CN103378772A - 基于fpga和dsp的多路直流电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于DSP和FPGA的多路直流电机控制系统，其特征在于系统由：主控可编程逻辑器件模块，数字信号处理器模块，人机交互界面，CPU电源模块，内部通信模块，状态指示模块一，底层驱动模块，10路直流电机模块，状态指示模块二，强电电源模块，采样模块，控制界面模块等模块组成。本发明的优越性在于：1.本发明采用的的两块主要控制芯片：EP1C6Q240C8N及TMS320F2812应用广泛，处理速度快，胜任大型复杂控制系统；2.本发明中的底层驱动模块采用集成化芯片MC33886，集成度高。相对于以前市场上采用人工搭H桥驱动电机的方式而言，可靠性大大提高，实现电路也大幅减少，成本降低幅度大；3.整体系统可塑性强，可以根据实际需要控制不同数量的直流电机组(电压等级在40V以内)；4.体积小，集成度高，调试方便。
Description
(一)技术领域：
本发明属于电机控制技术领域，涉及FPGA以及DSP的多路直流电机的控制系统。
(二)背景技术：
直流电机控制技术在工业生产中存在广泛的应用，现代工业的飞速发展对直流电机控制的要求也越来越高，比如机床，印刷机等等的应用比例尤为显著。传统的以单片机为CPU的运动控制卡已经不能满足现代工业和社会发展的要求。归纳起来，主要表现在：
(1)结构封闭
提供给用户的只是特定环境下的特定功能的目标作业，控制系统的内部包括控制算法和底层的接口等对用户是一个“黑箱”。这种结构不便于对系统的功能进行扩展和改进，同时也不便于对系统资源的共享和再利用。
(2)控制软件的兼容性差
软件的结构依赖于处理器硬件，难于在不同的系统间移植，不便于软件的升级或更新。
(3)容错性和可靠性差
(4)并行能力差
单片机指令执行以精简指令系统来完成，即指令与指令间为顺序执行方式，遇到突发状况只能采取中断系统进行处理，意味着必须一定时间的等待，完全无法进行并行处理。从而在应对高速度，复杂系统时无法胜任。另外，现今市场上已有用于工业中的直流电机控制系统，驱动电路采用人工搭建H桥，而且控制的电机数量有限，基本上以一个控制系统控制一台电机，控制范围有限，而且成本高昂，灵活性查。
(三)发明内容：
本发明目的是提供基于以总线方式进行通信的FPGA以及DSP为核心CPU的多路直流电机控制系统。通过TI公司生产的型号为TMS320F2812的DSP(数字信号处理器)对强电回路端反馈回来的数据进行分析，并且实现与Altera公司生产的型号为EP1C6Q240C8N的FPGA通信，由FPGA向多路直流电机输出脉宽调制波(PWM波)进行控制，并且实现逻辑控制以及强电回路的保护，其中，FPGA为主控芯片。
本发明的技术方案：一种基于DSP和FPGA的多路(10路)直流电机控制系统，其特征在于系统由：主控可编程逻辑器件模块1，数字信号处理器模块2，人机交互界面3，CPU电源模块4，内部通信模块5，状态指示模块一6，底层驱动模块7，10路直流电机模块8，状态指示模块二9，强电电源模块10，采样模块11，控制界面模块12等模块组成。
上述所说的一种基于DSP和FPGA的多路(10路)直流电机控制系统，其连接关系为：数字信号处理器模块通过内部通信模块与可编程逻辑器件模块连接，且分别与CPU电源模块，状态指示模块一，采样模块以及人机交互模块等模块相连接。可编程逻辑器件模块分别与内部通信模块，CPU电源模块，状态指示模块一，底层驱动模块以及控制界面模块等模块相连。底层驱动模块分别与10路直流电机模块和强电电源模块相连。10路直流电机模块分别与状态指示模块，采样模块相连。
上述所说的主控可编程逻辑器件模块采用以由Altera公司出品的Cyclne系列FPGA为主芯片，型号为EP1C6Q240C8N。该款FPGA引脚为240脚，I/O口超过100个，能充分地与外界进行交互。可编程逻辑器件模块由CPU电源模块提供两路供电，一路为1.5V内核电源，一路为3.3VI/O供电电源。在芯片本身的I/O资源中，分配32个I/O口予控制界面模块，20个I/O予底层驱动模块，45个I/O予内部通信模块。通过大量的I/O口实现与外界多模块的连接。
