CN105450103A - 一种多轴无刷直流电机同步控制系统 - Google Patents

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王凌伟
陈奎
呼明亮
赵刚
於二军
秦冲
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
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    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明属于先进制造和自动控制技术领域，具体涉及一种多轴无刷直流电机同步控制系统。该系统包括多个DSP控制器、多个电机状态采集电路和多个无刷直流电机驱动电路；其特征在于：还包括一个控制器同步电路；所述控制器同步电路包括时钟芯片、FPGA芯片、多个RAM芯片；所述FPGA芯片的时钟信号输入端与时钟芯片连接；所述多个RAM芯片均通过其数据信号接口和地址接口与FPGA芯片连接；每个DSP控制器均通过数据信号接口、地址信号接口、时钟线信号接口以及同步信号接口与FPGA芯片连接。该系统有效的解决了同步控制系统元器件种类多、硬件接线复杂和同步延迟较大的问题。

Description

一种多轴无刷直流电机同步控制系统
技术领域
本发明属于先进制造和自动控制技术领域，具体涉及一种多轴无刷直流电机同步控制系统。
背景技术
一种由四台无刷直流电机组成的同步控制系统，其每个电机带动偏心轮同步转动，实现输出方向可调大小可调的往复力，此系统可用于主动隔振控制领域。传统的无刷直流电机控制系统其硬件一般由无刷直流电机、电机驱动电路、电机状态采集电路以及DSP控制器组成，软件通过实时采集电机状态信息，经电机控制算法处理单元产生驱动信号，驱动电机旋转。
传统的控制系统其硬件电路复杂，软件复杂度高，可靠性低。该控制系统的另外一个缺陷在于：当系统中有多个电机需要控制时，需要配置多套控制系统，多套电机控制系统之间通过通讯总线连接时，延时较大，无法保证多个电机的同步控制，导致多个电机需要长时间协同调整，进而影响了控制系统的动态响应速度和稳态控制精度。
发明内容
本发明针对由多轴无刷直流电机组出的同步控制系统元器件种类多、硬件接线复杂和同步延迟较大，控制系统同步不足之处，提出的一种多轴无刷直流电机同步控制系统的改进设计。
本发明的具体技术方案是：
本发明提出了一种多轴无刷直流电机同步控制系统，包括多个DSP控制器、多个电机状态采集电路和多个无刷直流电机驱动电路；其特征在于：还包括一个控制器同步电路；
所述控制器同步电路包括时钟芯片、FPGA芯片、多个RAM芯片；所述FPGA芯片的时钟信号输入端与时钟芯片连接；所述多个RAM芯片均通过其数据信号接口和地址接口与FPGA芯片连接；每个DSP控制器均通过数据信号接口、地址信号接口、时钟线信号接口以及同步信号接口与FPGA芯片连接。
基于上述的多轴无刷直流电机同步控制系统，现对其控制方法进行描述，其特征在于，包括以下步骤：
1)系统上电，时钟芯片产生时钟信号；
2)FPGA芯片根据时钟芯片提供的时钟信号计时输出同步信号分别发送给多个DSP控制器，多个DSP控制器在同一时刻启动运行；
3)FPGA芯片通过多个电机状态采集电路获取多个电机的工作状态信息，并将其存入多个RAM芯片中；
4)多个DSP控制器分别通过FPGA芯片读取多个RAM芯片中存储的电机工作状态信息，并结合同步信号实现多个电机的同步控制。
上述电机的工作状态信息包括旋转变压器产生的位置和速度信息，电机的电流信息。
本发明的优点在于：
1、本发明采用多个DSP控制器、多个电机状态采集电路和多个无刷直流电机驱动电路一体化，提高了性能可靠性，减少体积重量，降低了产品成本；通过控制器同步电路，实现了多个电机的同步工作；通过电机状态采集电路，实时获取电机的工作状态，具备系统的状态监控功能。
附图说明
图1是本发明多轴无刷直流电机闭环控制系统总体结构简图；
图2是本发明DSP控制器软件设计流程图。
具体实施方式
一种由多轴无刷直流电机组成的闭环控制系统，包括一个控制器同步电路、多个DSP控制器、多个电机状态采集电路和多个无刷直流电机驱动电路。
其中，控制器同步电路，根据统一时钟产生控制周期，获取多个电机的工作状态信息，完成DSP控制器之间信息的实时共享，从而实现多个无刷直流电机的同步运行；
具体地说，DSP控制器负责无刷直流电机运动方式控制信号的输出；
具体地说，电机状态采集电路，反馈无刷直流电机运行位置和速度信息，以及电机的工作电流信息；
具体地说，无刷直流电机驱动电路负责将DSP控制器发出的控制信号转化为无刷直流电机的功率驱动信号，实现功率放大功能。
如图1所示，具体来说，控制器同步电路包括时钟芯片、FPGA芯片、多个RAM芯片；FPGA芯片的时钟信号输入端与时钟芯片连接；多个RAM芯片均通过其数据信号接口和地址接口与FPGA芯片连接；每个DSP控制器均通过数据信号接口、地址信号接口、时钟线信号接口以及同步信号接口与FPGA芯片连接。
该系统的控制方法如下：
步骤1)系统上电，时钟芯片产生时钟信号；
步骤2)FPGA芯片根据时钟芯片提供的时钟信号计时输出同步信号分别发送给多个DSP控制器，多个DSP控制器在同一时刻启动运行；
步骤3)FPGA芯片通过多个电机状态采集电路获取多个电机的工作状态信息，并将其存入多个RAM芯片中；
步骤4)多个DSP控制器分别通过FPGA芯片读取多个RAM芯片中存储的电机工作状态信息，并结合同步信号实现多个电机的同步控制。
其中，电机的工作状态信息包括旋转变压器产生的位置和速度信息，电机的电流信息。
控制器同步电路负责各DSP控制器同步运行。该控制器同步电路提供了多个DSP控制器统一的时钟驱动，控制器的运行周期具有一致的时间周期；该控制器同步电路提供给DSP控制器同步信号，DSP控制器根据同步信号进行控制周期的启动；该控制器同步电路提供数据共享区，将采集到的电机运行位置等信号放入数据共享区，DSP控制器因此可获得全部电机的位置信号。
在DSP同步电路交互的信息中增加DSP控制器的位置控制、速度控制和电流控制等信息，使此系统具有控制器运行状态监控功能，即在运行过程中多个DSP控制器可以进行相互之间的状态监控，并进一步判断出全系统的工作状态。如果一个DSP控制器运行异常，其DSP控制器可检测到故障并发出报警信号。
电机状态采集电路负责采集旋转变压器的信号、霍尔电流信号，精确测量电机的转子角位移和电机电流，存储在RAM芯片并反馈给DSP控制器。DSP控制器根据采集到电机的位置信号和电流信号，实现电机伺服控制，保证多台无刷直流电机在确定的时刻转到确定的位置。在此基础上可以设计带动偏心轮的转动，根据转速相同，转动方向相反，从而形成在平面内任一方向大小可调的往复力。
DSP控制器负责无刷直流电机的转动驱动，根据设置指令和转子位置反馈信息计算出输出无刷直流电机运动所需要的驱动逻辑；该控制器提供了所有与数字运动控制有关的功能，包括位置控制、速度控制及电流控制等无刷直流电机常用的控制功能；同时读取电机状态采集电路反馈的位置信息，并将反馈信息加入到控制算法中；当出现异常现象时做出相应的保护措施并发出报警信号。
无刷直流电机驱动电路负责将DSP控制器发出的控制信号转化为无刷直流电机的功率驱动信号，实现使无刷直流电机运转的功率放大功能。通过DSP控制器中软件程序的处理，多台电机同步运行，这样驱动电路各端口在电气硬件接口上与控制单台电机的驱动能力无异，并不增加驱动电路的硬件开发复杂度。
如图2是本发明DSP控制器软件设计流程图。
1、产品上电系统进入初始化并将指令存储地址单元的数据清零。其目的在于清除上一次的指令，以免造成误动作。然后判断电机当前的位号，并根据位号确定其运行状态。
2、电机初始化进行无刷直流电机的启动，以及根据各自不同位号设置运行的参数，如方向、转速和位置等，然后根据电机的运行的情况判断电机是否进入稳定的运行状态，如果电机未进入稳定转动状态，继续保持在电机的启动状态，直至所有电机全部进入稳定工作状态。
3、读取同步信号，通过同步电路获得获取电机当前的位置等状态信息，再获得其他电机的位置等状态信息，通过获取到的信息，判断当前电机的位置和预期位置的偏差，从而计算出电机控制的指令。
4、控制电机信号输出过程是对电机控制指令的输出，对电机运行时的电流、转速和位置进行闭环控制。
通过上述软件流程实现了对无刷直流电机的控制。DSP控制软件根据接收同步信号和获取的位置等信息进行解算，形成电机的控制指令(如转速、相位等)发送给驱动电路；该软件控制包括速度控制、位置控制等无刷直流电机常用的控制功能；当出现异常现象时做出相应的保护措施并发出报警信号。

