CN110138291A - 一种基于zynq双核处理器的电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，属于电路控制技术领域。该电机驱动器包括直流电机控制芯片和直流电机，还包括ZYNQ双核处理器、光电耦合器、MOSFET驱动电路；所述ZYNQ双核处理器，将采集的电机任务状态信息和控制指令信息进行计算得到PWM控制信号；所述光电耦合器，对所述PWM控制信号进行隔离后生成隔离后的信号，输出至所述直流电机控制芯片；所述直流电机控制芯片，接收到所述隔离后的信号后，生成驱动MOSFET电路的信号并输出至MOSFET驱动电路，以控制MOSFET管的通断；所述MOSFET驱动电路，接收到所述控制MOSFET管的通断的驱动MOSFET电路的信号后，通过MOSFET驱动电路的通断驱动直流电机转动。本发明基于ZYNQ双核处理器减少了处理器数量和系统体积，简化了硬件设计。

Description

一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器

技术领域

本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器。

背景技术

目前的直流电机驱动器的处理器大部分采用单核处理器(如DSP、ARM等)的控制方式，由一个处理器实现控制算法，用另外一个处理器给定指令、采集状态信息。两个处理器分布在两个芯片上，处理器之间采用数字总线或者模拟量传输的方式进行信息交互。处理器的数量较多，系统体积较大，硬件设计复杂，且通信时存在电气信号的电磁干扰与影响。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，以解决现有技术手段中存在的上述全部或部分问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，包括直流电机控制芯片和直流电机，还包括ZYNQ双核处理器、光电耦合器、MOSFET驱动电路；

所述ZYNQ双核处理器，将采集的电机任务状态信息和控制指令信息进行计算得到PWM控制信号；

所述光电耦合器，对所述PWM控制信号进行隔离后生成隔离后的信号，输出至所述直流电机控制芯片；

所述直流电机控制芯片，接收到所述隔离后的信号后，生成驱动MOSFET电路的信号并输出至MOSFET驱动电路，以控制MOSFET管的通断；

所述MOSFET驱动电路，接收到所述控制MOSFET管的通断的驱动MOSFET电路的信号后，通过MOSFET驱动电路的通断驱动直流电机转动。

进一步地，所述ZYNQ双核处理器的两个核集成于一个芯片上，包括核一和核二；所述核二用于控制电机驱动，所述核一用于控制电机驱动以外的其他任务。

进一步地，所述核二负责处理通过AD转换器采集到的飞行器或自动驾驶车的位置和力矩信息，并接收到所述核一发送的控制指令信息，计算误差后通过PID运算输出PWM控制信号；

所述控制指令信息包括位置或力指令信息，与位置或力矩采集值进行作差，再计算得到控制输出量PWM信号；输出的PWM信号为高低电平信号，不同占空比的PWM信号控制电机速度大小，驱动直流电机转动。

进一步地，计算误差后通过PID运算输出的PWM控制信号包括电机转速和转向；

根据控制指令信息进行位置或力闭环控制时，所述控制输出量PWM信号计算公式如下：

其中，C表示位置或力指令信息，S为当前位置或力矩采集值，KP、KI、KD分别为PID对应的系数；PWM大小表示电机转速，符号表示转向。

进一步地，所述光电耦合器将PWM控制信号中的处理器弱信号与直流电机控制芯片隔离后输出至直流电机控制芯片；

所述处理器弱信号包括转速信号PWM和转向信号DIR，与驱动光电耦合器前向共地，用于驱动光电耦合器导通；光电耦合器后端与直流电机控制芯片共地，使得处理器信号与电机驱动隔离。

进一步地，所述直流电机控制芯片将生成的驱动MOSFET电路的信号输出至MOSFET驱动电路，并控制该驱动电路内部MOSFET管的通断。

进一步地，电机控制软件运行在ZYNQ双核处理器的核二上，飞行控制或自动驾驶程序运行在核一上；核一与核二之间的通信通过读写双核共享内存实现，通信内容包括核一发给核二位置或力矩指令，核二采集当前位置或力矩值发给核一。

进一步地，所述双核共享内存对核一和核二进行读写数据，核一在共享内存区写完数据后发起中断1，核二收到中断1之后在共享内存区实现读数据的指令操作；读完数据后，核二将当前的位置、力矩值写入到共享内存区，写操作完成后，核二发起中断2，核一收到中断2之后在共享内存区实现读数据的操作。

