CN106712596B - 一种基于双核mcu的永磁同步电机伺服驱动器 - Google Patents

一种基于双核mcu的永磁同步电机伺服驱动器 Download PDF

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Abstract

一种基于双核MCU的永磁同步电机伺服驱动器及控制方法，用于对永磁同步电机进行高精度位置伺服控制，其硬件部分主要包括双核MCU电路、位置传感器接口电路、功率放大电路、外设接口电路和通讯接口电路。一方面，该驱动器将电机控制算法和通信控制协议分别采用独立的微控制器内核来处理，保证了通信的实时性，并消除了通信对于控制算法性能的影响。另一方面，该驱动器既可以依靠位置传感器控制电机，也可以运行无位置传感器控制算法，并可通过软件在两种工作模式下实时切换以提高系统的可靠性。

Description

一种基于双核MCU的永磁同步电机伺服驱动器
技术领域
本发明涉及一种基于双核MCU(Microcontroller Unit微控制器单元)的永磁同步电机伺服驱动器及控制方法，用于永磁同步电机的伺服控制，具有多种位置传感器和通信接口，能够在位置传感器失效情况下，实时切换到无位置传感器控制算法，实现伺服驱动器在此故障下不用停机的高可靠驱动。
背景技术
永磁同步电机与其他类型的电机相比，具有结构简单，功率/体积比大，力矩输出性能好等优势，被广泛应用在高精度机床、工业机器人、电动汽车、采煤机械等各种自动控制领域。而高性能高可靠的永磁同步电机驱动器及控制方法则是其推广应用的重要保证。
现有的永磁同步电机伺服驱动器主要存在以下两方面的问题：(1)随着工业总线的发展以及电机复杂控制算法的深入应用，基于单DSP的传统伺服控制器在进行电机驱动的同时还需要进行总线通讯协议的转换，因此很难保证通信的实时性，而延时也降低了电机控制环节的控制裕度。为了保证工业总线通信的实时性，永磁同步电机伺服系统通常采用ARM+DSP或ARM+DSP+FPGA的形式，但是这种架构需要较多的配套元器件，提高了控制电路的复杂程度与成本，限制了其在空间有限、集成度高等场合中的应用。(2)依赖位置传感器运行，当前商用永磁同步电机伺服系统依赖位置传感器实时提供的转子位置信息来实现磁场定向FOC或者直接转矩控制DTC等算法，由于位置传感器安置在电机端或负载端，受到复杂恶劣的工况下的电磁干扰、电机振动以及编码器自身器件寿命等因素的影响，位置传感器成为整个伺服驱动系统中最为脆弱的环节，为了提高伺服驱动系统的可靠性，可以采用无位置传感器控制算法实现电机驱动，但是由于算法的限制、实际的工况复杂多变，单独的无传感器控制算法的性能很难和实际的位置传感器位置信息相比，传统的永磁电机基本采用位置传感器进行驱动，在位置传感器出现故障时进行简单报警与停车，而瞬间停车一方面带来财产损失，另一方面由于留给相关人员响应时间很短，很容易造成其他设备损坏甚至危及人员的安全。
发明内容
本发明的技术解决问题：针对现有的永磁同步电机驱动系统在进行伺服控制过程中，一方面现场总线通信功能与电机控制算法日益复杂，单核的DSP很难满足需求，而增加协处理器芯片的方式不利于系统集成且增加成本的问题，另一方面依赖于位置传感器实时提供位置信息来进行电机驱动，出现故障后只能停机等问题，提出一种基于双核MCU的永磁同步电机驱动器及控制方法。
本发明的技术解决方案：一种基于双核MCU的永磁同步电机伺服驱动器，包括以下部分：
双核MCU电路(1)：与位置传感器接口电路(2)、功率放大电路(3)、外设接口电路(4)以及通讯接口电路(5)相连接。双核MCU电路(1)在运行过程中通过通讯接口电路(5)与上位机实时通讯，接收控制指令并传输伺服驱动器的状态数据。此外，双核MCU电路(1)能够通过外设接口电路(4)中的AD接口接收模拟指令，然后输送至双核MCU的第一处理器内核中进行数模转换，位置传感器接口电路(2)将位置传感器的信息输送给双核MCU的第二处理器内核中，与给定的位置信息进行作差，利用该误差信号进行控制，另外，伺服驱动器在运行过程中，双核MCU的第一处理器内核中会并行的运行转子无位置传感器算法，对转子位置进行实时估计，并将该估计值与实际接收到的位置传感器信号值进行比较作差，如果该误差值不超过所述伺服驱动器调试参数运行时得到的最大误差的两倍，则认为位置传感器正常工作，否则只采用无传感器控制算法估计出的转子位置信息，然后将转子位置信息传输到双核MCU的第二处理器内核中执行电机控制算法，并将计算得到的控制量输送至功率放大电路(3)进行放大，驱动永磁同步电机；
