CN109347370B - 一种基于profinet协议的通用同步电机速度位置检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，包括电机侧速度位置编码器接口部分，MCU实时控制部分以及PROFINET网络接口部分，兼容目前通用的同步电机的模拟量编码器、绝对式光电编码器、增量式光电编码器。系统采用TMS320F28379和ERTEC200P作为主要芯片，经过测速程序得到电机的转速、方向以及位置信号。通过微处理器TMS320F28379计算出速度和转子位置，并通过PROFINET连入工业以太网，实现信息共享。

Description

一种基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统
技术领域
本发明属于工业数据通信和电机传动控制领域，具体涉及一种基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统。
背景技术
随着互联网技术的发展与普及推广，工业以太网技术也得到了迅速的发展，并使以太网全面应用于工业控制领域成为可能。但工业以太网不是商用以太网在工业控制中的简单应用。PROFINET是由PROFIBUS国际组织推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。PROFINET包括8个主要的模块，依次为实时通信、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。PROFINET具有多制造商产品之间的通讯能力，自动化和工程模式，并针对分布式智能自动化系统进行了优化。其应用结果能够大大节省配置和调试费用。
随着工业技术的发展，采用大功率同步电机的场合越来越多，同步电机功率因数高、过载能力强、可靠性高、单机容量大的优点。在同步电动机的变频调速控制系统中，电机的速度和转子位置角的测量精度和准确度是控制系统品质的重要影响因素，因此速度和位置检测成为同步电机控制系统的关键环节。
目前工业现场检测同步电机的速度和位置的检测器主要分为两种：模拟量编码器和数字量编码器，其中模拟编码器包括旋转变压器和sincos编码器，数字编码器包括增量式编码器和绝对式编码器。模拟编码器的输出量基本上是形状为sin和cos函数的模拟量，数字量编码器则是一连串的脉冲数字信号。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，兼容目前通用的同步电机的各种编码器，解码计算出速度和转子位置，并通过PROFINET连入工业以太网，实现信息共享。
本发明基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，包括电机侧速度位置编码器接口部分，MCU实时控制部分以及PROFINET网络接口部分。
所述电机侧速度位置编码器接口部分用于将电机侧速度位置编码器所接入的模拟量或者数字量信号通过滤波、隔离和调制，转换成实时控制MCU部分能够接受的信号形式。
所述MCU实时控制部分是主要的运算单元，用于将编码器所接入的模拟量和数字量进行细分和计算，得到同步电机的速度和位置信号。
所述PROFINET网络接口部分用于将MCU计算得到的速度和位置信息接入PROFINET网络。
本发明的优点在于：
1、本发明基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，兼有模拟量编码器、增量式光电编码器和绝对式光电编码器三种接口，可根据情况选用，基本涵盖现有同步电机位置和速度检测信号。
2、本发明基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，可将同步电机位置和速度检测信号通过PROFINET接口连入工业以太网，实现信息共享。
附图说明
图1为本发明基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，分为三部分，包括电机侧速度位置编码器接口部分，MCU实时控制部分以及PROFINET网络接口部分。
电机侧速度位置编码器接口部分用于将电机侧速度位置编码器所接入的模拟量或者数字量信号通过滤波、隔离和调制，转换成实时控制MCU部分能够接受的信号形式，包括模拟量编码器适配电路、增量式光电编码器适配电路和绝对式光电编码器适配电路。
