CN109491332B - 一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统 - Google Patents

一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统 Download PDF

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Abstract

一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，涉及机电伺服控制领域；包括如处理器单元、存储器单元、总线接口单元、指令输出单元和信号处理单元；其中，处理器单元包括异步串口模块、SRAM模块、SPI总线模块、SSI解码模块、AD转换模块、控制算法模块和PWM模块；总线接口单元包括隔离变换模块、网络变压模块和网络协议控制模块；信号处理单元包括R/D变换模块、隔离变换模块、A/D变换模块和信号调理模块；本发明提高了伺服控制驱动器的集成化程度、提高控制算法的执行速度和并行能力，实现多电机高速同步控制。

Description

一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统
技术领域
本发明涉及一种机电伺服控制领域，特别是一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统。
背景技术
液压型伺服机构包含机械反馈式和电反馈式，在目前的技术中：
目前各型号在研的机电伺服系统中，用于永磁同步电机控制的控制驱动器，其核心多采用基于DSP+FPGA+总线控制器架构，DSP用于闭环及FOC算法实现，FPGA用于逻辑译码、PWM扩展和死区控制，总线控制器实现与上位机的数据交互；采用120MHz主频，电流环控制周期在50us～100us之间，一台控制驱动器一般同时控制2-4台电机，多电机控制时，各电机的FOC控制采用顺序执行的串行结构，闭环控制周期可能需要更长时间，多电机间不易实现良好的同步控制；
随着伺服技术的发展，对控制驱动机构一体化的需求、多轴控制、高速控制愈加强烈，传统技术已不能满足需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，提高了伺服控制驱动器的集成化程度、提高控制算法的执行速度和并行能力，实现多电机高速同步控制。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，包括如处理器单元、存储器单元、总线接口单元、指令输出单元和信号处理单元；其中，处理器单元包括异步串口模块、SRAM模块、SPI总线模块、SSI解码模块、AD转换模块、控制算法模块和PWM模块；总线接口单元包括第一隔离变换模块、网络变压模块和网络协议控制模块；信号处理单元包括R/D变换模块、第二隔离变换模块、A/D变换模块和信号调理模块；
存储器单元：预先输入控制参数，并将控制参数发送至控制算法模块；
第一隔离变换模块：接收外部控制系统传来的控制指令，并将控制指令发送至异步串口模块；
异步串口模块：接收第一隔离变换模块传来的控制指令，对控制指令进行解析，生成位置指令，并将位置指令发送至控制算法模块；
网络变压模块：接收外部控制系统传来的网络信号；将网络信号转发至网络协议控制模块；
网络协议控制模块：接收网络变压模块传来的网络信号，对网络信号进行解析生成控制指令；并将控制指令发送至SRAM模块；
SRAM模块：接收网络协议控制模块传来的控制指令，对控制指令进行解析，生成位置指令；并将位置指令发送至控制算法模块；
R/D变换模块：接收外部旋转变压器传来的旋变信号，将旋变信号转换成串行角度数字信号和串行速度数字信号；并将串行角度数字信号和串行速度数字信号发送至SPI总线模块；
SPI总线模块：接收R/D变换模块传来的串行角度数字信号和串行速度数字信号，将串行角度数字信号和串行速度数字信号转换成并行旋变标准信号；并将并行旋变标准信号发送至控制算法模块；
第二隔离变换模块：接收外部位置传感器传来的差分位移信号，将差分位移信号转换成单端串行位移信号，并将单端串行位移信号发送至SSI解码模块；
SSI解码模块：接收第二隔离变换模块传来的单端串行位移信号，将单端串行位移信号转换成并行位移信号；并将并行位移信号发送至控制算法模块；
信号调理模块：接收外部电机传来的U/V相电流；对U/V相电流依次进行滤波、增益处理，生成滤波增益调理后的U/V相电流；并将滤波增益调理后的U/V相电流发送至A/D变换模块；
A/D变换模块：接收信号调理模块传来的滤波增益调理后的U/V相电流，进行模数转换处理，生成U/V相电流数字信号；并将U/V相电流数字信号发送至AD转换模块；
AD转换模块：接收A/D变换模块传来的U/V相电流数字信号，将U/V相电流数字信号转发至控制算法模块；
控制算法模块：接收存储器单元传来的控制参数；接收异步串口模块传来的位置指令；接收SRAM模块传来的位置指令；接收SPI总线模块传来的并行旋变标准信号；接收SSI解码模块传来的并行位移信号；接收AD转换模块传来的U/V相电流数字信号；汇总解析，得到占空比数据；并将占空比数据发送至PWM模块；
PWM模块：接收控制算法模块传来的占空比数据，根据占空比数据生成PWM信号，并将PWM信号发送至指令输出单元；
