CN105527899A - 基于am4379处理器的伺服控制器 - Google Patents

基于am4379处理器的伺服控制器 Download PDF

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葛兵
余毅
蔡立华
林兆华
杨宁
刘鑫
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/24—Pc safety
    • G05B2219/24088—Simulate process graphically using feedback from real, to prevent or repair

Abstract

本发明涉及一种基于AM4379处理器的伺服控制器，包括：主FPGA，其用来控制AD、串口、CPCI接口功能；所述主FPGA与ARM和DSP相连；存储FPGA，其用来控制自定义的CPCI接口逻辑和数据存储；所述存储FPGA与所述主FPGA和存储器相连；该伺服控制器可接收外部信息，经过控制运算输出调宽波到功率级，驱动电机带动设备转动。本发明的基于AM4379处理器的伺服控制器，运用现代计算机控制技术及数字电路设计技术，采用TI公司的最新的ARM实现复杂融合跟踪算法，通过人机界面简化了光电跟踪设备各系统和跟踪架各项参数检测和测试，有利于提高生产质量和定位设备故障。

Description

基于AM4379处理器的伺服控制器
技术领域
本发明属于伺服控制系统领域，具体涉及一种基于AM4379处理器的伺服控制器。
背景技术
随着靶场要求复杂度和精确度的提高，对经纬仪等光学测量设备的伺服跟踪能力要求越来越高，例如高精度快速跟踪、低速稳定跟踪和复杂弹道的精密跟踪等。这些要求迫使伺服控制系统应用各种复杂控制算法，相应的要求伺服控制器足够强的运算能力。另一方面，由于伺服控制的专业性强，非控制专业人员很难理解。采用图形界面方式增加伺服控制系统的可视性和可维护性，使非控制专业人员亦能进行简单的测试和操作。以往控制器CPU一般采用单片机或者DSP，一方面运算能力有限，满足不了复杂控制算法要求；另一方面不能提供可视化的人机交互界面。所以迫切需要设计高性能的伺服控制器实现以上功能。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于AM4379处理器的伺服控制器。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种基于AM4379处理器的伺服控制器，包括：
主FPGA，其用来控制AD、串口、CPCI接口功能；所述主FPGA与ARM和DSP相连；
存储FPGA，其用来控制自定义的CPCI接口逻辑和数据存储；所述存储FPGA与所述主FPGA和存储器相连；
该伺服控制器可接收外部信息，经过控制运算输出调宽波到功率级，驱动电机带动设备转动。
在上述技术方案中，该基于AM4379处理器的伺服控制器还包括：
动态电源，其可根据处理器负载和计算实时情况，动态地将供电电压调节到所需的水平，达到能耗与性能的最优匹配，可以自动限制电流，保护AM4379处理器。
在上述技术方案中，所述AM4379处理器可运行伺服的双线性控制算法、Kalman预测滤波算法。
在上述技术方案中，所述AM4379处理器的电机控制功能包括：PWM输出、FOC控制算法，每个PRU包含3通道的EnDat2.2和9通道的δ-ΔSinc2滤波。
在上述技术方案中，所述存储器的大小为4GB。
本发明具有以下的有益效果：
本发明的基于AM4379处理器的伺服控制器，运用现代计算机控制技术及数字电路设计技术，采用TI公司的最新的ARM实现复杂融合跟踪算法，通过人机界面简化了光电跟踪设备各系统和跟踪架各项参数检测和测试，有利于提高生产质量和定位设备故障。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的基于AM4379处理器的伺服控制器的连接结构示意图。
图2为本发明的基于AM4379处理器的伺服控制器的工作过程示意图。
具体实施方式
本发明的发明思想为：本发明采用TI高性能的AM4379处理器，为复杂控制算法提供硬件平台。在Linux操作系统下开发伺服控制系统的图形界面，使系统的设计和调试过程可视化，方便伺服控制系统的调试，也方便了非控制专业人员对伺服控制系统和整个跟踪架进行测试和维护。
