CN111384876A - 一种基于双核处理的双轴电机驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双核处理的双轴电机驱动系统，其包括有：上位机，用于发送运动命令；两个伺服电机；伺服驱动器，所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器，所述双核DSP处理器通过CAN总线与所述上位机建立通信，所述双核DSP处理器用于接收所述上位机发出的运动命令，所述CPU与所述伺服电机一一对应地建立通信，所述CPU用于根据所述运动命令控制所述伺服电机运转以及获取所述伺服电机编码器的反馈数据，藉由两个CPU实现对两个伺服电机的单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。本发明运动控制策略灵活多样、有利于提高系统的同步控制精度、动态响应能力与数据传输能力强、有助于提高系统可靠性。

Description

一种基于双核处理的双轴电机驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及伺服电机控制系统，尤其涉及一种基于双核处理的双轴电机驱动系统及方法。

背景技术

随着交流伺服驱动在工业自动化控制中的应用越来越广泛，同时伺服控制技术是机器人、数控机床、移动装备等的重要组成部分，迅速增长的工控市场对交流伺服系统的体积、性能和成本也提出了更高的要求。在工业生产过程中，随着任务多样化、复杂化，特别是移动机器人，人们对其控制精度和智能化程度逐渐提出更高的要求，对其本体结构也有极高的限制，而且传统的伺服系统中伺服驱动器的控制信号普遍采用模拟电压或脉冲序列，在与机器人上位机控制装置连接时需要专门的运动控制器，采用多条并行信号线，布线繁琐，难以实现系统的分布式控制，并且维护困难。

目前，市场上普通的伺服驱动器基本上都是单轴结构的，大部分都是基于“DSP+FPGA”的单轴结构，DSP和FPGA共同协调完成电机控制、保护信号处理、输入指令响应及输出响应反馈处理、扫描按键显示等功能，这种采用一套伺服驱动系统外加一块运动控制板的设计方式存在以下不足：系统成本高、体积较大，且使用不便、维护复杂，另外，因其外围电路及电缆较多、布线复杂，导致系统的可靠性降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种运动控制策略灵活多样、有利于提高系统的同步控制精度、动态响应能力与数据传输能力强、可减少系统设计体积、布线简单、有助于提高可靠性的基于双核处理的双轴电机驱动系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种基于双核处理的双轴电机驱动系统，其包括有：上位机，用于发送运动命令；两个伺服电机；伺服驱动器，所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器，所述双核DSP处理器通过CAN总线与所述上位机建立通信，所述双核DSP处理器用于接收所述上位机发出的运动命令，所述CPU与所述伺服电机一一对应地建立通信，所述CPU用于根据所述运动命令控制所述伺服电机运转以及获取所述伺服电机编码器的反馈数据，藉由两个CPU实现对两个伺服电机的单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。

优选地，所述上位机与CAN总线之间通过CAN通信卡连接。

优选地，包括有CAN分析器，所述CAN分析器连接于所述上位机与CAN总线之间，所述CAN分析器用于监视和记录CAN总线上数据并反馈至所述上位机，以供所述上位机对CAN总线上传输的数据进行分析和处理。

优选地，所述双核DSP处理器与所述上位机基于CANopen协议进行数据通信。

优选地，所述双核DSP处理器的芯片型号为TMS320F28377，两个伺服电机分别连接于双核DSP处理器的不同IO口，两个CPU分别通过相应的IO口实现对两个伺服电机的运行控制。

优选地，所述伺服电机编码器的反馈数据包括伺服电机的位置数据和速度数据。

一种双轴电机驱动方法，该方法基于一系统实现，所述系统包括有上位机、两个伺服电机及一伺服驱动器，所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器，所述双核DSP处理器通过CAN总线与所述上位机建立通信，所述CPU与所述伺服电机一一对应地建立通信，所述方法包括如下步骤；步骤S1，所述上位机通过CAN总线发送运动命令至伺服驱动器的双核DSP处理器；步骤S2，所述双核DSP处理器接收所述上位机发出的运动命令；步骤S3，所述CPU控制所述伺服电机运转，同时获取所述伺服电机的编码器的反馈数据，根据所述运动命令，两个CPU分别对两个伺服电机进行单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。