位置传感器接口电路(2)：主要由Hall传感器接口、增量式编码器接口和BISS-C及SSI接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与双核MCU电路(1)相连接，伺服驱动器运行时，位置传感器接口电路(2)将外部Hall位置传感器、增量式编码器、BISS-C和SSI接口电路的位置传感器输出的电平信号转换为3.3V LVCMOS电平传输给双核MCU电路(1)中的第一处理器内核进行处理；
功率放大电路(3)：主要由三相半桥驱动电路和刹车制动开关管组成，与双核MCU电路(1)相连接，接受其发送的PWM电压控制信号，并且实时将该控制信号进行放大，驱动电机，或者进行电机的刹车制动；
外设接口电路(4)：主要由DA接口电路、AD接口电路、IO接口电路以及SD接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与双核MCU电路(1)的第一处理器内核相连接，伺服驱动器正常运行时，接收外部0～5V的位置、速度及力矩的标准模拟指令信息输入，同时可以将双核MCU电路(1)输出的控制量转化为0～5V的模拟电压信号，此外可以通过IO接口接收外部的0～24V的数字电平信号作为指令输入，而SD接口则可以和SD卡连接，进行伺服驱动器程序的升级与存储；
通讯接口电路(5)：主要由CAN接口、RS232接口和EtherCAT接口并行组成，各部分电路独立运行，与双核MCU电路(1)的第一处理器内核相连接，伺服驱动器正常运行时，可以通过配置使用RS232和PC上位机相连接，而CAN接口和EtherCAT接口则主要作为总线系统与主机相连接，将上位机或主站的指令实时传送至双核MCU电路(1)的第一处理器内核中，同时将伺服控制器的状态信息实时进行上传。
所述双核MCU电路(1)中MCU芯片采用F28M35E20B芯片作为控制核心芯片。
所述双核MCU电路(1)采用独立的第二处理器内核进行位置传感器协议的解算，能够同时支持BISS-C、SSI编码器协议。
所述电机伺服控制的具体步骤为：
(1)系统上电后，DSP首先加载主控制程序并完成上电系统自检；
(2)系统自检正常后，执行进行系统状态监控以及与上位机的通讯；
(3)伺服驱动器开始执行电机驱动算法，首先伺服驱动器首先采用由第二处理器内核采集的传感器位置信息驱动电机进行试运行。然后，系统在正常运行过程中，利用实时采集的电机电流和电压信息，根据预设的电机模型，伺服驱动器利用位置传感器获得的位置信号，一方面驱动电机运行，另一方面则反馈给滑模观测器环节，利用位置传感器的位置信息和滑模观测器观测到的信息的差值，进行滑模观测器控制参数的校正，当两者差值小于设定的容限值时，那么观测器校正环节完成；最后，系统观测器校正环节完成之后，观测器开始进入监测环节，即此时电机运行时，不断监测观测器输出和位置传感器输出，在电机运行时，如果两者差别较大，超过了设定容限值的两倍，那么则认为伺服驱动器的位置传感器出现故障，此时发出警报信息，同时伺服驱动器采用滑模观测器输出的位置信号来驱动电机，保证伺服驱动器在位置传感器故障时的不停机运行。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过改进传统永磁同步电机伺服驱动器的硬件，采用双核MCU的控制架构，在进行位置伺服控制的过程中，根据采集到的电压与电流信息利用滑模观测器进行位置估计，同时将估计的信息和实际的位置传感器信息相比较，利用两者的差值校正滑模观测器的控制参数，在位置传感器出现故障时能够保证电机无缝切换至滑模观测器下进行伺服控制。与现有的永磁同步电机伺服驱动器相比具有以下特点：
(1)和传统的基于单DSP或DSP+FPGA架构的永磁同步电机伺服驱动器相比，本发明具有明显的优点：伺服驱动器采用双核MCU作为主控制单元，将通讯协议和复杂的电机控制算法分别使用两个内核进行处理，这样能够将通讯延迟对于电机控制算法的影响降到最低，保证了算法的高效率执行，由于具有独立的内核进行位置传感器信息处理，采用软件算法能够支持较多的位置传感器，扩展了伺服驱动器的应用范围。