电机侧速度位置编码器接口部分的输入信号分为三组，第一组是A+、A-、B+、B-、Z+、Z-信号，为由增量式光电编码器产生的差分电信号，信号经过端子接入电机侧速度位置编码器接口部分后，经增量式光电编码器适配电路的芯片AM26LS32转化成单端信号Ap、Bp、Zp信号，接入MCU。
第二组是CLK+、CLK-、DATA+、DATA-信号，为绝对式光电编码器和MCU的通信信号，信号经过端子接入电机侧速度位置编码器接口部分。MCU通过端口MOSI发出的Clkp信号，经过绝对式光电编码器适配电路的芯片DS89C21生成数据信号Datap，接入MCU的MISO端口。
第三组是模拟量信号SIN，COS，信号经过端子接入电机侧速度位置编码器接口部分后，经过增量式光电编码器适配电路的芯片LM2904进行滤波和信号调理后接入MCU。
MCU实时控制部分是主要的运算单元，用于将编码器所接入的模拟量和数字量进行细分和计算，得到同步电机的速度和位置信号。本发明采用TI公司的32位浮点高性能微处理器TI的C2000TMTMS320F28379,其支持新双核C28x架构,大大提升了系统性能,每核信号处理性能200MHz,集成模拟和控制外设使高端系统的设计者合并控制体系结构,不需要多个处理器。采用微处理器TMS320F28379可以实现和编码器直接对接，不再需要采用业内常用的FPGA+MCU方式，节约了成本和编程的工作量。
前述Ap、Bp、Zp信号分别接入到TMS320F28379的正交编码脉冲电路A管脚EQEP1A、正交编码脉冲电路B管脚EQEP1B与正交编码脉冲电路INDEX管脚EQEP1I上。TMS320F28379接收到Ap、Bp、Zp三个信号后，通过MT混合测速法得到电机的转速、方向以及位置信号。
TMS320F28379根据采用的绝对式光电编码器的SSI通信协议，产生同步时钟Clkp信号通过端口MOSI发送给绝对式光电编码器适配电路，绝对式光电编码器适配电路接到同步时钟信号后，转化成差分电信号CLK+、CLK-，发送给绝对式光电编码器适配电路，绝对式光电编码器适配电路收到该信号后产生的数据信号DATA+、DATA-，DATA+、DATA-信号经绝对式光电编码器适配电路的芯片DS89C21转化成单端信号Datap。TMS320TMS320F28379接受绝对式光电编码器适配电路的Datap信号，经过解码算法解码成得到电机的转速、方向以及位置信号。
模拟量编码器的SIN、COS信号经滤波和信号调理成MCU可接受的3V电压信号Sinp后，接入到TMS320F28379的16bit ADC单元内，经过细分计算得到电机的转速、方向以及位置信号。
PROFINET网络接口部分用于将MCU计算得到的速度和位置信息接入PROFINET网络。本发明采用西门子公司的ERTEC200P芯片，该芯片是一种集成Profinet协议的IP Core，内核是标准的250MHz ARM926EJ-S,支持IRT。其中PNPLL可以提供IRT cycle time(31.25uS)的同步输出；具有两个100M以太网物理层(PHY)；具有专门的主机接口XHIF。通过主机接口，其他的控制器(ARM,DSP等)可以通过16/32位并行接口直接访问片内的地址空间，相当于内置的双端口RAM。
TMS320F28379的数据线XD0～XD15管脚和ERTEC200P的数据线XINFD0～XINFD15管脚一一连接。微处理器TMS320F28379的地址线XA0～XA15管脚和ERTEC200P的地址线XINFA0～XINFA015管脚一一连接。微处理器TMS320F28379的读写XRD、XWE管脚和ERTEC200P的XINFRD、XINFWE管脚相连，TMS320F28379的EMIF1_CS0n管脚和ERTEC200P的XCS_M管脚相连，将TMS320F28379的外部存储空间0x8000 0000-0x8FFF FFFF分配给PROFINET数据区。TMS320F28379的EMIF1_CS2n管脚和ERTEC200P的XCS_R_A20管脚相连，将TMS320F28379的外部存储空间0x0010 0000 0x002F FFFF分配给PROFINET的配置寄存器区。TMS320F28379的GPIO16管脚和ERTEC200P的XRDY管脚相连,从而使得TMS320F28379可以读取ERTEC200P芯片的状态。TMS320F28379的GPIO17管脚和ERTEC200P的XIRQ管脚相连，从而使得ERTEC200P数据通信作为外部中断接入TMS320F28379，因而可以对数据通信进行快速反应。
上述ERTEC200P提供2个以太网口P0和P1，将ERTEC200P的P0和P1端口的管脚连接到标准网线接口RJ45，实现ERTEC200P和MCU见可实现数据通信。

