CN109728754A - 一种嵌入式双核电机控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式双核电机控制系统及其工作方法。控制系统包括双核处理器模块、外设资源、驱动模块、三相无刷直流电机模块和多传感器模块。双核处理器模块包括ARM处理器和DSP处理器。ARM处理器，用于人机交互的实现，包括设置控制参数、采集电机运行参数和传感器信息并实时显示供用户读取。DSP处理器，用于读取霍尔传感器数值信息和电机各相电流信息，获取电机转子的旋转位置、速度信息，并通过轨迹规划、插补运算确定控制信号并输出，从而控制电机的启停、速度和正反转。本发明能够在保证电机控制精确性和实时性的基础上，提高通用性和抗干扰能力，减小控制器体积，适用于工业环境。

Description

一种嵌入式双核电机控制系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及直流无刷电机自动控制技术领域，具体涉及一种嵌入式双核电机控制系统及其工作方法。

背景技术

电机作为现代工业生产中最主要的动力输出方式，一直以来备受人们的关注。随着电机在自动化产业中不断普及，对电机的控制要求也越来越高。

对于电机控制器，我国无论是在起步时间还是发展水平上都在一定程度上落后于发达国家。目前，国内的控制器主要有三大类：第一种是一单片机或微处理器作为核心的控制器。这类控制器虽然成本较低，但运行速度慢，精度不高，无法应用于快速精确控制的场合。第二种是一专用控制芯片作为核心的控制器。这类控制器可靠性较高，性能稳定，但大多只能工作于开环控制方式，并且无法进行二次开发，灵活性不高，对于具体的控制场合有很大的局限性。第三种是基于PC总线的以DSP和FPGA为核心的开放式控制器。这类控制器信息处理能力强，开放程度高，控制精度高，是目前国内的主流产品。但这种PC+控制器的形式一方面对于生产环境有一定的要求，在一些环境较差的工业现场无法保证长期稳定工作，另一方面由于PC资源利用率低，造成PC资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种嵌入式双核电机控制系统及其工作方法，该系统及其工作方法能够在保证电机控制精确性和实时性的基础上，提高通用性和抗干扰能力，减小控制器体积，适用于工业环境。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种嵌入式双核电机控制系统，包括双核处理器模块、外设资源、驱动模块、三相无刷直流电机模块和多传感器模块。所述双核处理器模块包括ARM处理器和DSP处理器，二者之间通过共享内存的方式来进行通信；所述外设资源与双核处理器模块交互连接；所述三相无刷直流电机模块包括三相无刷直流电机和设置在三相无刷直流电机上的霍尔传感器；所述驱动模块与DSP处理器交互连接，驱动模块的输出端与三相无刷直流电机的输入端相连；所述多传感器模块与双核处理器模块相连；所述ARM处理器，用于人机交互的实现，包括设置控制参数、采集电机运行参数和传感器信息并实时显示供用户读取；所述DSP处理器，用于读取霍尔传感器数值信息和电机各相电流信息，获取电机转子的旋转位置、速度信息，并通过轨迹规划、插补运算确定控制信号并输出，从而控制电机的启停、速度和正反转。

进一步的，所述双核处理器模块采用OMAPL138芯片。

进一步的，所述ARM处理器与DSP处理器之间是通过中断的方式读写共享内存来实现数据传输的。

进一步的，所述外设资源包括NAND FLASH存储器、DDR2存储器、触摸屏、SPI接口、USB接口、UART接口、以太网接口和I2C接口。

进一步的，所述驱动模块，用于三相直流无刷电机的转速调节；所述驱动模块，向DSP处理器发送故障信息、电流信息，并接收处理器发送来的控制信号；所述控制信号包括PWM信号、正反转信号、启停信号和刹车信号；同时，所述驱动模块还接收设置在三相直流无刷电机上的霍尔传感器的信号，得到电机的速度信息。

进一步的，所述驱动模块内部有保护电路，包括欠压保护、短路保护、过流保护和温度保护。

进一步的，所述多传感器模块，用于检测电机运行过程中的状态信息，并发送给双核处理器模块作为反馈信息；所述多传感器模块包括多维力传感器、视觉传感器和温度传感器；所述多维力传感器的输出端、视觉传感器的输出端均与ARM处理器的输入端相连；所述温度传感器的输入端接驱动模块的输出端，温度传感器的输出端接保护电路的输入端。

本发明还涉及一种上述嵌入式双核电机控制系统的工作方法，该方法包括以下步骤：（1）系统启动后，能源与休眠配置模块使能ARM处理器，进行初始化操作；此时ARM处理器端的Linux操作系统开始运行。

（2）在ARM处理器端Linux操作系统的程序中通过DSP LINK库函数加载DSP处理器端的应用程序到内存，使用库函数中的PROC函数启动DSP处理器，DSP处理器开始运行。

（3）ARM处理器对用户输入的命令进行编译与预处理之后，将数据写入共享内存，然后ARM处理器通过DSP LINK库函数给DSP处理器发送一个中断信号。

（4）DSP处理器收到中断信号后：若DSP处理器正在执行实时性高的运动控制指令，则DSP处理器暂时不会响应ARM处理器的中断信号，数据暂时存放在共享内存中，直到DSP处理器执行完前一个指令后才响应中断，读取数据；若DSP处理器没有执行命令或执行实时性不高的命令，则会立即读取共享内存中的数据。

