CN108233782A - 一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，包括嵌入式ARM11开发板、电机和驱动模块、速度检测模块以及电源模块，远程PC与嵌入式ARM11开发板之间可以无线通信，电机为永磁无刷直流电机，电机和驱动模块的驱动电路为无刷直流电机驱动电路，速度检测模块包含增量式旋转编码器和计数电路模块，嵌入式ARM11开发板通过输出PWM控制电机和驱动模块，电机的转速通过增量式旋转编码器和计数电路模块反馈给嵌入式ARM11开发板，电源模块给上述模块供电。本发明将功耗低、安全性高、辐射范围广的WiFi与运算快、实时性高、支持无线的ARM11微处理器相结合，解决了有线网络诸多限制性的缺点，又充分利用开发板的底层接口，实现多台无刷直流电机的无线网络调速。

Description

一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台

技术领域

本发明属于基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台领域，具体涉及一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台。

背景技术

随着通信技术、计算机网络以及控制科学的不断发展，系统控制的结构越来越复杂，空间分布越来越广，控制性能要求越来越高。在一定程度上，系统逐渐深入的变化，给自动化技术的发展带来了前所未有的机遇和无尽的挑战。目前研究的网络化控制系统，与传统的控制系统相比，最大的差异在于通信方式。一般而言，网络化控制系统是基于网络的通信方式发展的，而不是传统的点对点的通信方式。因此，目前大多数的控制系统正逐渐向网络化、集成化、分布化、节点智能化的方向发展。而将无线网络应用于网络化控制系统时，它能够实现更多的区域资源共享、远程操作与控制、安装与维护简便、有效减少系统的重量和体积、增加系统的灵活性等诸多优点。尤其是WiFi络的成功应用，它的发展程度与技术集成度都很高、拥有标准的网络通信协议与接口、无线便捷、运行成本和维护费用低等诸多优点，在日常的生产实践中得到了广泛应用。因此，将WiFi络运用到网络化控制系统中，正成为当今网络化控制的发展趋势之一。

永磁无刷直流电机是随着高性能永磁材料、电机控制技术和电力电子技术的发展而出现的一种新型电机，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便、寿命长等优点，又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，而且还具有功率密度高，低转速大转矩的特点。它的应用已从最初的军事工具，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化等领域迅速发展。

目前，对无刷直流电机网络化调速平台的研究较少，已有的研究主要侧重于受线缆约束的自由性较大，且组网造价过高的的有线网络。并且上述研究，一般是基于DSP、STM32等而设计的控制系统，仅利用单一的裸机程序进行控制。因此，对于脱离操作系统的控制器而言，无法应对需要对系统内部软硬件资源调用以及突发事件的发生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，具有可移动性好、灵活性高、扩展方便、易于安装的优点，以有效解决已有的基于有线网络的控制平台的局限性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，包括嵌入式ARM11开发板、电机和驱动模块、速度检测模块以及电源模块，远程PC与嵌入式ARM11开发板之间可以无线通信，所述电机为永磁无刷直流电机，电机和驱动模块的驱动电路为无刷直流电机驱动电路，速度检测模块包含增量式旋转编码器和计数电路模块，嵌入式ARM11开发板通过输出PWM控制电机和驱动模块，电机的转速通过增量式旋转编码器和计数电路模块反馈给嵌入式ARM11开发板，电源模块给上述模块供电。

进一步，上述ARM11开发板搭载的是Linux操作系统，对Linux内核做适当裁剪，编译成平台所需的内核文件，再和u-boot启动文件和文件系统共同形成一个功能完善的Linux系统。

进一步，上述无线通信是在TCP/IP协议基础上，通过设计socket套接字的C/S网络通信程序，实现远程PC与嵌入式ARM11开发板之间的无线通信，即：远程PC向ARM11开发板发送控制电机转速的信号，嵌入式ARM11开发板将测量的电机转速值通过WiFi向远程PC进行反馈。

为了控制多台永磁无刷直流电机，除嵌入式ARM11开发板的通用输入输出接口可以输出2路PWM波外，还可以利用多余的通用输入输出接口，通过复用定时器和中断的方式来产生不同频率的PWM波。

嵌入式ARM11开发板的ARM11微处理器的内核会根据设计的PWM波输出驱动程序，将接收的电机转速信号转换成ARM11微处理器内部定时器的计数缓冲寄存器TCNTn的值和比较缓冲寄存器TCMPn对应的数值，通过改变两个寄存器内部值，可使平均电压值发生变化，进而调节转速。