指令输出单元：接收PWM模块传来的PWM信号，对PWM信号进行放大处理，生成放大后的PWM信号；并将放大后的PWM信号输出至外部功率驱动电路。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述的隔离变换模块通过422总线接收外部控制系统传来的控制指令；网络变压模块通过以太网接收外部控制系统传来的网络信号。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述异步串口模块的通信速率为1Mbps。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述网络协议控制模块的通信速率为1Mbps。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述SRAM模块的位宽为8bit。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述SPI总线模块的时钟频率为25MHz。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述SSI解码模块的时钟频率为1MHz。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述A/D变换模块的模数转换精度为16bit，模数转换速率为200kHz。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述控制算法模块的执行时间小于10μm。
在上述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，所述PWM模块的频率不小于10kHz。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明提高伺服控制驱动器的集成化程度、提高控制算法的执行速度和并行能力，实现多电机高速同步控制；
(2)本发明控制流程、控制算法的硬件加速和IP复用实现；优化控制流程，加入并行处理环节，在保证高速闭环控制前提下，可同时控制更多的电机；
(3)本发明达到闭环计算时间不受被控电机数量影响，达到多轴高速控制的目的。
附图说明
图1为本发明多轴并行控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提供了一种高度集成化的机电伺服控制装置，算法、逻辑、总线集成实现，单电机FOC控制周期达到微秒级，非常适合高速电机控制，多电机采用高度并行化的多通道FOC控制方案，非常适用于多伺服机构同步控制、多轴运动控制和机械臂等智能控制。
如图1所示为多轴并行控制系统示意图，由图可知，一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，包括如处理器单元、存储器单元、总线接口单元、指令输出单元和信号处理单元；其中，处理器单元包括异步串口模块、SRAM模块、SPI总线模块、SSI解码模块、AD转换模块、控制算法模块和PWM模块；总线接口单元包括第一隔离变换模块、网络变压模块和网络协议控制模块；信号处理单元包括R/D变换模块、第二隔离变换模块、A/D变换模块和信号调理模块；其中，异步串口模块的通信速率为1Mbps。所述网络协议控制模块的通信速率为1Mbps。所述SRAM模块的位宽为8bit。所述SPI总线模块的时钟频率为25MHz。所述SSI解码模块的时钟频率为1MHz。所述A/D变换模块的模数转换精度为16bit，模数转换速率为200kHz。所述控制算法模块的执行时间小于10μm。所述PWM模块的频率不小于10kHz。
存储器单元：预先输入控制参数，并将控制参数发送至控制算法模块；
第一隔离变换模块：接收外部控制系统传来的控制指令，并将控制指令发送至异步串口模块；
异步串口模块：接收第一隔离变换模块传来的控制指令，对控制指令进行解析，生成位置指令，并将位置指令发送至控制算法模块；
网络变压模块：接收外部控制系统传来的网络信号；将网络信号转发至网络协议控制模块；隔离变换模块通过422总线接收外部控制系统传来的控制指令；网络变压模块通过以太网接收外部控制系统传来的网络信号。
网络协议控制模块：接收网络变压模块传来的网络信号，对网络信号进行解析生成控制指令；并将控制指令发送至SRAM模块；
SRAM模块：接收网络协议控制模块传来的控制指令，对控制指令进行解析，生成位置指令；并将位置指令发送至控制算法模块；
R/D变换模块：接收外部旋转变压器传来的旋变信号，将旋变信号转换成串行角度数字信号和串行速度数字信号；并将串行角度数字信号和串行速度数字信号发送至SPI总线模块；
SPI总线模块：接收R/D变换模块传来的串行角度数字信号和串行速度数字信号，将串行角度数字信号和串行速度数字信号转换成并行旋变标准信号；并将并行旋变标准信号发送至控制算法模块；
第二隔离变换模块：接收外部位置传感器传来的差分位移信号，将差分位移信号转换成单端串行位移信号，并将单端串行位移信号发送至SSI解码模块；
SSI解码模块：接收第二隔离变换模块传来的单端串行位移信号，将单端串行位移信号转换成并行位移信号；并将并行位移信号发送至控制算法模块；
信号调理模块：接收外部电机传来的U/V相电流；对U/V相电流依次进行滤波、增益处理，生成滤波增益调理后的U/V相电流；并将滤波增益调理后的U/V相电流发送至A/D变换模块；
A/D变换模块：接收信号调理模块传来的滤波增益调理后的U/V相电流，进行模数转换处理，生成U/V相电流数字信号；并将U/V相电流数字信号发送至AD转换模块；
AD转换模块：接收A/D变换模块传来的U/V相电流数字信号，将U/V相电流数字信号转发至控制算法模块；
控制算法模块：接收存储器单元传来的控制参数；接收异步串口模块传来的位置指令；接收SRAM模块传来的位置指令；接收SPI总线模块传来的并行旋变标准信号；接收SSI解码模块传来的并行位移信号；接收AD转换模块传来的U/V相电流数字信号；汇总解析，得到占空比数据；并将占空比数据发送至PWM模块；
PWM模块：接收控制算法模块传来的占空比数据，根据占空比数据生成PWM信号，并将PWM信号发送至指令输出单元；
指令输出单元：接收PWM模块传来的PWM信号，对PWM信号进行放大处理，生成放大后的PWM信号；并将放大后的PWM信号输出至外部功率驱动电路。
工作过程为：