优选地，所述单轴运行控制过程包括：所述双核DSP处理器通过两个CPU控制两个伺服电机运转。

优选地，所述双轴交替运行控制过程包括：所述双核DSP处理器通过两个CPU控制两个伺服电机交替地运转。

优选地，所述双轴同步运行控制过程包括：所述双核DSP处理器通过两个CPU控制两个伺服电机同时运转。

本发明公开的基于双核处理的双轴电机驱动系统中，将双核DSP处理器作为整个驱动系统的核心，主要负责电机矢量控制算法的实现，并与上位机及人机部分进行通信，实现系统的交互功能。因所述双核DSP处理器具有两个CPU，使得该双核DSP处理器可实现一个控制板卡同时驱动两路伺服电机，大大缩小了整个驱动系统的硬件设计体积，并简化了布线。同时，本发明可实现对两个伺服电机的单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制，使得运动控制策略灵活多样，特别是在双轴同步控制下，同一工作周期内可同时发出两路电机控制指令，有效提高了双轴伺服电机的同步控制精度。此外，本发明采用了CAN总线通信方式，该通信方式具有可靠性高、技术成熟、开放方便等优点，与普通现场总线相此，本发明通信部分的波特率更高、响应速度更快、抗干扰能力强。基于上述特性，本发明适合在双轴伺服电机控制系统中推广应用，并具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明双轴电机驱动系统的组成框图；

图2为伺服驱动器的组成框图；

图3为本发明优选实施例中单轴运行控制过程的流程图；

图4为本发明优选实施例中双轴交替运行控制过程的流程图；

图5为本发明优选实施例中双轴同步运行控制过程的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种基于双核处理的双轴电机驱动系统，结合图1和图2所示，其包括有上位机1、两个伺服电机2及伺服驱动器，其中：

所述上位机1用于发送运动命令；

所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器3，所述双核DSP处理器3通过CAN总线与所述上位机1建立通信，所述双核DSP处理器3用于接收所述上位机1发出的运动命令，所述CPU与所述伺服电机2一一对应地建立通信，所述CPU用于根据所述运动命令控制所述伺服电机2运转以及获取所述伺服电机2编码器的反馈数据，藉由两个CPU实现对两个伺服电机2的单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。

上述双轴电机驱动系统中，将双核DSP处理器3作为整个驱动系统的核心，主要负责电机矢量控制算法的实现，并与上位机1及人机部分进行通信，实现系统的交互功能。因所述双核DSP处理器3具有两个CPU，使得该双核DSP处理器3可实现一个控制板卡同时驱动两路伺服电机，大大缩小了整个驱动系统的硬件设计体积，并简化了布线。同时，本发明可实现对两个伺服电机2的单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制，使得运动控制策略灵活多样，特别是在双轴同步控制下，同一工作周期内可同时发出两路电机控制指令，有效提高了双轴伺服电机的同步控制精度。此外，本发明采用了CAN总线通信方式，该通信方式具有可靠性高、技术成熟、开放方便等优点，与普通现场总线相比，本发明通信部分的波特率更高、响应速度更快、抗干扰能力强。基于上述特性，本发明适合在双轴伺服电机控制系统中推广应用，并具有较好的应用前景。

本实施例中，所述上位机1与CAN总线之间通过CAN通信卡4连接。此外，本实施例还包括有CAN分析器5，所述CAN分析器5连接于所述上位机1与CAN总线之间，所述CAN分析器5用于监视和记录CAN总线上数据并反馈至所述上位机1，以供所述上位机1对CAN总线上传输的数据进行分析和处理。本发明系统主要由上位机1、CAN通信卡4、CAN分析器5、伺服驱动器3及伺服电机2组成，通过CAN通信卡4屏蔽电缆组成的CAN总线与两台伺服驱动器3建立通信，实现指令的传输和数据的交换。其中，所述CAN分析器5的作用在于监视记录CAN总线上的数据，便于上位机1分析数据，了解系统运行的过程，以及改善驱动控制系统的动态性能和稳态性能。

作为一种优选方式，所述双核DSP处理器3与所述上位机1基于CANopen协议进行数据通信。进一步地，所述伺服电机2编码器的反馈数据包括伺服电机2的位置数据和速度数据。

整个系统中，上位机1作为CAN总线的主站，伺服驱动器3作为从站，两者之间通过CANopen协议进行数据通信。本发明对两伺服电机采用并行控制方式，所有伺服电机的编码器反馈实时位置信息和速度信息通过CAN总线上传至上位机1，以实现闭环控制。