进一步，上述永磁无刷直流电机选用工作电压为12V，转速维持在6000～9000转/分范围的电机。

进一步，上述计数电路模块使用D触发器，并结合逻辑门电路，实现鉴相和倍频，为了保证平台的实时性，采用硬件计数的方式，满足分辨率为2¹⁶P/R以下编码器脉冲计数的能力。

进一步，上述电源模块除了给无刷直流电机驱动电路、永磁无刷直流电机、增量式旋转编码器以及计数电路模块提供12V的工作电压外，还通过电压转换电路将增量式旋转编码器脉冲输出的12V电压转换至嵌入式ARM11开发板所需的5V工作电压。

本发明与现有技术相比，具有如下的有益技术效果：

一、利用功耗低、安全性高、辐射范围广的WiFi作为整个平台通信的媒介，使平台既能够脱离繁琐的有线通信，又能脱离地域性的干扰。在WiFi的基础上设计pipe进程与socket套接字的网络通信程序相结合的通信程序，使电机具备了被外界信号控制的能力。

二、使用了基于ARMv6架构的ARM11处理器，其强大的内核可保证复杂无线网路通信和控制算法的快速计算和实现。同时，ARM11微处理器也移植了Linux操作系统，既可便于将后续设计的复杂控制算法加入控制器中进行网络化实验的验证分析；又能使内核充分利用底层接口，实现对更多对象的控制研究。

三、编写对应的设备驱动程序，使设计的应用程序能更好的与设备驱动程序更好的配合调用，更好的访问规范化的底层接口，更好的保证平台运行的稳定性。

四、将编码器与计数电路模块结合构成反馈模块，使平台能够构成闭环，并能实时检测多台电机转速值。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为主函数中管道pipe进程与socket网络通信的整体流程图；

图3为Linux字符设备驱动程序设计的原理框图；

图4(a)为ARM11微处理器内部定时器的结构图、4(b)为利用寄存器TCMPBn调节PWM脉宽的波形图；

图5为无刷直流电机驱动电路与永磁无刷直流电机连接电路图；

图6(a)为编码器A、B两相脉冲输出处理流程图、6(b)为计数电路模块接口设计电路图；

图7为本发明电压转换电路的设计图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明研究的是一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台。一方面，远程PC利用WiFi向ARM11开发板发送控制电机转速的命令，另一方面，ARM11开发板再将测量的电机转速值通过WiFi反馈给远程PC。

如图1所示，基于WiFi的无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：包括远程PC、嵌入式开发板、无刷直流电机驱动电路、增量式旋转编码器、计数电路模块、永磁无刷直流电机以及电源模块。

远程PC是平台开发的基础也是重点。一方面，在VMware虚拟机里搭建Linux操作系统，将植裁剪后的Linux操作系统板移到ARM11的微处理器、完成socket网络通信程序设计与调试以及硬件设备驱动程序的设计，另一方面远程PC还是整个平台的控制终端，用来完成对电机转速的设定和电机转速的反馈。

所述的ARM11微处理器所选用ARM1176JZ-S内核的S3C6410。它是本平台信号处理的中心，也是运算与控制的中心。一方面ARM11微处理器既要接收远程PC发送的电机转速值，微处理器S3C6410再将转速信号转换成PWM波输出信号，控制直流电机的转速；另一方面，微处理器S3C6410利用GPN口作为外部中断口，接收编码器产生的电机转速计数脉冲，完成对电机转速值计算后，再将转速值通过WiFi反馈至远程PC。

所述的ARM11开发板搭载的是Linux操作系统，对Linux内核做适当裁剪，编译成平台所需的内核文件，再和u-boot启动文件和文件系统共同制作成一个功能完善的Linux系统。为了使搭载了Linux操作系统，并且内存资源有限的ARM11微处理器S3C6410能够运行的更快，效率更高，还需对不必要的功能进行适当裁剪，满足平台所需的要求，尽可能将内核裁剪到最小，且功能都能涵盖。

所述的在TCP/IP协议基础上，设计socket套接字的C/S网络通信程序，实现远程PC与ARM11开发板之间的通信。socket套接字，是一种特殊的I/O，是一种文件描述符，也是一个复杂的软件概念，包含一定的数据结构和很多选项，由操作系统内核进行管理。本平台选用的是流式套接字(SOCK_STREAM)，它能够提供可靠的、面向连接的有序数据流。

