CN108923697A - 一种多内核电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多内核电机控制系统，包括：电机、驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统和上位机监控模块，所述电机与驱动子系统相连，用于产生驱动转矩，作为动力源，所述主控制系统分别与所述驱动子系统、上位机监控模块、编码器脉冲转换模块以及故障信号与温度检测脉冲产生模块相连。通过上述方式，本发明所述的多内核电机控制系统，增加了多个DSP处理内核，通过多个处理内核的协同作用，将用户指令处理与电机控制服务子程序分离，有效避免了复杂的、频繁的用户指令占用过大的处理器带宽而影响控制器实时性的情况，通过配置专用的转子位置处理核心，能够轻松控制未配置有转子位置传感器的电机。

Description

一种多内核电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种多内核永磁同步电机控制系统。

背景技术

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，其主要作用是产生驱动转矩，作为其他用电器或各种机械的动力来源，也是现代加工技术中最为关键的部件之一。

电机控制器是指通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的位置、方向、速度、角度及响应时间进行工作。专用的电机控制器可以使电机的应用更为广泛，输出效率更高。

目前电机的整体控制方案主要由控制器和驱动器组成。其中控制器通过转子位置传感器、定子电流传感器及电压传感器完成对电机转子位置、电流和电压等信号的采集，根据期望的转矩指令，计算出相应的功率信号，通过特定型号的功率器件进行放大后，输出到电机，实现电机的的驱动与运行，输出期望的速度与转矩，实现电机的控制。

目前电机控制器通常为单个控制核心，主要完成常规的电机转子位置，速度以及力矩控制，无法在进行复杂的用户指令的控制下保证整个系统的实时性，难以完成多任务的功能实现。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种多内核电机控制系统，用于解决现有技术中控制器功能单一，无法在进行复杂的用户指令的控制下保证整个系统的实时性问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种多内核电机控制系统，包括：电机、驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统和上位机监控模块，所述电机与驱动子系统相连，用于产生驱动转矩，作为动力源；

驱动子系统，分别与所述电机、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统相连，用于将主控制系统的控制信号放大成功率信号并向电机输出；

编码器脉冲转换模块，分别与所述电机和主控制系统相连，用于将安装于电机上的编码器的输出转换成主核芯片便于识别的脉冲信息并向主控制系统输出；

上位机监控模块，与所述主控制系统相连，用于给主控制系统发送电机控制指令，并实时接收电机的运行状态并显示分析；

故障信号与温度检测脉冲产生模块，分别与所述驱动子系统和主控制系统相连，用于将驱动子系统检测到的故障信号与温度信息转换成脉冲信息，向主控制系统输送；

主控制系统，分别与所述驱动子系统、上位机监控模块、编码器脉冲转换模块以及故障信号与温度检测脉冲产生模块相连，用于接收上位机监控模块上监控端用户的特定指令，在主控制系统内作出命令协议解析和计算后，得到控制量的给定数据，向驱动子系统输出。

在本发明一个较佳实施例中，所述主控制系统包括DSP处理模块、FPGA辅助控制模块、电源管理模块、信号调理模块、三态缓冲模块以及总线通信模块，所述电源管理模块与驱动子系统相连接将整流模块输出电压转换成主控制系统所需的±15V、＋3.3V、＋1.2V和＋1.5V，所述信号调理模块接收驱动子系统中霍尔模块传输的电机定子电压电流信号和直流母线电压，并接收故障信号与温度检测脉冲产生模块的温度信号，并将接收到的信号调理成主控制系统中符合DSP处理模块中AD模块要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号和电机温度信号传递给AD模块，所述FPGA辅助模块中的故障I/O输入模块用于接收定子三相电压、电流和温度报警信号，在定子三相电压、电流、温度信号达到设定的报警条件后，产生故障信号并封锁FPGA辅助控制模块PWM控制信号的输出，所述总线通信模块包括CAN总线通信模块、以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块，所述三态缓冲模块连接在FPGA辅助控制模块的PWM输出模块与驱动子系统之间。