进一步地，处理器外部的多个接口均被双核访问，以实现系统的可扩展。

进一步地，根据采集的电机任务状态信息和控制指令信息计算出PWM控制信号；其中，所述电机任务状态信息通过AD转换器采集发送给处理器核二处理，所述控制指令信息由核一发送给核二；

对所述PWM控制信号进行隔离后，由直流电机控制芯片根据隔离后的电机驱动大电流信号输出驱动MOSFET电路的信号；

MOSFET驱动电路驱动直流电机转动，并根据不同占空比的PWM信号控制电机速度大小。

本发明技术方案的有益效果：本发明公开了一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，采用基于ZYNQ双核处理器的方案，将电机控制程序与其它任务程序集成在一个处理器上，减少了处理器的数量，减小系统体积，简化硬件设计；采用双核共享内存的方式进行通信，减小通信时电气信号的干扰与影响，提高了系统的可靠性；同时，一个多核处理器的多种接口，均可被各核进行访问，提高了系统的扩展性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的常用直流电机驱动器示意图；

图2为本发明实施例的基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器示意图；

图3为本发明实施例的双核通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

针对目前的直流电机驱动器的处理器大部分采用单核处理器(如DSP、ARM等)的控制方式，由处理器实现控制算法，用另外一个处理器给定指令、采集状态信息。如图1所示，两个处理器分布在两个芯片上，处理器之间采用数字总线或者模拟量传输的方式进行信息交互。

本发明的一个具体实施例，如图2所示，公开了一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，包括直流电机控制芯片和直流电机，还包括ZYNQ双核处理器、光电耦合器、MOSFET驱动电路；

所述ZYNQ双核处理器，将采集的电机任务状态信息和控制指令信息进行计算得到PWM控制信号；

所述光电耦合器，对所述PWM控制信号进行隔离后生成隔离后的信号，输出至所述直流电机控制芯片；

所述直流电机控制芯片，接收到所述隔离后的信号后，生成驱动MOSFET电路的信号并输出至MOSFET驱动电路，以控制MOSFET管的通断；

所述MOSFET驱动电路，接收到所述控制MOSFET管的通断的驱动MOSFET电路的信号后，通过MOSFET驱动电路的通断驱动直流电机转动。

与现有技术相比，本发明技术方案的一体化、集成化设计，采用ZYNQ双核处理器作为核心，将电机控制软件、飞行控制等软件运行于一个处理器上，减少了处理器数量，简化了硬件设计；采用直流电机控制驱动芯片将控制直流电机的换向逻辑和MOSFET驱动功能集成到单片上，电路集成度高。

本发明的一个具体实施例，所述ZYNQ双核处理器的两个核集成于一个芯片上，包括核一和核二；所述核二用于控制电机驱动，所述核一用于控制电机驱动以外的其他任务。

具体地，ZYNQ双核处理器包含两个核，双核集成于1个芯片上。核二用于电机驱动控制，核一用于处理其它任务，如飞行控制任务、自动驾驶。双核用于处理不同的任务，在1个处理器上实现多任务系统协同控制。

本发明的一个具体实施例，所述核二负责处理通过AD转换器采集到的飞行器或自动驾驶车的位置和力矩信息，并接收到所述核一发送的控制指令信息，计算误差后通过PID运算输出PWM控制信号；

所述控制指令信息包括位置或力指令信息，与位置或力矩采集值进行作差，再计算得到控制输出量PWM信号；输出的PWM信号为高低电平信号，不同占空比的PWM信号控制电机速度大小，驱动直流电机转动。

具体地，以核二为核心，通过AD转换器采集位置、力矩等信息，处理器核二根据位置或力矩信息、核一发送的控制指令信息，计算误差，通过PID运算，得到控制输出量：PWM信号。

本发明的一个具体实施例，计算误差后通过PID运算输出的PWM控制信号包括电机转速和转向；

根据控制指令信息进行位置或力闭环控制时，所述控制输出量PWM信号计算公式如下：

其中，C表示位置或力指令信息，S为当前位置或力矩采集值，KP、KI、KD分别为PID对应的系数；PWM大小表示电机转速，符号表示转向。

本发明的一个具体实施例，所述光电耦合器将PWM控制信号中的处理器弱信号与直流电机控制芯片隔离后输出至直流电机控制芯片；

所述处理器弱信号包括转速信号PWM和转向信号DIR，与驱动光电耦合器前向共地，用于驱动光电耦合器导通；光电耦合器后端与直流电机控制芯片共地，使得处理器信号与电机驱动隔离。