上述所说的数字信号处理器模块以TI公司出品TMS320F2812为主芯片，最高主频150MHz，保证了处理信号的快速性和实时性，高速的信号可以提供实时的位置信息，保证控制信号响应的快速性。TMS320F2812采用经典的哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转移数据。程序读总线有22根地址线和32根数据线，数据读写数据线都是32位，这种多总线结构使得它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它也采用了指令流水线技术，使得信号的处理速度明显提高。由CPU电源模块提供两路供电，一路为1.9V内核电源，一路为3.3VI/O供电电源。通过内部GPIO模块连接状态指示模块一，以显示DSP是否正常工作。
上述所说的内部通信模块总共由45根线组成，包括16位数据线，24位地址线，5位内部时钟控制线。内部通信模块是连接主控可编程逻辑器件模块和数字信号处理器模块的桥梁，由FPGA控制的DSP时序，通过5位内部时钟控制线来完成。16位数据线和24位地址线实现两芯片间的数据交换。
上述所说的底层驱动模块由电平转换单元连接驱动电路单元组成。驱动电路单元主要采用飞思卡尔公司生产的MC33886为主控芯片。MC33886芯片是飞思卡尔公司生产的5A集成H桥芯片，内置了防止H桥桥臂同侧导通的控制逻辑，栅极驱动电路，电荷泵以及输出电路。最大持续输出电流为5A且集成了保护电路。MC33886芯片通过其四根输出线可以实现电机的正反转转和制动。电平转换单元采用TI公司出品的SN74LVC4245电源转换芯片为主芯片，实现从3.3V电平转换到5V电平，从而适用于驱动电路单元。
上述所说的CPU电源模块采由220V交流转5V直流电源单元以及电转换单元组成。220V交流转5V直流电源单元采用通用的5V3A直流电源，该单元为主控可编程逻辑器件模块以及数字信号处理器模块提供总的直流电源。通过两款芯片：AS2830AT3.3，AS2830AT1.5来实现对DSP和FPGA的内核和I/O口进行供电。
有益效果：1.本发明采用的的两块主要控制芯片：EP1C6Q240C8N以及TMS320F2812应用广泛，可靠性高。处理速度快，胜任大型复杂控制系统；2.本发明中的底层驱动模块采用集成化芯片MC33886，集成度高；相对于以前市场上采用人工搭H桥驱动电机的方式而言，可靠性大大提高，实现电路也大幅减少，成本降低幅度大；3.整体系统可塑性强，可以根据实际需要控制不同数量的直流电机组(电压等级在40V以内)，所以大大提高了在工业中的适用范围；4.体积小，集成度高，调试方便。
(四)附图说明：
图1为本发明的结构示意图，即一种基于DSP和FPGA的多路(10路)直流电机控制系统示意图。图中1为主控可编程逻辑器件模块，2为数字信号处理器模块，3为人机交互模块，4为CPU电源模块，5为内部通信模块，6为状态指示模块一，7为底层驱动模块，8为10路直流电机模块，9为状态指示模块二，10为强电电源模块，11为采样模块，12为控制界面模块。
(五)具体实施方式：
实施例：一种基于DSP和FPGA的多路(10路)直流电机控制系统，其特征在于系统由：主控可编程逻辑器件模块1，数字信号处理器模块2，人机交互界面3，CPU电源模块4，内部通信模块5，状态指示模块一6，底层驱动模块7，10路直流电机模块8，状态指示模块二9，强电电源模块10，采样模块11，控制界面模块12等模块组成。
上述所说的主控可编程逻辑器件模块以EP1C6Q240C8N为主芯片。可编程逻辑器件模块由CPU电源模块提供两路供电，一路为1.5V内核电源，一路为3.3VI/O供电电源。在芯片本身的I/O资源中，分配32个I/O口予控制界面模块，20个I/O予底层驱动模块，45个I/O予内部通信模块。
上述所说的数字信号处理器模块以TMS320F2812为主芯片。由CPU电源模块提供两路供电，一路为1.9V内核电源，一路为3.3VI/O供电电源。通过内部GPIO模块连接状态指示模块一，以显示DSP是否正常工作。