（5）DSP处理器收到数据后首先判断数据类型，并根据不同的数据类型来调用相应的处理函数：若是运动命令，则执行速度规划、插补运算；若是控制命令或参数修改命令，则立即响应，执行相应的处理函数。

（6）DSP处理器对接受到的数据命令执行完成后会将转改参数信息存入共享内存中，并发送一个中断信号给ARM处理器，ARM处理器接收到中断信号后读取共享内存中的数据。

和现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用的ARM处理器运行嵌入式系统，主要负责人机交互，包括设置控制参数，采集电机运行参数和传感器信息并在屏幕实时显示供用户读取；另外，用户通过嵌入式系统来配置控制参数：PID参数，传感器采样参数，电机速度参数。本发明采用的DSP处理器负责读取霍尔传感器的数值以及电机各相电流信息，获取三相无刷电机转子的位置、速度信息，并通过加减速运算和插补运算输出相应的PWM信号给驱动模块。本发明所采用的ARM处理器和DSP处理器之间采用共享内存进行连接，通过中断的方式读写共享内存来实现双核通信，而不是经过复杂的总线协议，降低了用户操作的复杂度，有利于提高工作效率。本发明充分利用ARM处理器与DSP处理器各自的优势来完成电机的控制，提高控制的实时性和精确性。本发明将驱动模块与控制器集成在一起，这种方式有利于简化系统结构，提高系统的集成度。

附图说明

图1是本发明中控制系统的结构框图；

图2是本发明中控制系统的工作方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的一种嵌入式双核电机控制系统，包括双核处理器模块、外设资源、驱动模块、三相无刷直流电机模块和多传感器模块。所述双核处理器模块包括ARM处理器和DSP处理器，二者之间通过共享内存的方式来进行通信。所述外设资源与双核处理器模块交互连接。所述三相无刷直流电机模块包括三相无刷直流电机和设置在三相无刷直流电机上的霍尔传感器。所述驱动模块与DSP处理器交互连接，驱动模块的输出端与三相无刷直流电机的输入端相连。所述多传感器模块与双核处理器模块相连。所述ARM处理器，用于人机交互的实现，包括设置控制参数、采集电机运行参数和传感器信息并实时显示供用户读取。所述DSP处理器，用于读取霍尔传感器数值信息和电机各相电流信息，获取电机转子的旋转位置、速度信息，并通过轨迹规划、插补运算确定控制信号并输出，从而控制电机的启停、速度和正反转。

进一步的，所述双核处理器模块采用OMAPL138芯片，该芯片内部集成了定点/浮点DSP处理器与ARM处理器，DSP处理器为C674X，ARM处理器为ARM9内核，双核主频456MHz。

进一步的，所述ARM处理器与DSP处理器之间是通过中断的方式读写共享内存来实现数据传输的。

进一步的，所述外设资源包括NAND FLASH存储器、DDR2存储器、触摸屏、SPI接口、USB接口、UART接口、以太网接口和I2C接口。所述NAND FLASH存储器和DDR2存储器，用于存储程序与数据。所述触摸屏，用于用户命令的输入以及电机运行状态的显示。所述SPI接口、USB接口、UART接口、以太网接口和I2C接口，作为控制器与其他扩展模块的接口。

进一步的，所述驱动模块，用于三相直流无刷电机的转速调节。所述驱动模块，向DSP处理器发送故障信息、电流信息，并接收处理器发送来的控制信号。所述控制信号包括PWM信号、正反转信号、启停信号和刹车信号。同时，所述驱动模块还接收设置在三相直流无刷电机上的霍尔传感器的信号，得到电机的速度信息。所述三相直流无刷电机接收驱动模块的驱动信号开始运转，并通过霍尔传感器将速度信息传送给DSP处理器和驱动模块作为反馈。

进一步的，所述驱动模块内部有保护电路，包括欠压保护、短路保护、过流保护和温度保护。

进一步的，所述多传感器模块，用于检测电机运行过程中的状态信息，并发送给双核处理器模块作为反馈信息；所述多传感器模块包括多维力传感器、视觉传感器和温度传感器；所述多维力传感器的输出端、视觉传感器的输出端均与ARM处理器的输入端相连；所述温度传感器的输入端接驱动模块的输出端，温度传感器的输出端接保护电路的输入端。

上述嵌入式双核电机控制系统的工作过程为：

用户首先设置电机的运动参数（位置，速度，加速度），由ARM处理器进行识别和预处理，然后通过共享内存将数据共享给DSP处理器进行运算，并输出相应频率的PWM脉冲来给驱动模块，从而控制电机的运转。电机运转时，相应的传感器将电机的当前信息反馈给DSP处理器，DSP处理器通过PID算法进行调节，使电机快速准确地到达用户要求的位置；同时，驱动模块内部的保护电路也实时监控电机运行参数（电流、电压、温度），以保证系统发生故障时能够及时停止运行，确保安全。