在本发明一个较佳实施例中，所述DSP处理模块包括第一核心、第二核心和第三核心，所述第一核心、第二核心和第三核心之间通过共享存储的方式进行通信，所述第一核心用于完成系统启动引导，对自身以及第二核心完成初始化，触发第二核心的电机调速控制服务子程序，定时向监控端反馈系统运行过程中的转速数据、三相定子电流数据、两相旋转坐标系下的dq轴电流数据、温度数据以及控制环参数数据至上位机监控端，接收用户指令。

在本发明一个较佳实施例中，所述AD模块用于将接收到的调理后的电机的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给FPGA辅助控制模块中的保护模块以及DSP处理模块中的第二核心。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一核心与FPGA辅助模块之间通过并行数据总线与SPI总线进行数据交互。

在本发明一个较佳实施例中，所述FPGA辅助控制模块中的PWM输入模块、PWM输出模块用于接收三核心的DSP处理模块中产生的PWM控制信号量，并对控制信号量进行互锁条件判断，若出现互锁条件不满足的情况，产生故障信号并封锁FPGA辅助控制模块PWM控制信号的输出，若PWM控制信号量满足互锁条件，则将PWM控制信号量输出给驱动子系统中的驱动与隔离模块。

在本发明一个较佳实施例中，所述主控制系统中还包括电平转换与光耦隔离模块，用于对驱动子系统、故障与温度检测脉冲转产生模块以及主控制系统进行信号电平的匹配。

在本发明一个较佳实施例中，所述CAN总线通信模块与第一核心的CAN总线控制器相连，所述以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块分别与第一核心的SCIA、SCIB和SCIC通道相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二核心用于电机调速控制，用于根据设定的目标转速和编码器返回的测量转速，根据实际电机的数学模型，通过磁场定向控制得到用于驱动子系统的逆变模块的PWM控制信号量，将信号向FPGA辅助模块输出。

在本发明一个较佳实施例中，所述第三核心用于在电机编码器失效以及控制特定的没有装配编码器的电机时，根据AD模传输过来的定子三相电压、电流信号，使用扩展卡尔曼估计算法估算出电机速度和转子位置，并将估计得到的电机转速和转子位置数据传递给第一核心与第二核心。

本发明的有益效果是：本发明指出的一种多内核电机控制系统，增加了多个DSP处理内核，通过多个处理内核的协同作用，将用户指令处理与电机控制服务子程序分离，有效避免了复杂的、频繁的用户指令占用过大的处理器带宽而影响控制器实时性的情况，通过配置专用的转子位置处理核心，能够轻松控制未配置有转子位置传感器的电机。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明一种多内核电机控制系统一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种多内核电机控制系统，包括：电机、驱动子系统2、故障信号与温度检测脉冲产生模块5、编码器脉冲转换模块3、主控制系统1和上位机监控模块4，所述电机与驱动子系统2相连，用于产生驱动转矩，作为动力源；

驱动子系统2分别与所述电机、故障信号与温度检测脉冲产生模块5、编码器脉冲转换模块3、主控制系统1相连，用于将主控制系统1的控制信号放大成功率信号并向电机输出，驱动子系统2主要由整流逆变电路、电压电流模拟量采集比较电路和温度采集电路构成；

编码器脉冲转换模块3分别与所述电机和主控制系统1相连，用于将安装于电机上的编码器的输出转换成主核芯片便于识别的脉冲信息并向主控制系统1输出；

上位机监控模块4与所述主控制系统1相连，用于给主控制系统1发送电机控制指令，并实时接收电机的运行状态并显示分析，上位机监控模块为安装有专用电机监控软件的PC终端，可以显示电机的运行状态；