(2)和传统的永磁同步电机位置伺服驱动器相比，本发明能够同时支持位置传感器输入和基于滑模观测器的转子无位置控制算法，同时会利用传感器输出的位置信息对滑模观测器的控制参数进行自动校正，一方面能够兼容原有的基于有位置传感器的伺服驱动器，另一方面也可以独立运行无位置传感器控制算法，也可以将两者同时运行，使得所提出的永磁同步电机伺服驱动器具有较高的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图2为本发明的双核MCU电路
图3为本发明的位置传感器接口电路；
图4为本发明的外设接口电路；
图5为本发明的功率放大电路；
图6为本发明的通讯接口电路；
图7为本发明的电机伺服控制流程图；
图8为本发明的控制算法框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明主要由双核MCU电路1、位置传感器接口电路2、功率放大电路3、外设接口电路4、通讯接口电路5组成。其中双核MCU电路1是系统核心电路，与位置传感器接口电路2、功率放大电路3、外设接口电路4以及通讯接口电路5相连接。系统在运行过程中通过通讯接口电路5与上位机实时通讯，接收控制指令并传输系统的状态数据。此外系统也可以通过外设接口电路4中的AD接口接收模拟指令，然后输送至双核MCU的第一处理器内核中进行数模转换，位置传感器接口电路2将位置传感器的信息输送给双核MCU的第二处理器内核中，与给定的位置信息进行作差，利用该误差信号进行控制，另外，系统在运行过程中，双核MCU的第一处理器内核中会并行的运行转子无位置传感器算法，对转子位置进行实时估计，并将该估计值与实际值进行比较，在确定位置传感器输出在正确范围时才将该数值输入到双核MCU的第二处理器内核中执行电机控制算法，而在没有外部位置传感器输入的情况下则完全采用无位置传感器控制，最终将计算得到的控制量输送至功率放大电路3进行放大，驱动永磁同步电机，达到位置高可靠性伺服控制的目标。
如图2所示，本发明的双核MCU电路选择了TI公司的双核芯片F28M35E20B作为核心控制芯片，该芯片具有一个ARM核心和一个C2000系列的DSP核心，运行主频均可以达到60MHz，其中ARM芯片为M3系列，能够高效率执行通信和IO操作，而C2000系列核心，具有浮点处理单元，能够高效率执行电机控制算法。
如图3所示，本发明所述位置传感器接口电路由Hall传感器接口、增量式编码器接口和BISS-C及SSI接口电路并行组成，各部分电路独立运行，SSI接口和BISS-C以及增量式编码器接口的差分电平转换均采用了芯片MAX3485，能够将差分电平转换为3.3V LVCMOS电平信号，传输给双核MCU电路1的第一处理器内核，而HALL接口则通过上拉电阻连接到74LVC14芯片，可以将5V电平信号转换为3.3V LVCMOS电平信号，并传送给双核MCU电路1的第一处理器内核；
如图4所示，外设接口电路主要由DA接口电路、AD接口电路、IO接口电路以及SD接口电路并行组成，各部分电路独立运行，DA接口选择了TI公司的TLV5614，采用SPI接口与双核MCU进行通信，具有4路输出，输出范围0～5V，AD接口电路采用了TI公司的LM224运放，通过信号调理，输入信号范围在0～5V，高速的IO接口电路则采用光耦芯片K1010进行隔离，速度可以达到10KHz，输入数字电压信号范围0～24V，另外而SD卡接口也选择了SPI接口与SD卡连接。
如图5所示，本发明所述功率放大电路主要采用三菱公司的智能功率模块PM50RL1B060，其内部包含有一个三相半桥驱动电路，可以对永磁同步电机驱动，同时带有一路刹车制动开关管，在外接刹车电阻后可以进行刹车制动，驱动电路最大的外部输入电压为直流600V，最大驱动电流可以达到50A，采用HCPL0454光耦进行PWM控制信号的隔离驱动，其开关频率达到15KHz。
如图6所示，本发明的通讯接口电路5包括RS232接口、CAN接口和EtherCAT接口,各个部分电路独立运行，其中RS232接口采用MAX3232芯片，用于连接双核MCU电路1的第一处理器内核和PC上位机，而双核CAN接口采用SN65HVD320芯片，而EtherCAT接口则采用ET1200芯片，其中ET1200是倍福公司的ESC芯片，具有1个EBUS接口和1路EtherCAT接口，KS8721为以太网PHY芯片，24LC16A为ET1200的EEPROM配置芯片，CRYS-25M为ET1200的晶振，CAN和EtherCAT接口用于连接双核MCU电路1的第一处理器内核和对应总线系统。