由图2的主函数中管道pipe进程与socket网络通信的流程图可知。首先，服务器端通过socket()创建套接字，并通过bind()函数将套接字描述符与地址和端口绑定，任何客户端想要连接到新建立的服务器端口，服务器必须设为等待连接，接着利用listen()函数来初始化服务器可连接队列，服务器处理客户端连接请求时是按顺序处理的，一旦服务器监听到客户端的连接请求后，服务器端会用accept()函数接受来自客户端的请求，但是这时需要建立一个全新的套接字描述符来处理这个客户端的通信请求。服务器设置好上述步骤后，客户端建立套接字，无需对地址进行绑定就可以直接连接服务器，使用connect()函数来连接指定参数的服务器，与服务器建立好连接后，服务器等待客户端的发送控制电机转速的命令，客户端使用send()函数向服务器发送数据，发送的数据包含控制电机转速的数字信号，也就是计数缓冲寄存器TCNTn的值和比较缓冲寄存器TCMPn的设定值，用来调节PWM波的占空比，从而实现电机转速值的变化。服务器端利用recv()函数接收来自指定套接字描述符上的网络数据，并且保存到指定的buf中，buf中的数据就是对寄存器的计数缓冲寄存器和比较缓冲寄存器的设定值，服务器根据计数缓冲寄存器和比较缓冲寄存器的设定值，输出多路不同频率的PWM波模拟信号，完成对多台电机转速的设定，此时，在服务器端的recv()处，完成对电机转速设定的处理后，将开发板上的GPN口作为外部中断口，对编码器输出的脉冲进行计数，完成对电机转速值的测量，服务器再利用send()函数，将测量的电机转速值发送回客户端的recv()函数的buf中，使电机完成正常转速值的设定的同时，能够保证正常的转速值的反馈。最后，使用close()函数关闭socket套接字连接，关闭已经打开的socket连接并使内核释放相关的资源。

本发明在主函数中引入进程pipe与socket之间的通信。当服务器处在accept()时，等待客户端send()控制电机转速的PWM占空比信号。当检测到客户端传送过来的信号时，此时会借助管道pipe进程，将PWM占空比信号通过管道进程与服务器socket内的recv()进行信息交互，传递给对应的寄存器进行设置，从而对转速进行控制。通过这种方式可以分布式的对多台永磁无刷直流电机的转速进行控制。

与上述的方式类似，对服务器端到客户端完成电机转速信号进行测量反馈，将外部处理的脉冲信号，通过中断方式和特定的M算法进行脉冲数计算，可以得到电机转速，再利用pipe管道进程与socket内的send()进行信息交互，将转速信息传递给send()函数里的buff缓冲区中，通过WiFi网络传递给远程客户端，完成闭环反馈。

为了使用户空间的应用程序能够识别并且能够控制底层硬件的接口，需设计与本平台硬件相关的设备驱动程序，设计的设备驱动程序可动态编译进ARM11微处理器的内核。本平台主要需要考虑的是字符设备驱动，包括生成PWM波输出的设备驱动、利用通用输入输出接口(GPIO)产生PWM波的设备驱动程序、无刷直流电机驱动电路的驱动以及编码器脉冲计数采集设备驱动，具体的驱动设计可参考图3的Linux字符设备驱动程序设计的原理框图。

ARM11微处理器的内核会根据设计的PWM波输出驱动程序，将接收的电机转速信号转换成ARM11微处理器内部定时器0、1的计数缓冲寄存器TCNTn的值和比较缓冲寄存器TCMPn，改变两个寄存器内部值，可使平均电压值发生变化，进而调节电机转速。由图4(a)ARM11嵌入式开发板内部定时器的结构图可知，可利用内部定时器0、1产生2路PWM波，通过GPF14和GPF15口输出。

S3C6410内部定时器的寄存器计数缓冲寄存器和比较缓冲寄存器可以分别从各自对应的TCNTBn和TCMPBn寄存器中加载值，再将内部定时器0、1设置成自动加载模式，在不停止当前定时器的情况下设置下一轮的定时操作。当计数缓冲寄存器TCNTn的值和比较缓冲寄存器TCMPn的值相同时，定时器会发送生反转，在输出引脚输出一个电平，然后TCNTn继续减1，直至为0时，再次发生反转，在引脚输出一个电平，这样就实现了高低电平的反转，减为0时会触发中断，TCNTn会自动加载TCNTBn中的值。PWM输出信号占空比＝TCMPBn/TCNTBn。由图4(b)可知，寄存器TCMPBn用来实现PWM功能，减少TCMPBn的值可以有更高的PWM值，增加TCMPBn的值可以有更低的PWM值。

PWM波输出设备驱动设置占空比函数的关键代码如下：

编写完设备驱动后，还需把驱动添加到内核中，在Linux内核源码中dev/char目录下Kconfig添加PWM驱动信息，这样在内核配置时可以选择PWM驱动程序，修改Makefile添加pwm_control.o，配置添加PWM驱动后就可以将pwm_control.ko添加到内核中了。