Claims (3)

1.一种多轴无刷直流电机同步控制系统，包括多个DSP控制器、多个电机状态采集电路和多个无刷直流电机驱动电路；其特征在于：还包括一个控制器同步电路；
所述控制器同步电路包括时钟芯片、FPGA芯片、多个RAM芯片；所述FPGA芯片的时钟信号输入端与时钟芯片连接；所述多个RAM芯片均通过其数据信号接口和地址接口与FPGA芯片连接；每个DSP控制器均通过数据信号接口、地址信号接口、时钟线信号接口以及同步信号接口与FPGA芯片连接。
2.根据权利要求1所述的多轴无刷直流电机同步控制系统的控制方法其特征在于，包括以下步骤：
1)系统上电，时钟芯片产生时钟信号；
2)FPGA芯片根据时钟芯片提供的时钟信号计时输出同步信号分别发送给多个DSP控制器，多个DSP控制器在同一时刻启动运行；
3)FPGA芯片通过多个电机状态采集电路获取多个电机的工作状态信息，并将其存入多个RAM芯片中；
4)多个DSP控制器分别通过FPGA芯片读取多个RAM芯片中存储的电机工作状态信息，并结合同步信号实现多个电机的同步控制。
3.根据权利要求2所述的多轴无刷直流电机同步控制系统的控制方法其特征在于：所述电机的工作状态信息包括旋转变压器产生的位置和速度信息，电机的电流信息。
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