Claims (1)

1.一种基于PROFINET协议的通用同步电机速度位置检测系统，其特征在于：
包括电机侧速度位置编码器接口部分，MCU部分以及PROFINET网络接口部分；
所述电机侧速度位置编码器接口部分用于将电机侧速度位置编码器所接入的模拟量或者数字量信号通过滤波、隔离和调制，转换成MCU能够接受的信号形式；电机侧速度位置编码器接口部分包括模拟量编码器适配电路、增量式光电编码器适配电路和绝对式光电编码器适配电路；
电机侧速度位置编码器接口部分的输入信号分为三组，第一组增量式光电编码器产生的差分电信号，信号经过端子接入电机侧速度位置编码器接口部分后，经增量式光电编码器适配电路转化成单端信号Ap、Bp、Zp，接入MCU；MCU通过MT混合测速法得到电机的转速、方向以及位置信号；
第二组是绝对式光电编码器和MCU的通信信号，信号经过端子接入电机侧速度位置编码器接口部分；MCU通过发出的Clkp信号，经过绝对式光电编码器适配电路生成数据信号Datap，接入MCU；经MCU进行解码算法解码后，得到电机的转速、方向以及位置信号；
第三组是模拟量信号，经过端子接入电机侧速度位置编码器接口部分后，经过增量式光电编码器适配电路进行滤波和信号调理后接入MCU；经过MCU进行细分计算得到电机的转速、方向以及位置信号；
所述MCU是主要的运算单元，用于将编码器所接入的模拟量和数字量进行细分和计算，得到同步电机的速度和位置信号；MCU采用32位浮点高性能微处理器TMS320F28379，前述Ap、Bp、Zp信号分别接入到TMS320F28379的正交编码脉冲电路A管脚EQEP1A、正交编码脉冲电路B管脚EQEP1B与正交编码脉冲电路INDEX管脚EQEP1I上；TMS320F28379接收到Ap、Bp、Zp三个信号后，通过MT混合测速法得到电机的转速、方向以及位置信号；
TMS320F28379根据采用的绝对式光电编码器的SSI通信协议，产生同步时钟Clkp信号通过端口MOSI发送给绝对式光电编码器适配电路，绝对式光电编码器适配电路接到同步时钟信号后，转化成差分电信号CLK+、CLK-，发送给绝对式光电编码器适配电路，绝对式光电编码器适配电路收到该信号后产生的数据信号DATA+、DATA-，DATA+、DATA-信号经绝对式光电编码器适配电路的芯片DS89C21转化成单端信号Datap；TMS320F28379接受绝对式光电编码器适配电路的Datap信号，经过解码算法解码成得到电机的转速、方向以及位置信号；
模拟量编码器的SIN、COS 信号经滤波和信号调理成MCU可接受的3V电压信号Sinp后，接入到TMS320F28379的16 bit ADC单元内，经过细分计算得到电机的转速、方向以及位置信号；
所述PROFINET网络接口部分用于将MCU计算得到的速度和位置信息接入PROFINET网络；PROFINET网络接口部分采用ERTEC200P芯片，ERTEC200P提供2个以太网口P0和P1，将ERTEC200P的P0和P1端口的管脚连接到标准网线接口RJ45，实现ERTEC200P和MCU间数据通信；TMS320F28379的数据线XD0~XD15管脚和ERTEC200P的数据线XINFD0~XINFD15管脚一一连接；
微处理器 TMS320F28379的地址线XA0~XA15管脚和ERTEC200P的地址线XINFA0~XINFA015管脚一一连接；微处理器TMS320F28379的读写XRD、XWE管脚和ERTEC200P的XINFRD、XINFWE管脚相连，TMS320F28379的EMIF1_CS0n管脚和ERTEC200P的XCS_M管脚相连，将TMS320F28379的外部存储空间0x8000 0000-0x8FFF FFFF分配给PROFINET数据区；TMS320F28379的EMIF1_CS2n管脚和ERTEC200P的XCS_R_A20管脚相连，将TMS320F28379的外部存储空间0x0010 0000 0x002F FFFF分配给PROFINET的配置寄存器区；TMS320F28379的GPIO16管脚和ERTEC200P的XRDY管脚相连,从而使得TMS320F28379可以读取ERTEC200P芯片的状态；
TMS320F28379的GPIO17管脚和ERTEC200P的XIRQ管脚相连，从而使得ERTEC200P数据通信作为外部中断接入TMS320F28379，因而可以对数据通信进行快速反应。
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