CN104967371A - 一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，三轴旋转机构由三路正交安装的直流无刷电机控制。该装置主要包括以DSP为核心的主控单元、以CPLD为核心的信号采集模块、光耦隔离模块。DSP接收来自外部的电机旋转指令与同步信号，并连接信号采集模块、总线传输模块、电平转换模块和通讯模块；信号采集模块用来采集旋转机构测角装置信号、温度传感器信号、振动传感器信号以及电机驱动模块的故障检测信号，并将采集到的信号发给DSP，DSP根据接收到的这四种信号判断当前装置是否处于正常工作状态从而实现对控制装置的实时监控。在控制算法上，运用了主动控制策略保证旋转机构匀速正反转的平稳过渡，保证了系统的控制精度。

Description

一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置

技术领域

本发明涉及电机控制领域的一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，具体是涉及三路正交安装的直流无刷电机的控制装置。适用于对控制精度和安全稳定性要求较高的旋转机构控制。

背景技术

直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构，具有体积小，重量轻，出力大等优点。而三轴旋转机构在汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等领域得到了广泛的应用，对旋转机构精确、安全的控制一直是研究的热点。随着电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术等技术的发展，利用DSP为核心的数据处理单元，运用数字控制技术同时实现对电机的精确控制与故障检测成了可能。现有的电机控制装置主要由控制器部分、隔离电路、位置传感器以及用来检测电流与电压的检测电路组成。这类装置只能在外界条件较为稳定的环境中工作，而在外界条件较为复杂的环境中则丧失了故障检测能力。一般情况下电机控制与故障检测的任务都由主芯片完成，这样会使控制系统不够灵活，而且在实现匀速正反转的过程中，并无额外的主动控制。

发明内容

本发明提出一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置。该装置以TI的高性能处理芯片TMS320F28335作为主控芯片，以一片CPLD作为信号采集单元的核心，减少DSP的负担，提升了电机的控制精度和实时性。装置还实时检测电机的霍尔信号、旋转机构的测角信号、系统温度、系统的振动信号以及电机驱动机构返回的状态信号，并在有故障时采取相应保护措施，以保证旋转机构安全的运转。在控制算法发面，当旋转机构以匀速进行连续正反转运动时，运用了主控控制的策略，保证了系统控制的精确度。

本发明的技术解决方案：

一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，该装置主要包括以DSP为核心的主控单元、以CPLD为核心的信号采集模块、通讯模块、光耦隔离模块、电平转换模块1、电平转换模块2、电机驱动模块以及电源模块。DSP为本装置的控制核心，接收来自外部的电机旋转指令与同步信号，并连接信号采集模块、总线传输模块、电平转换模块1和通讯模块；信号采集模块以一片CPLD为核心，包含集成数据采集芯片，采集旋转机构转角、温度、振动信号以及电机的监测信号，DSP根据采集到的信号实现对系统的实时监测，并对相应的故障采取不同的措施；总线传输模块连接光耦隔离模块，光耦模块连接电平转换模块2，电平转换模块2连接电机驱动模块；通信模块则连接上位机；电源模块为整个装置供电。在控制算法方面，当旋转机构以匀速进行连续正反转运动时，运用了主控控制的策略，保证了系统控制的精确度。

以DSP为核心的主控单元由TI公司的TMS320F28335及其外围电路组成；信号采集模块主要由CPLD芯片EPM1270、数据采集芯片SN65175、电平转换模块1以及外围电路组成；数据传输模块由54HC245及其外围电路组成；光耦隔离模块由光耦器件HCPL-2631组成；电平转换模块由SN74ALVC164245及其外围电路构成；通信模块由MAX3223和外围电路构成；电机驱动模块由继电器和集成功放芯片DRV8332及其外围电路组成；电源模块由27V转12V、5V以及5V转3.3V构成，电压转换芯片为LM7805CT和LM1085。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明中电机驱动部分兼有了检测电路中过压、短路等故障的作用，而系统除了实时采集旋转机构的测角信号、电机霍尔信号和电机驱动机构返回的状态信号外，还会采集系统的振动信号，根据采集到的振动信号判断当前系统的工作状态，如出现由于某些故障而引起振动幅值过大的情况，DSP可以通过切断电机的驱动电源保护系统安全。