本发明设计了一套基TISitaraAM4379处理器为核心的嵌入式伺服控制器。该处理器基于高性能32位RISC，运行速度最高达1GHz，在该处理器上运行伺服的双线性控制算法、Kalman预测滤波算法等其他控制运算。该处理器包含了可编程实时控制单元，工业通讯子系统(PRU-ICSS)，使器件同时具备了工业网络协议和控制功能。电机控制功能包括PWM输出、FOC控制算法，每个PRU包含3通道的EnDat2.2和9通道的δ-ΔSinc2滤波。使用这些控制单元使对外网络通讯更加灵活。
采用AM4379处理器实现控制算法显示输出、USB接口和网络通信。采用了两个FPGA实现外部逻辑时，使设计更加灵活。在主FPGA主要实现AD、串口、CPCI接口等，在存储FPGA中实现自定义的CPCI接口逻辑和数据存储功能。伺服控制器接收各种外部信息，经过控制运算输出调宽波到功率级，驱动电机带动设备转动。本发明的基于AM4379处理器的伺服控制器可以单独使用，也可以插在CPCI工控机上使用，可以通过CPCI自定义总线，和其他CPCI设备通讯。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
从图1原理框图可以看出，本发明主要由CPU(AM4379)和两个FPGA组成。主要算法在CPU中实现，在FPGA中实现外部接口逻辑和数据的转移处理。
CPU通过FPGA实现网口、CPCI接口、AD接口、IO口和串口数据读取，包括编码器位置值、单杆值、图像处理器信息、引导信息等，然后经过各种控制算法的运算，输出计算结果即调宽波占空比到FPGA，FPGA把占空比转换为相应的调宽波输出到功率放大器。
在AM4379上采用Linux操作系统，用Qt进行GUI程序开发。在ARM内核中开发应用程序界面，并实现实时性要求不高、帧频较低的功能，例如显示输出、指令输入和数据记录等功能，和伺服复杂的融合算法和位置回路的计算。由于速度回路运行帧频在1000Hz以上，并且要求实时性比较高。本发明用AM4379中的可编程实时子系统(PRU)实现该功能。该子系统与ARM内核相独立，能够更灵活有效的编程，满足速度回路对高帧频和实时性的要求。
由于伺服控制系统外围接口的多样性和负责性，设计了简单灵活的接口板。采用两个QSE-40与主板连接，当外围接口改变时，无需改变主板，只需要更换接口板就可以满足需求。本发明中设计了串口和IO接口板。由FPGA的串口模块输出串口信号经由QSE-40到接口板后转成差分信号输出。
电源方案采用了基于数字电源控制器UCD9248的动态电源方案，可以帮助监测输入输出电压电源，向处理器内核提供稳定的工作电压，提高处理器工作稳定性；根据处理器负载和计算实时情况，动态地将供电电压调节到所需的水平，达到能耗与性能的最优匹配，可以自动限制电流，保护处理器。主要包括PWM电源控制器、电感滤波电路、反馈网络和PMBus控制管理接口。采用TI公司开发的FusionDigitalPowerDesigner软件，在PC机上通过PMBus总线对电源系统进行配置和监控。
采用了QT开发应用程序界面。可以通过该界面实现伺服控制参数的配置，测试跟踪架频率特性并输出数据，显示输入输出数据等。工作过程如图2所示。先初始化系统和控制参数，然后读取外部的编码器位置信息、图像处理器数据、外引导数据、单杆数字量等信息，把这些数据经过数据融合算法得到目标位置和速度信息，然后经过位置回路和速度回路控制运算，输出调宽波占空比。其中速度回路的运行周期是1000Hz，在AM4379的PRU中实现。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于AM4379处理器的伺服控制器，其特征在于，包括：
主FPGA，其用来控制AD、串口、CPCI接口功能；所述主FPGA与ARM和DSP相连；
存储FPGA，其用来控制自定义的CPCI接口逻辑和数据存储；所述存储FPGA与所述主FPGA和存储器相连；
该伺服控制器可接收外部信息，经过控制运算输出调宽波到功率级，驱动电机带动设备转动。
2.根据权利要求1所述的基于AM4379处理器的伺服控制器，其特征在于，还包括：
动态电源，其可根据处理器负载和计算实时情况，动态地将供电电压调节到所需的水平，达到能耗与性能的最优匹配，可以自动限制电流，保护AM4379处理器。
3.根据权利要求1所述的基于AM4379处理器的伺服控制器，其特征在于，所述AM4379处理器可运行伺服的双线性控制算法、Kalman预测滤波算法。
4.根据权利要求1所述的基于AM4379处理器的伺服控制器，其特征在于，所述AM4379处理器的电机控制功能包括：PWM输出、FOC控制算法，每个PRU包含3通道的EnDat2.2和9通道的δ-ΔSinc2滤波。
5.根据权利要求1所述的基于AM4379处理器的伺服控制器，其特征在于，所述存储器的大小为4GB。
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