CN104135214A - 飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器 - Google Patents

Abstract

飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，属于电机伺服控制技术领域。本发明为了解决目前单轴飞行仿真转台的驱动成本高并且上位机由于工作负荷大使伺服功能受限的问题。它利用ARM与FPGA构成主控制器，接收上位机的控制指令，简单解算后，发送控制指令给轴控制器；轴控制器由DSP与FPGA构成，接收由主控制器发送的指令，由DSP做控制指令计算，FPGA做逻辑运算，给驱动器信号，驱动电机完成指定任务；主控制器与轴控制器通信方式采用EtherCAT工业总线；上位机IPC主要负责人机交互，并负责少量的数据量的计算，将数据信息通过网络发送到主控制器中。本发明用于飞行仿真转台的电机控制。

Description

飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器

技术领域

本发明涉及飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，属于电机伺服控制技术领域。

背景技术

飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统，用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿态，把高精度传感器如陀螺仪、导引头等安装于转台之上，将飞行器在空中的各种姿态的电信号转化为转台的机械转动，以使陀螺仪、导引头等敏感飞机的姿态角运动。“高频响、超低速、宽调速、高精度”成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。其中，“高频响”反映转台跟踪高频信号的能力强；“超低速”反映系统的低速平稳性好；“宽调速”可提供很宽的调速范围；“高精度”指系统跟踪指令信号的准确程度高。

目前对转台控制的主要实现方式是上下位机分层式控制，上位机是工业控制计算机IPC，下位机是运动板卡。上位机通过RS232或者485通讯协议向下位机发送要实现的位置或者速度信号，下位机接受上位机的信号和转台的位置和速度反馈信号，依据设定的控制算法进行运算，输出控制信号给转台，并对转台运行状态进行监测。

但是现有技术中IPC不仅仅负责人机交互，还负责庞大的数据量的采集、运算等多任务。由于IPC功能的有限，越来越制约着转台的伺服控制。同时，在通信过程中，RS232或者485通信协议也限制了数据量的通信，影响了转台控制精度。另外，由于运动板卡一般同时只能实现多个相同的功能，也就是说单轴转台和多轴转台需要同样数量的不同功能的运动板卡，因此两者成本基本相差不大；另外高性能的IPC成本较高，故整体来说目前单轴转台的驱动成本较高。

发明内容

本发明目的是为了解决目前单轴飞行仿真转台的驱动成本高并且上位机由于工作负荷大使伺服功能受限的问题，提供了一种飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器。

本发明所述飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，它包括主控制器、轴控制器和上位机，

主控制器包括主现场可编程门阵列、ARM处理器、以太网芯片、电机开关量信号接口和蜂鸣器；

轴控制器包括编码器信号输入单元、AD信号输入单元、从现场可编程门阵列、数字信号处理器、DA转换器和电平转换电路；

上位机用于通过以太网芯片发送控制指令给ARM处理器，并接收ARM处理器发送的显示数据；

ARM处理器通过数据线和地址线与主现场可编程门阵列进行数据共享，并且主现场可编程门阵列对接收的控制指令进行解算后，通过ARM处理器发送到EtherCAT总线；

主现场可编程门阵列通过电机开关量信号接口接收电机的停机信号，并发送开机信号给电机；

主现场可编程门阵列发送报警信号给蜂鸣器，使蜂鸣器发送报警信号；

增量式或绝对式编码器采集的电机位置信号通过编码器信号输入单元传递给从现场可编程门阵列；模拟量传感器采集的电机模拟量信号通过AD信号输入单元传递给从现场可编程门阵列，从现场可编程门阵列将接收的采集信号传递给数字信号处理器，数字信号处理器同时通过EtherCAT总线接收控制指令，数字信号处理器对接收的所有数据进行处理后，计算获得电机的模拟电压量驱动信号和数字量驱动信号，电机的模拟电压量驱动信号通过DA转换器和模拟量驱动接口发送给电机；电机的数字量驱动信号通过电平转换电路和数字量驱动接口发送给电机；

所述仿真转台通过转台光电限位开关及零位开关接口和电平转换电路发送停机信号给从现场可编程门阵列，从现场可编程门阵列通过电平转换电路和转台光电限位开关及零位开关接口发送运行控制信号给仿真转台。