在Makefile中添加如下代码：

obj-$(CONFIG_S3C6410_pwm_driver)+＝pwm_control.o

为了控制多台永磁无刷直流电机，除了嵌入式开发板通用输入输出接口(GPIO)所输出2路PWM波外，没有多余的PWM波输出口。因此，利用多余的通用输入输出接口(GPIO)，通过复用定时器和中断的方式来产生不同频率的PWM波控制更多电机的转速。S3C6410是16/32位的RISC微处理器，有17个通用输入输出接口，包含187个多功能输入/输出端口管脚，无刷直流电机驱动电路可以控制1台永磁无刷直流电机，一台电机需要1路PWM输出，2路编码器产生的A、B脉冲计数，所以一台电机需要3个通用输入输出接口(GPIO)。再考虑到ARM11开发板板载固定功能接口和开发板自身功耗情况，因此，利用底板上的空闲接口，最多能控制5台左右的永磁无刷直流电机。

由图3字符设备驱动程序原理框图可知，假设利用空闲的GPE1和GPE2口再来产生2路PWM波控制2台永磁无刷直流电机。若有更多的永磁无刷直流电机需要搭载时，则参考下面关键的驱动程序进行修改，添加其他空闲的GPIO口作为产生PWM波的接口即可。

利用通用输入输出接口(GPIO)设计的PWM设备驱动程序的关键部分如下所示。

上述代码利用中断的方式，使GPE引脚产生2条PWM波。因为是通过GPIO口输出，所以设备不需要读写操作，则驱动的file_operations的ioctl函数如下所示：

要把驱动添加到内核中，要在Linux内核源码中dev/char目录下Kconfig添加用GPIO产生PWM波的设备驱动信息，这样在内核配置时可以选择GPIO产生PWM波的设备驱动程序，修改Makefile添加gpio_pwm_driver.o，配置添加PWM驱动后就可以将gpio_pwm_driver.ko添加到内核中了。

在Makefile中添加如下代码：

obj-$(CONFIG_S3C6410_l298n_driver)+＝gpio_pwm_driver.o

所述的电机驱动模块选用的是无刷直流电机驱动电路。无刷直流电机驱动电路主要是由IR2110作为驱动模块，IR2110是美国IR公司生产的桥式驱动集成电路芯片产品，它是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片世纪城驱动模块。它具有体积小、成本低、集成度高、响应速度快、偏值电压高、驱动能力强等特点。

IR2110采用先进的自举电路和电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，使得每对MOSFET(上下管)可以共用一片IR2110，并且所有的IR2110可共用一路独立电源。

对于典型的6管构成的三相桥式逆变器，可采用3片IR2110驱动3个桥臂，仅需1路10-20V电源。这样，在工程上大大减少了驱动电路的体积和电源数目，简化了系统结构，提高了系统可靠性。图5为由IR2110构成的无刷直流电机驱动电路与永磁无刷直流电机连接电路图。

本平台选用工作电压12V，转速维持在6000～9000转左右的永磁无刷直流电机，它具有结构简单、运行可靠、维护方便、寿命长等优点等优点。

所述的增量式旋转编码器的电源电压DC为5～24V，2000P/R的分辨率，最高响应频率100kHz，最高旋转数6000r/min，NPN集电极开路输出，并有负载短路、电源逆接线保护功能。旋转编码器作为速度和位移反馈的传感器，广泛应用于角位移或角速率的测量，通常有A，B，Z三相输出。

如图6(a)所示，旋转编码器所用电源电压一般都高于5V，这与ARM11开发板的TTL电平不兼容，为提高电路稳定性，要先对旋转编码器输出电路进行隔离和电平转换；然后，根据图6(b)计数电路模块电路图，使用D触发器，并结合逻辑门电路，可实现鉴相和倍频，为了保证平台的实时性，采用硬件计数的方式，利用4片74LS193对脉冲进行计数，并输出到S3C6410的计数中断口GPN处理。

编码器在本平台中的作用是测量电机转速，反馈给控制器，以便控制器能够实时掌握电机的速度，实时做出调节。仅需要注册read函数，以及利用request_irq函数注册中断函数即可。在open函数中调用request_irq注册中断，设置中断方式为IRQ_TYPE_EDGE_BOTH，即边沿触发。

