步协调运转，才能确保系统的正常运行；系统同步性能的好坏，直接影响到产品的品质和性能。因此，提高多电机同步控制精度具有重要的工程意义。

早期的多电机协调控制方法为集中控制，系统只用一个中央处理器来完成被控对象的所有控制任务。这种系统的优点是能够以一致的方式生成一个最优的规划，但集中控制系统的中央处理器需要同时进行计算和控制，对中央处理器的性能要求很高，对复杂系统而言难以保证实时性和可靠性，中央处理单元一旦出现故障，整个系统将会瘫痪，因此只适用于简单系统。

为了克服集中体系结构固有的局限性，并适应被控对象更快的响应需要，出现了允许分布处理的分层体系结构。分布控制结构将被控系统分为多个子系统，每个子系统由独自的CPU来控制，子系统之间通过总线交换信息。常见的分布式结构使控制系统模块化，具有扩展性好、实时性较高、可靠性较高等优点，其缺点是控制系统结构较复杂，综合协调有一定的难度，需要与合理的控制策略相配合。

发明内容

为了克服现有多电机分布控制技术的不足，本发明提出一种基于DSC及CAN总线的适用于多台永磁无刷直流电机协调控制的方法与控制器，简单易行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于DSC及CAN总线的适用于多台永磁无刷直流电机协调控制的控制器，包括供电电路、异步串行通信设备、主控制器、若干分控制器、CAN总线、若干功率开关器件及其专用驱动芯片。

其中，供电电路为主控制器及分控制器提供5V电压；异步串行通信设备连接计算机和主控制器，完成指令及反馈信号的传输任务；CAN总线连接主控制器与各个分控制器，实现信号传输；分控制器解算主控制器下达的指令，通过无刷直流电机功率开关器件专用驱动芯片将分控制器产生的PWM信号放大，改变功率开关器件的导通顺序和PWM占空比，调整各个无刷直流电机的转速和角位置，从而控制各个无刷直流电机；同时，各个分控制器实时采集电机转速、母线电流、转子位置的数据，将这些数据按照CAN协议上传至主控制器，主控制器将分控制器反馈的数据进行整合，按照串行通信协议上传至计算机。

所述的主控制器包括依次串接的串行通讯模块、CPU和CAN总线通讯接口，串行通讯模块接收来自异步串行通信设备的信号，经CPU处理后，由CAN总线通讯接口发送给分控制器。

所述的分控制器包括依次串接的CAN接口、CPU和PWM模块，CAN接口接收来自CAN总线的信号，经CPU处理后，由PWM模块生成PWM信号。

所述的主控制器CPU和分控制器CPU均采用数字信号控制器(DSC)。

所述的主控制器CPU采用dsPIC30F6010芯片，分控制器CPU采用dsPIC30F4012芯片。

本发明还提供一种上述装置的控制方法，包括以下步骤：

1)使能主控制器的串行通讯模块，准备进行数据传输。

2)使能主控制器的CAN总线通讯接口，准备进行数据传输。

3)使能分控制器的CAN总线接口，准备进行数据传输。

4)主控制器接收计算机发出的电机控制指令信息，将指令中的无刷直流电机转速和角度命令通过CAN总线发送给每个分控制器；同时接收分控制器反馈的各个无刷直流电机实时转速、实时角位置信息，并通过串行通信接口上传至计算机。

5)分控制器比较主控制器下达的转速和角度命与电机的实时转速、实时角位置信息，得到差值后生成PWM信号，经过无刷直流电机功率开关器件专用驱动芯片放大后调节功率开关器件的导通和关断，进而改变无刷直流电机的端电压，实现电机调速控制。

本发明的有益效果是：

本发明提出的基于DSC及CAN总线的多电机协调控制方法与装置，系统采用MicroChip公司的dsPIC30F6010作为主控制器CPU，采用dsPIC30F4012作为分控制器CPU，系统硬件结构简单。通信方式以CAN总线通信为主，以异步串行通信为辅，实现了分布式分层递阶控制结构，可提高多电机控制系统的协调性与稳定性。系统结构简化，控制算法简洁。较之传统控制方式，在保证实时控制的同时提升了多电机系统的控制协调性、实时性和可扩展性。

附图说明

图1：本发明控制系统实施例的方框图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参见图1，如其中的实施例所示，基于DSC及CAN总线的多电机协调控制系统同时控制3台独立的无刷直流电机。系统包括计算机、主控制器、3个分控制器、3个驱动器和3台无刷直流电机。其中主控制器DSC为MicroChip公司的dsPIC30F6010，分控制器DSC采用dsPIC30F4012，功率开关器件专用驱动芯片采用IR公司的IR2130，功率开关器件选用IR公司的IRF540。

参见图1，本发明装置的电路联接关系为：将计算机串行通讯接口与本发明设计的主控制器DSC用串行通讯数据线连接，计算机同时发出3台电机的控制指令，指令通过计算机内置的串行通讯接口以及主控制器的串行通讯接口输入到主控制器DSC内；将主控制器DSC的CAN总线通讯接口与3个分控制器DSC的CAN接口用双绞线连接，主控制通过CAN总线通讯接口将1号电机的指令发送给1号分控制器，将2号电机的指令发送给2号分控制器，将3号电机的指令发送给3号分控制器；每个分控制器通过各自DSC的PWM模块产生PWM信号，发送至相对应的驱动器；每个驱动器中功率开关器件的源极与无刷直流电机的绕组用电缆连接，驱动器控制功率开关器件的导通和关断，借以调整被控电机的端电压，实现对电机转速和转子角位置的控制。