也就是说，为实现处理器弱信号与电机驱动大电流信号的隔离，采用光电耦合器将PWM信号进行隔离处理，隔离后输出至直流电机控制芯片。

本发明的一个具体实施例，所述直流电机控制芯片将生成的驱动MOSFET电路的信号输出至MOSFET驱动电路，并控制该驱动电路内部MOSFET管的通断。

本发明的一个具体实施例，电机控制软件运行在ZYNQ双核处理器的核二上，飞行控制或自动驾驶程序运行在核一上；核一与核二之间的通信通过读写双核共享内存实现，通信内容包括核一发给核二位置或力矩指令，核二采集当前位置或力矩值发给核一。

具体地，采用ZYNQ双核处理器的电机驱动器，设计飞行控制或者自动驾驶等其它程序时，只需将其与电机控制软件同时运行于ZYNQ芯片上的不同核上，前者运行在核一上，后者运行于核二上，无需外加额外的处理器；之间的通信通过读写双核共享内存实现，通信内容主要包含：核一发给核二的位置或力矩指令，核二采集的当前位置或力矩值发送给核一。

本实施例使用1个核用于电机控制，另1个核用于飞行控制、自动架驶等其它任务，简化电路，减小电路体积，提高处理器信息交互的可靠性。采用双核共享内存的方式进行通信，减小通信时电气信号的干扰与影响，提高了系统的可靠性。

本发明的一个具体实施例，如图3所示，所述双核共享内存对核一和核二进行读写数据，核一在共享内存区写完数据后发起中断1，核二收到中断1之后在共享内存区实现读数据的指令操作；读完数据后，核二将当前的位置、力矩值写入到共享内存区，写操作完成后，核二发起中断2，核一收到中断2之后在共享内存区实现读数据的操作。

具体地，多核处理里有共享内存可以供核一、核二进行读写数据。为确保双核之间的稳定读写功能，核一在共享内存区写完数据后进行发起中断1，核二收到中断1之后可以在共享内存区实现读数据(指令)操作；读完数据后，核二将当前的位置、力矩值写入到共享内存区，写操作完成后，核二发起中断2，核一收到中断2之后可以在共享内存区实现读数据操作。由于在1个处理器上实现通信，不受依托电气传输通信方式的电磁干扰与影响，提高了通信的可靠性。

本发明的一个具体实施例，处理器外部的多个接口均被双核访问，以实现系统的可扩展。

具体地，一个多核处理器的多种接口，均可被各核进行访问，提高了系统的扩展性。

本发明的一个具体实施例，基于上述电机驱动器的驱动方法，根据采集的电机任务状态信息和控制指令信息计算出PWM控制信号；其中，所述电机任务状态信息通过AD转换器采集发送给处理器核二处理，所述控制指令信息由核一发送给核二；

对所述PWM控制信号进行隔离后，由直流电机控制芯片根据隔离后的电机驱动大电流信号输出驱动MOSFET电路的信号；

MOSFET驱动电路驱动直流电机转动，并根据不同占空比的PWM信号控制电机速度大小。

本发明的技术关键点和保护点在于：

(1)一体化、集成化设计，采用ZYNQ双核处理器作为核心，将电机控制软件、飞行控制等软件运行于一个处理器上，减少了处理器数量，简化了硬件设计；采用直流电机控制驱动芯片将控制直流电机的换向逻辑和MOSFET驱动功能集成到单片上，电路集成度高。