伺服驱动器的控制步骤如图7所示：(1)系统上电后，DSP首先加载主控程序，进入工作模式。系统进入工作模式后双核MCU电路1的第一处理器内核首先完成系统自检，若自检不成功，则系统进入异常处理模块进行故障诊断，同时停机并发出故障信号；(2)双核MCU电路1的第一处理器内核进行电机状态监控系统状态和通讯算法，通过检测伺服系统的电流和温度等信息，估计系统状态，判断系统状态是否正常，当出现过流、过热时，系统进入相关异常处理，保护硬件部分，同时进行系统上位机通讯，将当前系统状态反馈回上位机。(3)主程序利用上位机控制参数获取模块和位置传感器信息获取模块，来得到控制参数和位置信息，伺服驱动器开始执行所述电机驱动算法，首先采用由双核MCU的第二处理器内核采集到的传感器位置信息进行调试运行，然后，当系统正常运行时，使用默认的滑模观测器的控制参数，根据反馈的电压与电流信息进行转子位置初步估算，同时滑模观测器SMO进行转子位置估计，并与实际的转子位置进行比较，由两者的误差来矫正预设的滑模观测器控制参数。当两者的误差减小到容限范围之内，保存滑模观测器的参数，SMO参数调整环节完成。最后，系统开始正常运行的伺服运行，该伺服算法在双核MCU电路的第一处理器内核执行，滑模观测器进入监测环节。将位置传感器采集到的位置信息与滑模观测器观测到的转子位置信息进行比较，当误差范围超过容限值的2倍时，则认为此时位置传感器出现故障，此时故障处理模块工作，进行异常处理，即上报故障代码，同时采用滑模观测器估计的位置信息进行电机驱动，保证伺服驱动器在位置传感器故障时的不停机运行。
本发明所述的电机驱动控制算法原理如图8所示，主要包括电机正常驱动算法和无传感器滑模观测器参数矫正算法，其中电机正常驱动算法主要在双核MCU电路的第二处理器内核中运算，而无传感器滑模观测器参数矫正算法主要在双核MCU电路的第一处理器内核中运算，两者数据通过双核MCU电路内部存储进行数据共享。
电机正常运行驱动算法首先将给定位置θref与实际电机位置θ进行比较，得到的误差e输入进位置环P调节器，算出给定的转速ωref，并将该数值传送给系统的转速环PI调节器，该调节器算出需要的电机电流信号Iref，将该信号输送给电流环PI调节器，该调节器算出所需要的电压信号，传送给功率放大单元，结合当前根据位置传感器输送的位置信息，生成PWM信号输出给功率放大电路驱动电机；
滑模观测器估计转子位置估计算法原理是通过实时观测电机的反电动势来估算转子位置，因为而电机相电阻Ra，电机相电感La以及电机相电压Ua和电机相电流ia均已知，所以可以通过构建电流观测器来观测电机相电流变化率从而实时求出反电动势ea，估算出转子位置。电流滑模观测器的控制方程为：
其中ix为电机相电流，i* x为滑模控制器输出的电机相电流，变量vα为相电压的α轴分量，vβ为电压的β轴分量，电机反电动势估算值 为反电动势估算值的α轴分量，为反电动势的β轴分量，ψf为电机的磁通， 其中Rs为电机相电阻，Ls为电机相电感，Kslide为滑模系数，是常值，为滑模观测器的主要控制参数。滑模观测器误差方程为：
为滑模控制器观测的电机相电流，进入滑动模态后，上式中此时存在电机反电动势估算误差而电机转子位置则可以通过求得。所述的矫正算法则是通过SMO观测器估算得到的转子位置与实际传感器输出的位置θ的差值，通过一个PI调节器进行调节Kslide的参数，当两者的差值小于所设定的数值，如实际值的10％，那么滑模观测器的矫正算法结束。系统在正常进行伺服过程中，电机不断比较实际位置传感器的数值和观测器的输出，如果误差达到了原有设定数值的2倍，那么则认为传感器存在故障，系统采用观测器输出的位置进行控制，同时上报故障。
本发明虽为永磁同步电机伺服驱动器，但也可以作为一种通用的伺服控制装置，适用于异步电机等三相交流电机控制，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软件及更改硬件参数等方式来灵活方便地实现其功能。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双核MCU的永磁同步电机伺服驱动器，其特征在于：包括以下部分：