在初始化时定义内核定时函数代码如下：

init_timer(&key_timer)；

key_timer.function＝key_timer_func；

add_timer(&key_timer)；

在读操作时定时100ms，mod_timer(&key_timer,jiffies+HZ/10)；

wait_event_interruptible(button_waitq,ev_press)；

中断处理函数：

当定时时间到时唤醒等待队列wake_up_interruptible(&moter_waitq)；将中断次数拷贝给用户空间。要把驱动添加到内核中，要在Linux内核源码中dev/char目录下Kconfig添加测速传感器驱动信息，这样在内核配置时可以选择测速传感器驱动程序，修改Makefile添加moter_speed.o，配置添加PWM驱动后就可以将moter_speed.ko添加到内核中了。

在Kconfig中添加如下代码：

在Makefile中添加如下代码：

obj-$(CONFIG_S3C6410_speed)+＝moter_speed.o

所述的电源模块除了提供给无刷直流电机驱动电路、永磁无刷直流电机、编码器以及计数电路模块12V的工作电压外，还需要一个电压转换电路，选用的电压转换芯片型号是：AMS1117。AMS1117是一个正向低压降稳压器，由一个PNP驱动的NPN管组成，为确保AMS1117的稳定性，在输出端并联一个不小于22uF的钽电容，当电流较大时有限流和热保护功能，设计的电路如图7所示。平台所设计的电压转换电路可将编码器脉冲输出的12V电压转换成ARM11开发板能接受的5V工作电压。

从以上说明可知，本发明具有如下主要特点：

1.具有可移动性好、灵活性高、扩展方便、易于安装的特点，有效解决了已有的基于有线网络的控制平台的局限性；

2.使用ARM公司最新推出的基于ARMv6架构的、高性能的、且支持无线通信的ARM11处理器，并且运用pipe进程可以极大方便与socket通信进程间信息交互；

3.ARM11具有功能强大的内核，可实现嵌入式Linux操作系统的搭载，从而保证复杂无线网络通信和控制算法的快速计算和实现；

4.对嵌入式底层设备驱动给出了关键的程序设计与分析；

5.本发明充分利用开发板的接口资源并引入计数模块，可同时实现多台无刷直流电机转速的调节控制。

综上所述，本发明对永磁无刷直流电机网络化控制的实现提供了一个完整的解决方案，同时对网络化控制理论研究与实践验证提供了一个重要的平台。

Claims (8)

1.一种基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：包括嵌入式ARM11开发板、电机和驱动模块、速度检测模块以及电源模块，远程PC与嵌入式ARM11开发板之间可以无线通信，所述电机为永磁无刷直流电机，电机和驱动模块的驱动电路为无刷直流电机驱动电路，速度检测模块包含增量式旋转编码器和计数电路模块，嵌入式ARM11开发板通过输出PWM控制电机和驱动模块，电机的转速通过增量式旋转编码器和计数电路模块反馈给嵌入式ARM11开发板，电源模块给上述模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：所述的ARM11开发板搭载的是Linux操作系统，对Linux内核做适当裁剪，编译成平台所需的内核文件，再和u-boot启动文件和文件系统共同形成一个功能完善的Linux系统。

3.据权利要求1所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：所述无线通信是在TCP/IP协议基础上，通过设计socket套接字的C/S网络通信程序，实现远程PC与嵌入式ARM11开发板之间的无线通信，即：远程PC向ARM11开发板发送控制电机转速的信号，嵌入式ARM11开发板将测量的电机转速值通过WiFi向远程PC进行反馈。

4.根据权利要求1所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：为了控制多台永磁无刷直流电机，除嵌入式ARM11开发板的通用输入输出接口可以输出2路PWM波外，还可以利用多余的通用输入输出接口，通过复用定时器和中断的方式来产生不同频率的PWM波。

5.根据权利要求4所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：嵌入式ARM11开发板的ARM11微处理器的内核会根据设计的PWM波输出驱动程序，将接收的电机转速信号转换成ARM11微处理器内部定时器的计数缓冲寄存器TCNTn的值和比较缓冲寄存器TCMPn对应的数值，通过改变两个寄存器内部值，可使平均电压值发生变化，进而调节转速。

6.根据权利要求1所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：所述的永磁无刷直流电机选用工作电压为12V，转速维持在6000～9000转/分范围的电机。

7.根据权利要求1所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：所述的计数电路模块使用D触发器，并结合逻辑门电路，实现鉴相和倍频，为了保证平台的实时性，采用硬件计数的方式，满足分辨率为2¹⁶P/R以下编码器脉冲计数的能力。

8.根据权利要求1所述的基于WiFi的永磁无刷直流电机网络化调速平台，其特征在于：所述的电源模块除了给无刷直流电机驱动电路、永磁无刷直流电机、增量式旋转编码器以及计数电路模块提供12V的工作电压外，还通过电压转换电路将增量式旋转编码器脉冲输出的12V电压转换至嵌入式ARM11开发板所需的5V工作电压。