(2)、本发明还会实时采集系统温度信号，根据温度的高低，DSP会通过继电器来控制风扇与加温片的工作与否，保证系统处于一个较适宜的温度环境中，而当温度由于故障或系统由于工作时间超长使系统温度超出一定范围，可能影响系统工作时，DSP也会采取相关保护措施，这样设计也增加了系统应对复杂工作环境的能力。

(3)、本发明在控制策略方面采用了主动控制的策略，这样可以保证系统在以匀速进行正反转的运动中以较高的控制精度，实现平稳的过渡。

(4)、本发明在进行信号采集与故障检测时，以一片CPLD作为控制核心，减少了DSP工作的负担，节省了DSP执行时间与存储空间，DSP集中资源用于电机的旋转控制，提高了整个装置运行的实时性和控制精确度。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明中核心主控单元部分原理图；

图4为本发明的数据采集芯片及其外围电路图；

图5为本发明中核心主控单元部分原理图；

图6为本发明的数据采集芯片及其外围电路图；

图7为本发明的通讯模块原理图；

图8为本发明的数据总线传输模块原理图；

图9为本发明的光耦隔离芯片及其外围电路图；

图10为利用本发明的电平转换模块原理图；

图11为利用本发明的电机驱动模块原理图；

图12利用本发明的电源模块部分原理图；

图13为利用本发明上位机界面效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，详细介绍本发明装置。

本发明是一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，如图1所示，该装置主要包括以DSP为核心的主控单元、以CPLD为核心的信号采集模块、通讯模块、光耦隔离模块、电平转换模块1、电平转换模块2、电机驱动模块以及电源模块。DSP为本装置的控制核心，接收来自外部的电机旋转指令与同步信号，并连接信号采集模块、总线传输模块、电平转换模块1和通讯模块；信号采集模块以一片CPLD为核心，包含集成数据采集芯片，采集旋转机构转角、温度以及电机的监测信号；总线传输模块连接光耦隔离模块，光耦模块连接电平转换模块2，电平转换模块2连接电机驱动模块；通信模块则连接上位机；电源模块为整个装置供电。

简化后的具体工作原理如图2所示，DSP根据主计算机提供的指令角速度与同步信号，经计算后得到相应的PWM信号，当PWM信号进入功放芯片时，DSP根据同步信号通过继电器控制电机驱动模块的供电，最终从电机驱动模块输出驱动电机的PWM信号(27V)。CPLD主要负责信号采集，信号主要包括旋转机构的测角信号、温度传感器信号、以及功放芯片返回的监控信号，DSP根据采集到的信号监控系统各部分性能。当系统出现故障的时，DSP根据不同的情况做出不同的处理。具体各部分检测流程如下所示。

(1)当数据采集模块采集的测角装置信号会突然发生较大变化时，若DSP通过对两次测角信号的值作差，计算的旋转机构转速超过设定阈值，DSP会以为控制装置出现故障，就会发出信号切断电机驱动电源，同时发出报警信号给上位机。

(2)温度信号检测部分程序框图如图3所示。温度传感器通过信息采集模块将当前系统的温度送至主控单元DSP，当系统温度就会发生变化时，DSP根据实际工作环境，将系统温度分为超低(小于-40°)、较低(-40°至-20°)、正常(-20°至60°)、较高(60°至85°)和超高(大于85°)几个范围。若温度处于正常工作范围内时，不启动风扇或加温片；若系统温度值处于较低范围内时，DSP会发出信号至控制加温片的继电器使加温片开始工作而保持控制风扇继电器关闭；若系统温度继续降低至超低温度范围，超出大多数芯片的正常工作范围，DSP会发出关闭信号切断控制电机驱动芯片的继电器来保护系统安全；同样当系统处于较高温度范围时，DSP会打开风扇而关闭加温片，处于超高范围时DSP会切断电机切断电源，同时发送报警信号给上位机。

(3)系统振动信号检测部分程序框图如图4所示。当振动传感器信号的幅值和频率发生变化时，DSP会根据检测到的不同的信号进行不同的处理。若检测到的振动信号的幅值较大但不超过幅值而频率几乎接近于零则系统所在的载体可能在做加速运动，DSP对此信号不做出处理；若系统振动信号的幅值不断增大也未超过阈值且振动频率接近不变则可能出现谐振，DSP此时会稍调控制程序的中的PID参数；若振动信号的幅值或频率超过阈值则DSP会切断电机的驱动电源，并发出报警信号到上位机。

(4)当电机的驱动电路出现欠压、超温、过载和短路等故障时，电机驱动芯片会检测到这些故障，并将故障信号与传给DSP，DSP在接收到此故障信号后，继电器切断相应电机的驱动电源来保护整个装置，同时发送报警信号给上位机。