上述所说的内部通信模块总共由45根线组成，包括16位数据线，24位地址线，5位内部时钟控制线。由FPGA控制的DSP时序，通过5位内部时钟控制线来完成。16位数据线和24位地址线实现两芯片间的数据交换。
上述所说的底层驱动模块由电平转换单元相连驱动电路单元组成。驱动电路单元主要采用飞思卡尔公司生产的MC33886为主控芯片。最大持续输出电流为5A且集成了保护电路。MC33886芯片通过其四根输出线可以实现电机的正反转转和制动。电平转换单元采用TI公司出品的SN74LVC4245电源转换芯片为主芯片，实现从3.3V电平转换到5V电平，从而适用于驱动电路单元。
上述所说的CPU电源模块采由220V交流转5V直流电源单元以及电源转换单元组成。220V交流转5V直流电源单元采用通用的5V3A直流电源，该单元为主控可编程逻辑器件模块以及数字信号处理器模块提供总的直流电源。通过两款芯片：AS2830AT3.3，AS2830AT1.5来实现对DSP和FPGA的内核和I/O口进行供电。
上述所说的人机交互借面由液晶显示屏或者数码管组成，用于显示各路电机的工作状态(正转，反转，停止/启动，转速)。通过DSP的GPIO与数字信号处理器模块相连接。
上述所说的采样模块由三部分组成，一是数字信号处理器模块中的ADC转换模块，该模块共有12路独立的采样通道，每路采样通道有12位，一般而言，最高精度能达到9位。在本发明中，精度已经足够，无需再在外部扩展采样模块。二是霍尔电流传感器，电流信号输入，电压信号输出。三是外部电阻分压电路，由于DSP的I/O口只能接受3V内的电平，而直流电机电枢端电压高于这个电压等级，所以应该在外部搭建一个电阻分压电路，变换为DSP可以识别的电平，然后通过DSP一定的程序运算，计算出具体电机的转速，转向等等。
上述所说的控制界面模块共有32个按钮，两个总开关(开，关)。另外30个带自锁的按钮分为10组，分别控制10路电机，每组3个按钮，分别是正转/反转，增速/减速，启动/制动。通过控制界面可以对10组直流电机进行独立控制。
上述所说的状态指示模块一由两路LED灯组成，分别指示主控可编程逻辑器件模块以及数字信号处理器模块的上电情况。
上述所说的状态指示模块二由10路LED灯组成，信号由直流电机电枢端引出，分别指示10路直流电机的工作状态(正常运行，没有运行)，为控制着传达各路直流电机的工况信息。
本发明的工作过程：操作者通过在控制界面对10组(为方便描述，对电机组进行编号：1-10组)直流电机独立控制。以控制第一组直流电机为例，操作者令第一组直流电机正转，按下第一组按钮中的正转按钮，从而给予主控可编程逻辑器件模块中某个I/O(为叙述方便，编号1)引脚高电平，由于1为高电平，在下一个时钟的上升沿触发控制第一组电机的两个I/O口(编号3，4)按既定程序发出脉宽调制波即PWM波，然后通过底层驱动电路的电平转换单元输入到驱动电路单元(由强电电源模块进行供电，电压在40V以内，具体电压视被控制的直流电机的情况而定)中的IN1，IN2引脚，经过内部H桥变换输出OUT1，OUT2两路PWM波输入到直流电机两端。通过霍尔元件在直流电机电枢端测得电流信号并转换为电压信号，经过外部电阻分压电路分压变换为DSP的I/O口可识别的模拟电压信号输入到DSP的ADC模块，由DSP进行计算。然后通过人机交互界面向操作者显示电机运行的情况，同时，通过内部通信模块与主控可编程逻辑器件模块进行通信，反馈实际工况，该步骤可用于将系统扩展为智能型闭环控制系统。如果控制多路电机同时启动，过程同上，各路电机并行运行，不会互相干扰，遇到突发状况可以独立处理。上述过程描述了电机启动过程，制动过程同上。
当操作者欲使某组电机加/减速时，可通过控制界面模块中的增速/减速按钮来实现。主控可编程逻辑器件模块中实现对电机的加减速过程来自于对所发出的脉宽调制波(PWM)的占空比进行控制，每组直流电机的占空比控制由一个I/O口进行控制。而在控制界面模块中的增速/减速按钮正是用来控制对应的控制占空比的I/O口。而具体的是实现机理也与上述启动机理相似。所不同的是，必须先保证启动按钮有效，方可控制增速/减速按钮。