轴控制器还包括稳压电压，稳压电压用于为AD信号输入单元和DA转换器提供工作电源。

本发明的优点：本发明利用ARM与FPGA构成主控制器，接收上位机的控制指令，简单解算后，发送控制指令给轴控制器。轴控制器由DSP与FPGA构成，接收由主控制器发送的指令，由DSP做控制指令计算，FPGA做逻辑运算，给驱动器信号，驱动电机完成指定任务。主控制器与轴控制器通信方式采用EtherCAT工业总线。与现有的伺服控制系统相比，具有系统成本低、模块化构成灵活、设计简单及数据处理带宽较好等优点。

本发明克服了现有电机伺服控制器成本高及采集数据周期长等问题，减轻了上位机IPC的工作负荷，进一步提高了采样周期和控制周期；其通信速率有较大提高并且易于扩展；应用于单轴转台，能够极大降低成本；其对上位机IPC的性能要求较低。

本发明技术方案中，上位机IPC主要负责人机交互，并负责少量的数据量的计算，将数据信息通过网络发送到主控制器中。在主控制器负责整个系统的调度，将获得数据信息简单编码，发送到相应的轴控制器中去。轴控制器获得数据后，由轴控制器采集对应轴的速度信息和位置信息，并经过DSP计算，经过控制算法，通过驱动器驱动电机。主控制器和轴控制器通过EtherCAT相连，分布式管理，便于扩展轴控制器数量。

因此，上位机IPC的工作负荷大大减轻，减低了IPC的成本；工业总线上只负责传输有效地控制信息，提高了有效信息的吞吐速率。采集和处理信息由对应的轴控制器进行，并行操作，提高了信息的采集能力和处理能力，同时降低了控制时间周期，提高控制精度，同时操作更加灵活，便于以后的扩展。

附图说明

图1是本发明所述飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，它包括主控制器1、轴控制器2和上位机3，

主控制器1包括主现场可编程门阵列1-1、ARM处理器1-2、以太网芯片1-3、电机开关量信号接口1-4和蜂鸣器1-5；

轴控制器2包括编码器信号输入单元2-1、AD信号输入单元2-2、从现场可编程门阵列2-3、数字信号处理器2-4、DA转换器2-5和电平转换电路2-6；

上位机3用于通过以太网芯片1-3发送控制指令给ARM处理器1-2，并接收ARM处理器1-2发送的显示数据；

ARM处理器1-2通过数据线和地址线与主现场可编程门阵列1-1进行数据共享，并且主现场可编程门阵列1-1对接收的控制指令进行解算后，通过ARM处理器1-2发送到EtherCAT总线；

主现场可编程门阵列1-1通过电机开关量信号接口1-4接收电机的停机信号，并发送开机信号给电机；

主现场可编程门阵列1-1发送报警信号给蜂鸣器1-5，使蜂鸣器1-5发送报警信号；

增量式或绝对式编码器采集的电机位置信号通过编码器信号输入单元2-1传递给从现场可编程门阵列2-3；模拟量传感器采集的电机模拟量信号通过AD信号输入单元2-2传递给从现场可编程门阵列2-3，从现场可编程门阵列2-3将接收的采集信号传递给数字信号处理器2-4，数字信号处理器2-4同时通过EtherCAT总线接收控制指令，数字信号处理器2-4对接收的所有数据进行处理后，计算获得电机的模拟电压量驱动信号和数字量驱动信号，电机的模拟电压量驱动信号通过DA转换器2-5和模拟量驱动接口发送给电机；电机的数字量驱动信号通过电平转换电路2-6和数字量驱动接口发送给电机；

所述仿真转台通过转台光电限位开关及零位开关接口和电平转换电路2-6发送停机信号给从现场可编程门阵列2-3，从现场可编程门阵列2-3通过电平转换电路2-6和转台光电限位开关及零位开关接口发送运行控制信号给仿真转台。

本实施方式中的主控制器负责控制器整体系统的逻辑保护等功能。EtherCAT总线通信稳定可靠，通信速率较高，同时便于扩展，提高了控制器的易用性。上位机通过网口与主控制器通信，能够实现友好的人机交互，上位机只用于人机交互及简单计算，上位机可以获得数据做出图像，便于直观感受；同时上位机可以输入控制指令，使电机按照预期完成任务。上位机可以通过W5100的以太网芯片1-3与主现场可编程门阵列1-1进行数据交互，再由ARM处理器1-2通过以太网芯片1-3向EtherCAT总线发送命令和数据。主现场可编程门阵列1-1负责逻辑信号处理，如紧急停车等功能。蜂鸣器的主要功能是实现报警功能。