核心主控单元由TI公司的TMS320F28335浮点型数据处理器为核心，TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，有多大18路的PWM输出，其中有6路TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)。得益于浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，性能平均提高50％。其部分原理图如图5所示。

信号采集模块主要由CPLD芯片EPM1270、数据采集芯片SN65175、电平转换模块1以及外围电路组成。EPM1270还要根据采集的信号对控制装置进行实时监控；温度传感器、光栅的输出信号由数据采集芯片SN65175采集，SN65175为四路差动线路接收器，由于其输出的信号为5V逻辑，而CPLD为3.3V逻辑，因此采集到的信号在进入CPLD之前需要经过电平转换。具体部分采集原理图如图6所示，其中4脚和12脚需要接5V，并与地之间加入去耦电容。

与上位机的通讯模块以MAX3223为核心，采用RS-232通信协议，具体的原理图如图7所示，所用的为DSP的两路SCI模块。CPLD将采集的信号传输给DSP，DSP接收后打包发给上位机。

为了达到较快的传输速度，同时为了保护DSP，从DSP输出的PWM信号在进入光耦隔离芯片之间经过了数据总线传输模块，总线传输芯片采用的是54HC245，此部分的原理图如图8所示。

由于本电路同时涉及数字信号与功率信号，为避免相互干扰需要用光耦隔离芯片将数字信号与功率信号进行隔离。所选的光耦隔离芯片为HCPL-2631，此部分的原理图如图9所示，光耦为5V供电，一片光耦只能实现2路信号的隔离，因此共用了14片，从光耦输出的信号还需要5V上拉。

电平转换模块在本电路中是不可缺少的，DSP、CPLD以及电机驱动芯片为3.3V逻辑，而光耦隔离芯片和信号采集芯片均为5V逻辑，因此需要电平转换模块实现电平的转换。电平转换芯片采用的是SN74ALVC164245，此芯片具有16路通道，可实现5V到3.3V的转换。此部分的原理图如图10所示，需要说明的是在此芯片的转换的两端VCCA与VCCB引脚均需接入0.1uf的去耦电容。

电机驱动模块接收来自DSP的PWM信号，并将PWM信号进行功率放大，产生驱动电机旋转的信号。驱动芯片采用集成驱动芯片DRV8332，DRV8332工作电压可达50V，连续相电流可达8A(峰值13A)，PWM工作频率高达500kHz，并可返回故障信号。这一部分的原理图如图11所示，芯片工作时需要加12V的电压，12V电压和功率地之间需要接入电容。而用来对PWM信号进行功率放大的电压采用27V，此27V电压由DSP根据同步信号控制继电器获得。与信号为DRV8332返回的监控的信号。

电源模块为整个电路板供电，整个装置为27V供电，需要12V、5V、3.3V的电压，需要用到电压转换模块对27V进行转换。用到的芯片由LM7805CT、LM7812CT和LM1085，为保证工作的稳定性，不同模块需要的电压由不同的电压转换芯片独立转换。但是为保证DSP电压的稳定，DSP的电压由TPS767D318提供，这部分的原理图如图12所示。

上位机用来对DSP施加指令角速度，并接收来自DSP的各种信号，并将当前旋转机构的位置、电机的信号、温度呈现在界面上，同时有工作正常运行与故障的指示信号。具体的界面示意图如图13所示。上位机用Labview软件编写，与DSP之间通过通讯模块实现串口通信。

在控制算法方面，当旋转机构以匀速(本实例为6°/s)进行正反转运动时，在正向旋转角度即将达到360°时，DSP提前降低PWM的占空比使电机提前减速而在反转开始时增大PWM的占空比，使旋转机构快速达到匀速运动，如此可以实现正反转的平稳过渡。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，该装置主要包括以DSP为核心的主控单元、以CPLD为核心的信号采集模块、通讯模块、光耦隔离模块、电平转换模块1、电平转换模块2、电机驱动模块以及电源模块；DSP为本装置的控制核心，接收来自外部的电机旋转指令与同步信号，并连接信号采集模块、总线传输模块、电平转换模块1和通讯模块；信号采集模块以一片CPLD为核心，包含集成数据采集芯片，采集旋转机构转角、温度、系统振动信号以及电机的监测信号；总线传输模块连接光耦隔离模块，光耦模块连接电平转换模块2，电平转换模块2连接电机驱动模块；通信模块则连接上位机；电源模块为整个装置供电，由于系统可能会因为故障或工作环境出现飞车、系统温度过高或过低、系统振动幅值过大及某些电路方面的故障，因此在软件方面，DSP根据采集到的测角装置信号、温度信号、系统的振动信号以及电机驱动芯片的故障监测信号实现对整个控制装置的实时监控，当系统出现故障时DSP会通过继电器切断功放芯片的电源，保证整个系统的安全，在控制算法方面，当旋转机构以匀速进行连续正反转运动时，运用了主动控制策略，保证了系统控制的精确度。