故障信号与温度检测脉冲产生模块5分别与所述驱动子系统2和主控制系统1相连，用于将驱动子系统2检测到的故障信号与温度信息转换成脉冲信息，向主控制系统1输送；

主控制系统1分别与所述驱动子系统2、上位机监控模块4、编码器脉冲转换模块3以及故障信号与温度检测脉冲产生模块5相连，用于接收上位机监控模块4上监控端用户的特定指令，在主控制系统1内作出命令协议解析和计算后，得到控制量的给定数据，向驱动子系统2输出；根据给定的转速、电流等参数，实时采集由编码器脉冲转换模块3传输的电机正余弦编码器的信号，由电流传感器、电压传感器采集的三相电流与母线电压信号，通过磁场定向控制算法得出下个控制周期的输出设定，并向驱动子系统2输出。

所述主控制系统1包括DSP处理模块14、FPGA辅助控制模块13、电源管理模块11、信号调理模块12、三态缓冲模块以及总线通信模块15，所述电源管理模块11与驱动子系统2相连接将整流模块输出电压转换成主控制系统1所需的±15V、＋3.3V、＋1.2V和＋1.5V。

所述信号调理模块12接收驱动子系统2中霍尔模块传输的电机定子电压电流信号和直流母线电压，并接收故障信号与温度检测脉冲产生模块5的温度信号，并将接收到的信号调理成主控制系统1中符合DSP处理模块14中AD模块要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号和电机温度信号传递给AD模块。

所述FPGA辅助模块13中的故障I/O输入模块131用于接收定子三相电压、电流和温度报警信号，在定子三相电压、电流、温度信号达到设定的报警条件后，产生故障信号并封锁FPGA辅助控制模块PWM控制信号的输出，所述总线通信模块15包括CAN总线通信模块154、以太网接口通信模块153、485通信接口模块152和232通信接口模块151，所述三态缓冲模块连接在FPGA辅助控制模块13的PWM输出模块与驱动子系统2之间。

所述DSP处理模块14包括第一核心141、第二核心142和第三核心143，所述第一核心141、第二核心142和第三核心143之间通过共享存储的方式进行通信，所述第一核心与FPGA辅助模块之间通过并行数据总线与SPI总线进行数据交互，所述第一核心141用于完成系统启动引导，对自身以及第二核心142完成初始化，触发第二核心142的电机调速控制服务子程序，定时向监控端反馈系统运行过程中的转速数据、三相定子电流数据、两相旋转坐标系下的dq轴电流数据、温度数据以及控制环参数数据至上位机监控端，接收用户指令。

所述AD模块用于将接收到的调理后的电机的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给FPGA辅助控制模块中的保护模块以及DSP处理模块中的第二核心142。

所述FPGA辅助控制模块13中的PWM输入模块132、PWM输出模块133用于接收三核心的DSP处理模块中产生的PWM控制信号量，并对控制信号量进行互锁条件判断，若出现互锁条件不满足的情况，产生故障信号并封锁FPGA辅助控制模块PWM控制信号的输出，若PWM控制信号量满足互锁条件，则将PWM控制信号量输出给驱动子系统中的驱动与隔离模块。

所述主控制系统1中还包括电平转换与光耦隔离模块，用于对驱动子系统、故障与温度检测脉冲转产生模块以及主控制系统各模块进行信号电平的匹配。其中，故障信号与温度检测脉冲产生模块5就是通过电平转换与光耦隔离模块而与FPGA辅助模块13的故障I/O输入模块131相连接。

所述CAN总线通信模块154与第一核心141的CAN总线控制器相连，所述太网接口通信模块153、485通信接口模块152和232通信接口模块151分别与第一核心141的SCIA、SCIB和SCIC通道相连。

所述第二核心142用于电机调速控制，用于根据设定的目标转速和编码器返回的测量转速，根据实际电机的数学模型，通过磁场定向控制得到用于驱动子系统2的逆变模块的PWM控制信号量，将信号向FPGA辅助模块13输出。