双核MCU电路(1)：与位置传感器接口电路(2)、功率放大电路(3)、外设接口电路(4)以及通讯接口电路(5)相连接；双核MCU电路(1)在运行过程中通过通讯接口电路(5)与上位机实时通讯，接收控制指令并传输伺服驱动器的状态数据；此外，双核MCU电路(1)能够通过外设接口电路(4)中的AD接口接收模拟指令，然后输送至双核MCU的第一处理器内核中进行数模转换，位置传感器接口电路(2)将位置传感器的信息输送给双核MCU的第二处理器内核中，与给定的位置信息进行作差，利用该误差信号进行控制，另外，伺服驱动器在运行过程中，双核MCU的第一处理器内核中会并行的运行转子无位置传感器算法，对转子位置进行实时估计，并将该估计值与实际接收到的位置传感器信号值进行比较作差，如果该误差值不超过所述伺服驱动器调试参数运行时得到的最大误差的两倍，则认为位置传感器正常工作，否则只采用无传感器控制算法估计出的转子位置信息，然后将转子位置信息传输到双核MCU的第二处理器内核中执行电机控制算法，并将计算得到的控制量输送至功率放大电路(3)进行放大，驱动永磁同步电机；
位置传感器接口电路(2)：主要由Hall传感器接口、增量式编码器接口和BISS-C及SSI接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与双核MCU电路(1)相连接，伺服驱动器运行时，位置传感器接口电路(2)将外部Hall位置传感器、增量式编码器、BISS-C和SSI接口电路的位置传感器输出的电平信号转换为3.3V LVCMOS电平传输给双核MCU电路(1)中的第一处理器内核进行处理；
功率放大电路(3)：主要由三相半桥驱动电路和刹车制动开关管组成，与双核MCU电路(1)相连接，接受其发送的PWM电压控制信号，并且实时将该控制信号进行放大，驱动电机，或者进行电机的刹车制动；
外设接口电路(4)：主要由DA接口电路、AD接口电路、IO接口电路以及SD接口电路并行组成，各部分电路独立运行，与双核MCU电路(1)的第一处理器内核相连接，伺服驱动器正常运行时，接收外部0～5V的位置、速度及力矩的标准模拟指令信息输入，同时可以将双核MCU电路(1)输出的控制量转化为0～5V的模拟电压信号，此外可以通过IO接口接收外部的0～24V的数字电平信号作为指令输入，而SD接口则可以和SD卡连接，进行伺服驱动器程序的升级与存储；
通讯接口电路(5)：主要由CAN接口、RS232接口和EtherCAT接口并行组成，各部分电路独立运行，与双核MCU电路(1)的第一处理器内核相连接，伺服驱动器正常运行时，可以通过配置使用RS232和PC上位机相连接，而CAN接口和EtherCAT接口则主要作为总线系统与主机相连接，将上位机或主站的指令实时传送至双核MCU电路(1)的第一处理器内核中，同时将伺服控制器的状态信息实时进行上传；
所述伺服控制器的控制步骤为：
(1)系统上电后，DSP首先加载主控制程序并完成上电系统自检；
(2)系统自检正常后，执行进行系统状态监控以及与上位机的通讯；
(3)伺服驱动器开始执行电机驱动算法，首先伺服驱动器首先采用由第二处理器内核采集的传感器位置信息驱动电机进行试运行；然后，系统在正常运行过程中，利用实时采集的电机电流和电压信息，根据预设的电机模型，伺服驱动器利用位置传感器获得的位置信号，一方面驱动电机运行，另一方面则反馈给滑模观测器环节，利用位置传感器的位置信息和滑模观测器观测到的信息的差值，进行滑模观测器控制参数的校正，当两者差值小于设定的容限值时，那么观测器校正环节完成；最后，系统观测器校正环节完成之后，观测器开始进入监测环节，即此时电机运行时，不断监测观测器输出和位置传感器输出，在电机运行时，如果两者差别较大，超过了设定容限值的两倍，那么则认为伺服驱动器的位置传感器出现故障，此时发出警报信息，同时伺服驱动器采用滑模观测器输出的位置信号来驱动电机，保证伺服驱动器在位置传感器故障时的不停机运行。
2.根据权利要求1所述的基于双核MCU的永磁同步电机伺服驱动器，其特征在于：所述双核MCU电路(1)中MCU芯片采用F28M35E20B芯片作为控制核心芯片。
3.根据权利要求1所述的基于双核MCU的永磁同步电机伺服驱动器，其特征在于：所述双核MCU电路(1)采用独立的第二处理器内核进行位置传感器协议的解算，能够同时支持BISS-C、SSI编码器协议。
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