如图2所示，本发明还涉及一种上述嵌入式双核电机控制系统的工作方法，该方法包括以下步骤：（1）系统启动后，能源与休眠配置模块使能ARM处理器，进行初始化操作；此时ARM处理器端的Linux操作系统开始运行。

（2）在ARM处理器端Linux操作系统的程序中通过DSP LINK库函数加载DSP处理器端的应用程序到内存，使用库函数中的PROC函数启动DSP处理器，DSP处理器开始运行。

（3）ARM处理器对用户输入的命令进行编译与预处理之后，将数据写入共享内存，然后ARM处理器通过DSP LINK库函数给DSP处理器发送一个中断信号。

（4）DSP处理器收到中断信号后会出现两种情况：一是DSP处理器正在执行实时性高的运动控制指令，此时DSP处理器暂时不会响应ARM处理器的中断信号，数据暂时存放在共享内存中，直到DSP处理器执行完前一个指令后才响应中断，读取数据；二是DSP处理器没有执行命令或执行实时性不高的命令，此时会立即读取共享内存中的数据。

（5）DSP处理器收到数据后首先判断数据类型，并根据不同的数据类型来调用相应的处理函数：若是运动命令，则执行速度规划、插补运算；若是控制命令或参数修改命令，则立即响应，执行相应的处理函数。

（6）DSP处理器对接受到的数据命令执行完成后会将转改参数信息存入共享内存中，并发送一个中断信号给ARM处理器，ARM处理器接收到中断信号后读取共享内存中的数据。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：包括双核处理器模块、外设资源、驱动模块、三相无刷直流电机模块和多传感器模块；所述双核处理器模块包括ARM处理器和DSP处理器，二者之间通过共享内存的方式来进行通信；所述外设资源与双核处理器模块交互连接；所述三相无刷直流电机模块包括三相无刷直流电机和设置在三相无刷直流电机上的霍尔传感器；所述驱动模块与DSP处理器交互连接，驱动模块的输出端与三相无刷直流电机的输入端相连；所述多传感器模块与双核处理器模块相连；所述ARM处理器，用于人机交互的实现，包括设置控制参数、采集电机运行参数和传感器信息并实时显示供用户读取；所述DSP处理器，用于读取霍尔传感器数值信息和电机各相电流信息，获取电机转子的旋转位置、速度信息，并通过轨迹规划、插补运算确定控制信号并输出，从而控制电机的启停、速度和正反转。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：所述双核处理器模块采用OMAPL138芯片。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：所述ARM处理器与DSP处理器之间通过中断的方式读写共享内存来实现数据传输。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：所述外设资源包括NAND FLASH存储器、DDR2存储器、触摸屏、SPI接口、USB接口、UART接口、以太网接口和I2C接口。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：所述驱动模块，用于三相直流无刷电机的转速调节；所述驱动模块，向DSP处理器发送故障信息、电流信息，并接收处理器发送来的控制信号；所述控制信号包括PWM信号、正反转信号、启停信号和刹车信号；同时，所述驱动模块还接收设置在三相直流无刷电机上的霍尔传感器的信号，得到电机的速度信息。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：所述驱动模块内部有保护电路。

7.根据权利要求6所述的一种嵌入式双核电机控制系统，其特征在于：所述多传感器模块，用于检测电机运行过程中的状态信息，并发送给双核处理器模块作为反馈信息；所述多传感器模块包括多维力传感器、视觉传感器和温度传感器；所述多维力传感器的输出端、视觉传感器的输出端均与ARM处理器的输入端相连；所述温度传感器的输入端接驱动模块的输出端，温度传感器的输出端接保护电路的输入端。

8.根据权利要求1~7任意一项所述的一种嵌入式双核电机控制系统的工作方法，其特征在于；该方法包括以下步骤：（1）系统启动后，能源与休眠配置模块使能ARM处理器，进行初始化操作；此时ARM处理器端的Linux操作系统开始运行；

（2）在ARM处理器端Linux操作系统的程序中通过DSP LINK库函数加载DSP处理器端的应用程序到内存，使用库函数中的PROC函数启动DSP处理器，DSP处理器开始运行；

（3）ARM处理器对用户输入的命令进行编译与预处理之后，将数据写入共享内存，然后ARM处理器通过DSP LINK库函数给DSP处理器发送一个中断信号；

（4）DSP处理器收到中断信号后：若DSP处理器正在执行实时性高的运动控制指令，则DSP处理器暂时不会响应ARM处理器的中断信号，数据暂时存放在共享内存中，直到DSP处理器执行完前一个指令后才响应中断，读取数据；若DSP处理器没有执行命令或执行实时性不高的命令，则会立即读取共享内存中的数据；

（5）DSP处理器收到数据后首先判断数据类型，并根据不同的数据类型来调用相应的处理函数：若是运动命令，则执行速度规划、插补运算；若是控制命令或参数修改命令，则立即响应，执行相应的处理函数；

（6）DSP处理器对接受到的数据命令执行完成后会将转改参数信息存入共享内存中，并发送一个中断信号给ARM处理器，ARM处理器接收到中断信号后读取共享内存中的数据。