所述第三核心143用于在电机编码器失效以及控制特定的没有装配编码器的电机时，根据AD模传输过来的定子三相电压、电流信号，使用扩展卡尔曼估计算法估算出电机速度和转子位置，并将估计得到的电机转速和转子位置数据传递给第一核心141与第二核心142。

在第一实施例中多内核电机控制系统的工作原理如下：

步骤S1：

第一核心141、第二核心142、第三核心143、FPGA辅助控制模块13初始化。具体地，FPGA辅助控制模块13通过初始化读取外部存储器指令，实现FPGA上电主动配置，第一核心141进行系统初始引导，系统初始化；第二核心142进行系统初始引导，系统初始化；第三核心143进行系统初始引导，系统初始化。

步骤S2：

第二核心142使能编码器脉冲转换模块3，对编码器脉冲转换模块3进行脉冲捕捉计数得到转子速度与转子位置信号。

步骤S3：

第二核心142根据上位机监控模块4发送的给定转速信号，步骤S2得到的转子速度与转子位置信号、定子磁链、电磁转矩、相位角结合永磁同步电机数学模型进行直接转矩控制，输出6路PWM控制信号至FPGA辅助控制模块13。

步骤S4：

FPGA辅助控制模块13接收步骤S3中输出的6路PWM控制信号，并进行故障条件的判断，若判断为故障，则封锁PWM控制信号输出，若判断为非故障，则将6路PWM控制信号输出至驱动子系统2。

步骤S5:

驱动子系统2接收步骤S4中输出的6路PWM控制信号，从而控制功率器件的导通与关断，实现将直流电逆变成三相交流电输出到电机定子侧。

在第二实施例中多内核电机控制系统的工作原理如下：

步骤S1：

第一核心141、第二核心142、第三核心143、FPGA辅助控制模块13初始化。具体地，FPGA辅助控制模块13通过初始化读取外部存储器指令，实现FPGA上电主动配置；第一核心141进行系统初始引导，系统初始化；第二核心142进行系统初始引导，系统初始化；第三核心143进行系统初始引导，系统初始化。

步骤S2：

第二核心142使能第三核心143。第三核心143根据信号调理模块12传输过来的定子三相电压、电流信号，使用扩展卡尔曼估计算法估算出电机速度和转子位置，并将估计得到的电机转速和转子位置数据传递给第二核心142。

步骤S3：

第二核心142根据上位机监控模块4发送的给定转速信号，步骤S2得到的转子速度与转子位置信号、定子磁链、电磁转矩、相位角结合永磁同步电机数学模型进行直接转矩控制，输出6路PWM控制信号至FPGA辅助控制模块13。

步骤S4：

FPGA辅助控制模块13接收步骤S3中输出的6路PWM控制信号，并进行故障条件的判断，若判断为故障，则封锁PWM控制信号输出。若判断为非故障，则将6路PWM控制信号输出至驱动子系统2。

步骤S5:

驱动子系统2接收步骤S4中输出的6路PWM控制信号，从而控制功率器件的导通与关断，实现将直流电逆变成三相交流电输出到电机定子侧。

综上所述，本发明指出的一种多内核电机控制系统，增加了处理器的处理带宽，加强了系统的稳定性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多内核电机控制系统，其特征在于，包括：电机、驱动子系统、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统和上位机监控模块，所述电机与驱动子系统相连，用于产生驱动转矩，作为动力源；

驱动子系统，分别与所述电机、故障信号与温度检测脉冲产生模块、编码器脉冲转换模块、主控制系统相连，用于将主控制系统的控制信号放大成功率信号并向电机输出；

编码器脉冲转换模块，分别与所述电机和主控制系统相连，用于将安装于电机上的编码器的输出转换成主核芯片便于识别的脉冲信息并向主控制系统输出；

上位机监控模块，与所述主控制系统相连，用于给主控制系统发送电机控制指令，并实时接收电机的运行状态并显示分析；

故障信号与温度检测脉冲产生模块，分别与所述驱动子系统和主控制系统相连，用于将驱动子系统检测到的故障信号与温度信息转换成脉冲信息，向主控制系统输送；

主控制系统，分别与所述驱动子系统、上位机监控模块、编码器脉冲转换模块以及故障信号与温度检测脉冲产生模块相连，用于接收上位机监控模块上监控端用户的特定指令，在主控制系统内作出命令协议解析和计算后，得到控制量的给定数据，向驱动子系统输出，所述主控制系统包括DSP处理模块，所述DSP处理模块包括第一核心、第二核心和第三核心。