轴控制器的数量可根据需要配置为与轴的数量相同。

以单周飞行转台为例，硬件只需要低性能的IPC，一个轴控制器和一个主控制器。IPC获得控制指令，通过网络发送给主控制器，主控制器此时监测整个系统的电压和电流情况，在安全地情况下启动轴控制器，轴控制器从EtherCAT上得到数据信息，同时自身采集所对应轴的位置信息及速度信息，经过控制算法，获得输出量，转化成对应的数字量和模拟量驱动电机完成任务。当需要扩展成二轴转台时，只需要将另一个轴控制器通过网线与EtherCAT总线连接即可。但需要紧急制动等操作时，由主控制器紧急发出控制信号，使转台停车。

上位机通过W5100以太网芯片与FPGA进行数据交互，再由ARM通过KS8732以太网芯片向EtherCAT总线发送命令和数据。另外FPGA负责逻辑信号处理，如紧急停车等功能。轴控制器中由FPGA对DA芯片进行驱动，获得指定电压驱动电机。FPGA对传感器信号进行采集，采集的信号经过简单处理，送给DSP进行计算。

本发明在使用中，可利用主控器上的KS8732作为主设备，轴控制器作为从设备，利用EtherCAT总线传播数据，扩展节点。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，轴控制器2还包括稳压电压2-7，稳压电压2-7用于为AD信号输入单元2-2和DA转换器2-5提供工作电源。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，主现场可编程门阵列1-1和从现场可编程门阵列2-3的型号均为EP3C25Q240C8。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，ARM处理器1-2的型号为STM32F407。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，数字信号处理器2-4的型号为TMS320F28335。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，以太网芯片1-3的型号为KS8732。

Claims (6)

1.一种飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，其特征在于，它包括主控制器(1)、轴控制器(2)和上位机(3)，

主控制器(1)包括主现场可编程门阵列(1-1)、ARM处理器(1-2)、以太网芯片(1-3)、电机开关量信号接口(1-4)和蜂鸣器(1-5)；

轴控制器(2)包括编码器信号输入单元(2-1)、AD信号输入单元(2-2)、从现场可编程门阵列(2-3)、数字信号处理器(2-4)、DA转换器(2-5)和电平转换电路(2-6)；

上位机(3)用于通过以太网芯片(1-3)发送控制指令给ARM处理器(1-2)，并接收ARM处理器(1-2)发送的显示数据；

ARM处理器(1-2)通过数据线和地址线与主现场可编程门阵列(1-1)进行数据共享，并且主现场可编程门阵列(1-1)对接收的控制指令进行解算后，通过ARM处理器(1-2)发送到EtherCAT总线；

主现场可编程门阵列(1-1)通过电机开关量信号接口(1-4)接收电机的停机信号，并发送开机信号给电机；

主现场可编程门阵列(1-1)发送报警信号给蜂鸣器(1-5)，使蜂鸣器(1-5)发送报警信号；

增量式或绝对式编码器采集的电机位置信号通过编码器信号输入单元(2-1)传递给从现场可编程门阵列(2-3)；模拟量传感器采集的电机模拟量信号通过AD信号输入单元(2-2)传递给从现场可编程门阵列(2-3)，从现场可编程门阵列(2-3)将接收的采集信号传递给数字信号处理器(2-4)，数字信号处理器(2-4)同时通过EtherCAT总线接收控制指令，数字信号处理器(2-4)对接收的所有数据进行处理后，计算获得电机的模拟电压量驱动信号和数字量驱动信号，电机的模拟电压量驱动信号通过DA转换器(2-5)和模拟量驱动接口发送给电机；电机的数字量驱动信号通过电平转换电路(2-6)和数字量驱动接口发送给电机；

所述仿真转台通过转台光电限位开关及零位开关接口和电平转换电路(2-6)发送停机信号给从现场可编程门阵列(2-3)，从现场可编程门阵列(2-3)通过电平转换电路(2-6)和转台光电限位开关及零位开关接口发送运行控制信号给仿真转台。

2.根据权利要求1所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，其特征在于，轴控制器(2)还包括稳压电压(2-7)，稳压电压(2-7)用于为AD信号输入单元(2-2)和DA转换器(2-5)提供工作电源。

3.根据权利要求1或2所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，其特征在于，主现场可编程门阵列(1-1)和从现场可编程门阵列(2-3)的型号均为EP3C25Q240C8。

4.根据权利要求3所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，其特征在于，ARM处理器(1-2)的型号为STM32F407。

5.根据权利要求4所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，其特征在于，数字信号处理器(2-4)的型号为TMS320F28335。

6.根据权利要求5所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器，其特征在于，以太网芯片(1-3)的型号为KS8732。