初始化工作完成后，处理器等待中断信号，PWM模块周期性输出中断信号，使处理器进行中断入口，同时启动处理器单元中SPI总线模块、SSI解码模块、AD转换模块；各模块并行执行一次采集转换操作，中断函数中等待所有转换完成，读取转换结果，并将指令和状态参数写入控制算法，等待计算完成后，读取计算结果并写入PWM模块，更新寄存器，调整输出PWM信号的占空比，实现电机的闭环控制，同时向总线返回遥测数据。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：包括如处理器单元、存储器单元、总线接口单元、指令输出单元和信号处理单元；其中，处理器单元包括异步串口模块、SRAM模块、SPI总线模块、SSI解码模块、AD转换模块、控制算法模块和PWM模块；总线接口单元包括第一隔离变换模块、网络变压模块和网络协议控制模块；信号处理单元包括R/D变换模块、第二隔离变换模块、A/D变换模块和信号调理模块；
存储器单元：预先输入控制参数，并将控制参数发送至控制算法模块；
第一隔离变换模块：接收外部控制系统传来的控制指令，并将控制指令发送至异步串口模块；
异步串口模块：接收第一隔离变换模块传来的控制指令，对控制指令进行解析，生成位置指令，并将位置指令发送至控制算法模块；
网络变压模块：接收外部控制系统传来的网络信号；将网络信号转发至网络协议控制模块；
网络协议控制模块：接收网络变压模块传来的网络信号，对网络信号进行解析生成控制指令；并将控制指令发送至SRAM模块；
SRAM模块：接收网络协议控制模块传来的控制指令，对控制指令进行解析，生成位置指令；并将位置指令发送至控制算法模块；
R/D变换模块：接收外部旋转变压器传来的旋变信号，将旋变信号转换成串行角度数字信号和串行速度数字信号；并将串行角度数字信号和串行速度数字信号发送至SPI总线模块；
SPI总线模块：接收R/D变换模块传来的串行角度数字信号和串行速度数字信号，将串行角度数字信号和串行速度数字信号转换成并行旋变标准信号；并将并行旋变标准信号发送至控制算法模块；
第二隔离变换模块：接收外部位置传感器传来的差分位移信号，将差分位移信号转换成单端串行位移信号，并将单端串行位移信号发送至SSI解码模块；
SSI解码模块：接收第二隔离变换模块传来的单端串行位移信号，将单端串行位移信号转换成并行位移信号；并将并行位移信号发送至控制算法模块；
信号调理模块：接收外部电机传来的U/V相电流；对U/V相电流依次进行滤波、增益处理，生成滤波增益调理后的U/V相电流；并将滤波增益调理后的U/V相电流发送至A/D变换模块；
A/D变换模块：接收信号调理模块传来的滤波增益调理后的U/V相电流，进行模数转换处理，生成U/V相电流数字信号；并将U/V相电流数字信号发送至AD转换模块；
AD转换模块：接收A/D变换模块传来的U/V相电流数字信号，将U/V相电流数字信号转发至控制算法模块；
控制算法模块：接收存储器单元传来的控制参数；接收异步串口模块传来的位置指令；接收SRAM模块传来的位置指令；接收SPI总线模块传来的并行旋变标准信号；接收SSI解码模块传来的并行位移信号；接收AD转换模块传来的U/V相电流数字信号；汇总解析，得到占空比数据；并将占空比数据发送至PWM模块；
PWM模块：接收控制算法模块传来的占空比数据，根据占空比数据生成PWM信号，并将PWM信号发送至指令输出单元；
指令输出单元：接收PWM模块传来的PWM信号，对PWM信号进行放大处理，生成放大后的PWM信号；并将放大后的PWM信号输出至外部功率驱动电路；
并行控制系统的工作过程为：
初始化工作完成后，处理器单元等待中断信号，PWM模块周期性输出中断信号，使处理器进行中断入口，同时启动处理器单元中SPI总线模块、SSI解码模块、AD转换模块；各模块并行执行一次采集转换操作，中断函数中等待所有转换完成，读取转换结果，并将指令和状态参数写入控制算法，等待计算完成后，读取计算结果并写入PWM模块，更新寄存器，调整输出PWM信号的占空比，实现电机的闭环控制，同时向总线返回遥测数据。
2.根据权利要求1所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述的隔离变换模块通过422总线接收外部控制系统传来的控制指令；网络变压模块通过以太网接收外部控制系统传来的网络信号。
3.根据权利要求2所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述异步串口模块的通信速率为1Mbps。
4.根据权利要求3所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述网络协议控制模块的通信速率为1Mbps。
5.根据权利要求4所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述SRAM模块的位宽为8bit。
6.根据权利要求5所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述SPI总线模块的时钟频率为25MHz。
7.根据权利要求6所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述SSI解码模块的时钟频率为1MHz。
8.根据权利要求7所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述A/D变换模块的模数转换精度为16bit，模数转换速率为200kHz。
9.根据权利要求8所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述控制算法模块的执行时间小于10μm。
10.根据权利要求9所述的一种用于机电伺服的高速高精密多轴并行控制系统，其特征在于：所述PWM模块的频率不小于10kHz。
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