2.根据权利要求1所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述主控制系统还包括FPGA辅助控制模块、电源管理模块、信号调理模块、三态缓冲模块以及总线通信模块，所述电源管理模块与驱动子系统相连接将整流模块输出电压转换成主控制系统所需的±15V、＋3.3V、＋1.2V和＋1.5V，所述信号调理模块接收驱动子系统中霍尔模块传输的电机定子电压电流信号和直流母线电压，并接收故障信号与温度检测脉冲产生模块的温度信号，并将接收到的信号调理成主控制系统中符合DSP处理模块中AD模块要求的信号，并将调理好的电机的定子电压电流信号和电机温度信号传递给AD模块，所述FPGA辅助模块中的故障I/O输入模块用于接收定子三相电压、电流和温度报警信号，在定子三相电压、电流、温度信号达到设定的报警条件后，产生故障信号并封锁FPGA辅助控制模块PWM控制信号的输出，所述总线通信模块包括CAN总线通信模块、以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块，所述三态缓冲模块连接在FPGA辅助控制模块的PWM输出模块与驱动子系统之间。

3.根据权利要求2所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述第一核心、第二核心和第三核心之间通过共享存储的方式进行通信，所述第一核心用于完成系统启动引导，对自身以及第二核心完成初始化，触发第二核心的电机调速控制服务子程序，定时向监控端反馈系统运行过程中的转速数据、三相定子电流数据、两相旋转坐标系下的dq轴电流数据、温度数据以及控制环参数数据至上位机监控端，接收用户指令。

4.根据权利要求3所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述AD模块用于将接收到的调理后的电机的定子电压电流信号、电机温度信号转换成数字芯片可以接收的数字信号，并传递给FPGA辅助控制模块中的保护模块以及DSP处理模块中的第二核心。

5.根据权利要求3所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述第一核心与FPGA辅助模块之间通过并行数据总线与SPI总线进行数据交互。

6.根据权利要求2所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述FPGA辅助控制模块中的PWM输入模块、PWM输出模块用于接收三核心的DSP处理模块中产生的PWM控制信号量，并对控制信号量进行互锁条件判断，若出现互锁条件不满足的情况，产生故障信号并封锁FPGA辅助控制模块PWM控制信号的输出，若PWM控制信号量满足互锁条件，则将PWM控制信号量输出给驱动子系统中的驱动与隔离模块。

7.根据权利要求2所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述主控制系统中还包括电平转换与光耦隔离模块，用于对驱动子系统、故障与温度检测脉冲转产生模块以及主控制系统进行信号电平的匹配。

8.根据权利要求3所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述CAN总线通信模块与第一核心的CAN总线控制器相连，所述以太网接口通信模块、485通信接口模块和232通信接口模块分别与第一核心的SCIA、SCIB和SCIC通道相连。

9.根据权利要求2所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述第二核心用于电机调速控制，用于根据设定的目标转速和编码器返回的测量转速，根据实际电机的数学模型，通过磁场定向控制得到用于驱动子系统的逆变模块的PWM控制信号量，将信号向FPGA辅助模块输出。

10.根据权利要求2所述的多内核电机控制系统，其特征在于，所述第三核心用于在电机编码器失效以及控制特定的没有装配编码器的电机时，根据AD模传输过来的定子三相电压、电流信号，使用扩展卡尔曼估计算法估算出电机速度和转子位置，并将估计得到的电机转速和转子位置数据传递给第一核心与第二核心。