2.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，所述的以DSP为核心的主控单元由TI公司的TMS320F28335及其外围电路组成；信号采集模块主要由CPLD芯片EPM1270、数据采集芯片SN65175、电平转换模块1以及外围电路组成；总线传输模块由54HC245及其外围电路组成。

3.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，所述的光耦隔离模块由光耦器件HCPL-2631组成，电平转换模块由SN74ALVC164245及其外围电路构成。

4.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，所述的通信模块由MAX3223及其外围硬件电路构成；电机驱动模块由集成功放芯片DRV8332、继电器及外围电路组成；电源模块由27V转12V、5V以及5V转3.3V构成，电压转换芯片为LM7805CT、LM7812CT和LM1085，但是为保证DSP电压的稳定，DSP的电压由TPS767D301提供。

5.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，当控制系统由于某种原因出现旋转机构旋转的角度与目标转角不一致，出现较大的偏差，或者电机失去控制，出现飞车现象时，数据采集模块采集的测角装置信号会突然发生较大变化，而DSP在接收到测角装置的信号后会对比两次测角信号的值，若计算的旋转机构转速超过设定的阈值，DSP会以为控制装置出现故障，就会发出信号经过总线传输模块、光耦隔离模块到达电机驱动模块使控制电机的继电器断开，切断电机驱动电源，同时发出报警信号给上位机，上位机报警信号指示灯亮，正常工作指示灯暗。

6.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，当系统在完全密闭且复杂的环境下工作时，系统温度就会发生变化，温度传感器将通过信息采集模块将当前系统的温度送至主控单元DSP，DSP将系统温度分为超低、较低、正常、较高和超高几个范围，若温度处于正常工作范围内时，不启动风扇或加温片；若系统温度值处于较低范围内时，DSP会发出信号至控制加温片的继电器使加温片开始工作而保持控制风扇继电器关闭；若系统温度继续降低至超低温度范围，超出大多数芯片的正常工作范围，DSP会发出关闭信号切断控制电机驱动芯片的继电器来保护系统安全；同样当系统处于较高温度范围时，DSP会打开风扇而关闭加温片，处于超高范围时DSP会切断电机切断电源，同时发送报警信号给上位机，上位机报警信号指示灯亮，正常工作指示灯暗。

7.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，当系统由于某些故障或系统工作在移动的载体上，当载体加速运动时，振动传感器信号的幅值和频率就会发生变化，以CPLD为核心的信号采集模块将振动信号通过数据总线送至DSP时，DSP会根据检测到的不同的信号进行不同的处理。若检测到的振动信号的幅值较大但不超过幅值而频率几乎接近于零则载体可能在做加速运动，DSP对此信号不做出处理；若系统振动信号的幅值不断增大也未超过阈值且振动频率接近不变则可能出现谐振，DSP此时会稍调控制程序的PID参数；若振动信号的幅值或频率均超过阈值则DSP会切断电机的驱动电源，并发出报警信号到上位机，上位机报警信号指示灯亮，正常工作指示灯暗。

8.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，当电机的驱动电路出现欠压、超温、过载和短路等故障时，电机驱动芯片会检测到这些故障，并将故障信号通过光耦隔离模块、总线传输模块传给DSP，DSP在接收到此故障信号后，同样通过继电器切断电机的驱动电源来保护整个装置，同样也会发送报警信号给上位机，上位机报警信号指示灯亮，正常工作指示灯暗。

9.根据权利要求1所述的具有实时故障监控能力的三轴旋转机构控制装置，其特征在于，当旋转机构以恒定的速度进行正反转运动时，在正向旋转角度即将达到360°时，DSP提前降低PWM的占空比使电机提前减速而在反转开始时增大PWM的占空比，使旋转机构快速达到匀速运动，如此可以实现正反转的平稳过渡。