数字信号处理器模块中的主芯片TMS320F2812本身具有16路ADC转换通道，在本发明中使用了其中的10路，模拟信号输入的范围为0-3V。
Claims (7)
1.一种基于DSP和FPGA的多路(10路)直流电机控制系统，其特征在于系统由：主控可编程逻辑器件模块1，数字信号处理器模块2，人机交互界面3，CPU电源模块4，内部通信模块5，状态指示模块一6，底层驱动模块7，10路直流电机模块8，状态指示模块二9，强电电源模块10，采样模块11，控制界面模块12等模块组成。
2.依据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的多路(10路)直流电机控制系统，其连接关系为：数字信号处理器模块通过内部通信模块与可编程逻辑器件模块连接，且分别与CPU电源模块，状态指示模块一，采样模块以及人机交互模块等模块相连接。可编程逻辑器件模块分别与内部通信模块，CPU电源模块，状态指示模块一，底层驱动模块以及控制界面模块等模块相连。底层驱动模块分别与10路直流电机模块和强电电源模块相连。10路直流电机模块分别与状态指示模块，采样模块相连。
3.依据权利要求1所述的主控可编程逻辑器件模块采用以由Altera公司出品的Cyclne系列FPGA为主芯片，型号为EP1C6Q240C8N。该款FPGA引脚为240脚，I/O口超过100个，能充分地与外界进行交互。可编程逻辑器件模块由CPU电源模块提供两路供电，一路为1.5V内核电源，一路为3.3VI/O供电电源。在芯片本身的I/O资源中，分配32个I/O口予控制界面模块，20个I/O予底层驱动模块，45个I/O予内部通信模块。通过大量的I/O口实现与外界多模块的连接。
4.依据权利要求1所述的数字信号处理器模块以TI公司出品TMS320F2812为主芯片，最高主频150MHz，保证了处理信号的快速性和实时性，高速的信号可以提供实时的位置信息，保证控制信号响应的快速性。TMS320F2812采用经典的哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转移数据。程序读总线有22根地址线和32根数据线，数据读写数据线都是32位，这种多总线结构使得它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它也采用了指令流水线技术，使得信号的处理速度明显提高。由CPU电源模块提供两路供电，一路为1.9V内核电源，一路为3.3VI/O供电电源。通过内部GPIO模块连接状态指示模块一，以显示DSP是否正常工作。
5.依据权利要求1所述的内部通信模块总共由45根线组成，包括16位数据线，24位地址线，5位内部时钟控制线。内部通信模块是连接主控可编程逻辑器件模块和数字信号处理器模块的桥梁，由FPGA控制的DSP时序，通过5位内部时钟控制线来完成。16位数据线和24位地址线实现两芯片间的数据交换。
6.依据权利要求1所述的底层驱动模块由电平转换单元连接驱动电路单元组成。驱动电路单元主要采用飞思卡尔公司生产的MC33886为主控芯片。MC33886芯片是飞思卡尔公司生产的5A集成H桥芯片，内置了防止H桥桥臂同侧导通的控制逻辑，栅极驱动电路，电荷泵以及输出电路。最大持续输出电流为5A且集成了保护电路。MC33886芯片通过其四根输出线可以实现电机的正反转转和制动。电平转换单元采用TI公司出品的SN74LVC4245电源转换芯片为主芯片，实现从3.3V电平转换到5V电平，从而适用于驱动电路单元。
7.依据权利要求1所述的CPU电源模块采由220V交流转5V直流电源单元以及电转换单元组成。220V交流转5V直流电源单元采用通用的5V3A直流电源，该单元为主控可编程逻辑器件模块以及数字信号处理器模块提供总的直流电源。通过两款芯片：AS2830AT3.3，AS2830AT1.5来实现对DSP和FPGA的内核和I/O口进行供电。
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