(2)小体积、轻量化，硬件设计上采用一个处理器实现多重任务功能，减小了电路硬件体积与重量。

(3)可靠性与可扩展性，电机获取指令、状态反馈等信息交互通过读写共享内存方式实现，提高了系统可靠性；处理器外部接口均可被各核访问，可扩展性良好。

综上所述，本发明公开了一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，包括直流电机控制芯片和直流电机，还包括ZYNQ双核处理器、光电耦合器、MOSFET驱动电路；所述ZYNQ双核处理器，将采集的电机任务状态信息和控制指令信息进行计算得到PWM控制信号；所述光电耦合器，对所述PWM控制信号进行隔离后生成隔离后的信号，输出至所述直流电机控制芯片；所述直流电机控制芯片，接收到所述隔离后的信号后，生成驱动MOSFET电路的信号并输出至MOSFET驱动电路，以控制MOSFET管的通断；所述MOSFET驱动电路，接收到所述控制MOSFET管的通断的驱动MOSFET电路的信号后，通过MOSFET驱动电路的通断驱动直流电机转动。本发明采用基于ZYNQ双核处理器的方案，将电机控制程序与其它任务程序集成在一个处理器上，减少了处理器的数量，减小系统体积，简化硬件设计；采用双核共享内存的方式进行通信，减小通信时电气信号的干扰与影响，提高了系统的可靠性；同时，一个多核处理器的多种接口，均可被各核进行访问，提高了系统的扩展性。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于ZYNQ双核处理器的电机驱动器，包括直流电机控制芯片和直流电机，其特征在于，还包括ZYNQ双核处理器、光电耦合器、MOSFET驱动电路；

所述ZYNQ双核处理器，将采集的电机任务状态信息和控制指令信息进行计算得到PWM控制信号；

所述光电耦合器，对所述PWM控制信号进行隔离后生成隔离后的信号，输出至所述直流电机控制芯片；

所述直流电机控制芯片，接收到所述隔离后的信号后，生成驱动MOSFET电路的信号并输出至MOSFET驱动电路，以控制MOSFET管的通断；

所述MOSFET驱动电路，接收到所述控制MOSFET管的通断的驱动MOSFET电路的信号后，通过MOSFET驱动电路的通断驱动直流电机转动。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，所述ZYNQ双核处理器的两个核集成于一个芯片上，包括核一和核二；

所述核二用于控制电机驱动，所述核一用于控制电机驱动以外的其他任务。

3.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，所述核二负责处理通过AD转换器采集到的飞行器或自动驾驶车的位置和力矩信息，并接收到所述核一发送的控制指令信息，计算误差后通过PID运算输出PWM控制信号；

所述控制指令信息包括位置或力指令信息，与位置或力矩采集值进行作差，再计算得到控制输出量PWM信号；输出的PWM信号为高低电平信号，不同占空比的PWM信号控制电机速度大小，驱动直流电机转动。

4.根据权利要求3所述的驱动器，其特征在于，计算误差后通过PID运算输出的PWM控制信号包括电机转速和转向；

根据控制指令信息进行位置或力闭环控制时，所述控制输出量PWM信号计算公式如下：

其中，C表示位置或力指令信息，S为当前位置或力矩采集值，KP、KI、KD分别为PID对应的系数；PWM大小表示电机转速，符号表示转向。

5.根据权利要求1或3所述的驱动器，其特征在于，所述光电耦合器将PWM控制信号中的处理器弱信号与直流电机控制芯片隔离后输出至直流电机控制芯片；

所述处理器弱信号包括转速信号PWM和转向信号DIR，与驱动光电耦合器前向共地，用于驱动光电耦合器导通；光电耦合器后端与直流电机控制芯片共地，使得处理器信号与电机驱动隔离。

6.根据权利要求5所述的驱动器，其特征在于，所述直流电机控制芯片将生成的驱动MOSFET电路的信号输出至MOSFET驱动电路，并控制该驱动电路内部MOSFET管的通断。

7.根据权利要求2所述的驱动器，其特征在于，电机控制软件运行在ZYNQ双核处理器的核二上，飞行控制或自动驾驶程序运行在核一上；核一与核二之间的通信通过读写双核共享内存实现，通信内容包括核一发给核二位置或力矩指令，核二采集当前位置或力矩值发给核一。

8.根据权利要求7所述的驱动器，其特征在于，所述双核共享内存对核一和核二进行读写数据，核一在共享内存区写完数据后发起中断1，核二收到中断1之后在共享内存区实现读数据的指令操作；读完数据后，核二将当前的位置、力矩值写入到共享内存区，写操作完成后，核二发起中断2，核一收到中断2之后在共享内存区实现读数据的操作。

9.根据权利要求1-8任一所述的驱动器，其特征在于，处理器外部的多个接口均被双核访问，以实现系统的可扩展。

10.一种基于权利要求1所述电机驱动器的驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据采集的电机任务状态信息和控制指令信息计算出PWM控制信号；其中，所述电机任务状态信息通过AD转换器采集发送给处理器核二处理，所述控制指令信息由核一发送给核二；

对所述PWM控制信号进行隔离后，由直流电机控制芯片根据隔离后的电机驱动大电流信号输出驱动MOSFET电路的信号；

MOSFET驱动电路驱动直流电机转动，并根据不同占空比的PWM信号控制电机速度大小。