参见图1，本发明的详细配置方案为：

1)使能主控制器DSC的串行通讯模块，主控制器DSC dsPIC30F6010采用外部6MHz晶振，经片内锁相环16倍频与分频器4分频后得到系统时钟为24MHz；通讯速率设置为115200bps；通讯模块配置为中断模式；建立发送和接收缓冲，通信的数据字长为8位；将接收和发送子程序置于4ms中断服务子程序中，即每隔4ms系统完成一次串行通讯的接收和发送。

2)使能主控制器DSC的CAN总线模块，CAN通讯采用中断模式，优先级为3；波特率为500kHz；CAN协议采用报文编码，每一个分控制器的CAN节点都设置唯一的标识符；CAN总线的报文使用标准数据帧；每个子系统对总线有相同的权利，为多主工作方式；CAN总线收发的每个报文信息为2个字节共16位，前4位为每个节点的ID编码，中间2位是指令分类码，后10位是指令/反馈信号。CAN节点的标识符为4位共可产生16种组合，最多可满足12个分控制器CAN节点需要。

3)使能分控制器DSC的CAN总线模块，分控制器DSC dsPIC30F4012采用外部8MHz晶振，经片内锁相环8倍频与分频器4分频后得到系统时钟为16MHz；采用中断模式，中断优先级为3；CAN协议采用报文编码，每一个分控制器的CAN节点都设置唯一的标识符；CAN总线收发的每个报文信息为2个字节共16位，前4位为每个节点的ID编码，中间2位是指令分类码，后10位是指令/反馈信号。

4)下载dsPIC30F6010及dsPIC30F4012所需的源代码，用Microchip专用编译器通过下载端口将主控制器和分控制器DSC所需的代码进行下载。完成上述工作后，如果DSC全部正常，应可在计算机上显示与主控制器连接成功，同时可用录波仪在分控制器DSC的CAN总线上观察到数据信号的波形。

5)运行技术人员自行编写的计算机用户界面，应用软件可进行3台电机的转速与位置控制，实现多电机协调控制。

应用软件的内容包括：主控制器接收计算机发出的电机控制指令信息，将指令中的无刷直流电机转速和角度命令通过CAN总线发送给每个分控制器；同时接收分控制器反馈的各个无刷直流电机实时转速、实时角位置信息，并通过串行通信接口上传至计算机。分控制器比较主控制器下达的转速和角度命与电机的实时转速、实时角位置信息，得到差值后生成PWM信号，经过无刷直流电机功率开关器件专用驱动芯片放大后调节功率开关器件的导通和关断，进而改变无刷直流电机的端电压，实现电机调速控制。

Claims (6)

1.一种用于多台无刷直流电机协调控制的装置，包括供电电路、异步串行通信设备、主控制器、若干分控制器、CAN总线、若干功率开关器件及其专用驱动芯片，其特征在于：供电电路为主控制器及分控制器提供5V电压；异步串行通信设备连接计算机和主控制器，完成指令及反馈信号的传输任务；CAN总线连接主控制器与各个分控制器，实现信号传输；分控制器解算主控制器下达的指令，通过无刷直流电机功率开关器件专用驱动芯片将分控制器产生的PWM信号放大，改变功率开关器件的导通顺序和PWM占空比，调整各个无刷直流电机的转速和角位置，从而控制各个无刷直流电机；同时，各个分控制器实时采集电机转速、母线电流、转子位置的数据，将这些数据按照CAN协议上传至主控制器，主控制器将分控制器反馈的数据进行整合，按照串行通信协议上传至计算机。

2.根据权利要求1所述的用于多台无刷直流电机协调控制的装置，其特征在于：所述的主控制器包括依次串接的串行通讯模块、CPU和CAN总线通讯接口，串行通讯模块接收来自异步串行通信设备的信号，经CPU处理后，由CAN总线通讯接口发送给分控制器。

3.根据权利要求1所述的用于多台无刷直流电机协调控制的装置，其特征在于：所述的分控制器包括依次串接的CAN接口、CPU和PWM模块，CAN接口接收来自CAN总线的信号，经CPU处理后，由PWM模块生成PWM信号。

4.根据权利要求1所述的用于多台无刷直流电机协调控制的装置，其特征在于：所述的主控制器CPU和分控制器CPU均采用数字信号控制器。

5.根据权利要求1所述的用于多台无刷直流电机协调控制的装置，其特征在于：所述的主控制器CPU采用dsPIC30F6010芯片，分控制器CPU采用dsPIC30F4012芯片。

6.一种利用权利要求1所述装置用于多台无刷直流电机协调控制的的方法，其特征在于包括下述步骤：

1)使能主控制器的串行通讯模块，准备进行数据传输；

2)使能主控制器的CAN总线通讯接口，准备进行数据传输；

3)使能分控制器的CAN总线接口，准备进行数据传输；

4)主控制器接收计算机发出的电机控制指令信息，将指令中的无刷直流电机转速和角度命令发送给每个分控制器；同时接收分控制器反馈的各个无刷直流电机实时转速、实时角位置信息，并上传至计算机；

5)分控制器比较主控制器下达的转速和角度命与电机的实时转速、实时角位置信息，得到差值后生成PWM信号，经过无刷直流电机功率开关器件专用驱动芯片放大后调节功率开关器件的导通和关断，进而改变无刷直流电机的端电压，实现电机调速控制。

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