关于器件选型，本实施例中，所述双核DSP处理器3的芯片型号为TMS320F28377，两个伺服电机2分别连接于双核DSP处理器3的不同IO口，两个CPU分别通过相应的IO口实现对两个伺服电机2的运行控制。所述双核DSP处理器3具有双核架构，例如包括CPU1和CPU2，使得该双核DSP处理器3既可独立控制两个伺服电机，也可以实现双轴同步控制，致使本发明根据不同工况需求，可针对双电机联动系统设计多种控制策略，包括单轴控制、双轴交替控制以及同步控制。

为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还公开了一种双轴电机驱动方法，结合图1和图2所示，该方法基于一系统实现，所述系统包括有上位机1、两个伺服电机2及一伺服驱动器，所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器3，所述双核DSP处理器3通过CAN总线与所述上位机1建立通信，所述CPU与所述伺服电机2一一对应地建立通信，所述方法包括如下步骤；

步骤S1，所述上位机1通过CAN总线发送运动命令至伺服驱动器的双核DSP处理器3；

步骤S2，所述双核DSP处理器3接收所述上位机1发出的运动命令；

步骤S3，所述CPU控制所述伺服电机2运转，同时获取所述伺服电机2的编码器的反馈数据，根据所述运动命令，两个CPU分别对两个伺服电机2进行单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。

请参照图2，在本发明的优选实施例中，控制电路主要的核心是32位浮点DSP芯片TMS320F28377，通过接收外围电路送来的电流、速度和位置信号来实现对伺服电机的闭环控制。作为一种应用举例，C28CPU-1通过芯片内部配置的I/O及其他外设控制一伺服电机，而C28CPU-2通过芯片内部配置的I/O及其他外设控制另一伺服电机，通过独有的双核架构，以及独立的EPWM控制，实现双轴电机的独立控制或同步控制。

结合图1和图2所述，本发明通过两路CAN接口实现数据通信的传递，其主要有两个功能：第一，向各节点伺服驱动器发送实时过程数据对象(PDO)控制命令；第二，接收各节点驱动器的过程数据对象(PDO)工作状态信息、服务数据对象(SDO)确认信息以及各节点监控与保护反馈信息，以供CAN分析器测试，并且根据从站的反馈信息，通过CAN总线通信对伺服驱动器实现控制。请参照图2在优选实施例中，双CAN总线通信协议采用的是CANopen协议，CANopen通信部分由DS301协议负责，伺服控制部分由DSP402协议负责，伺服驱动器作为CANopen的从节点，其通过CAN通信接口与CAN总线相连，具有CANopen的通信功能，负责控制电机的转速、位置等对象。

关于本发明系统运动控制策略设计，本发明设计根据伺服驱动实际应用中的不同工况需求，针对双轴伺服电机驱动系统设计多种控制策略，包括速度和位置联动的单轴控制、双轴交替控制以及双轴同步控制，根据上位机1对控制模式的选择，可进行速度模式和位置模式的切换。其中，请参照图3，所述单轴运行控制过程包括：所述双核DSP处理器3通过两个CPU控制两个伺服电机2运转，单轴控制可实现两个伺服电机独立的进行指令与运行时间控制。请参照图4，所述双轴交替运行控制过程包括：所述双核DSP处理器3通过两个CPU控制两个伺服电机2交替地运转，双轴交替控制可对两个伺服电机按照预先设定的指令和时间交替运行。请参照图5，所述双轴同步运行控制过程包括：所述双核DSP处理器3通过两个CPU控制两个伺服电机2同时运转，双轴同步控制可通过对两个伺服电机下达同步命令控制，使得两个电机以相同的位置指令或速度指令运行。

本发明公开的基于双核处理的双轴电机驱动系统及方法，其采用多核处理器，通过对处理芯片的层次划分，将传统电机驱动的一对一控制改为一对多控制，应用CAN总线技术，使得两个伺服电机共用一块驱动板卡，减小驱动硬件设计尺寸的同时。特别是在双轴同步控制下，在处理器的同一工作周期内，可同时发出电机控制指令，有效提高双轴电机同步控制精度。此外，本发明双轴伺服驱动系统，根据应用场合的不同，设计了可进行位置模式和速度模式任意切换的单轴控制、双轴交替控制和同步控制三种应用控制策略，相比传动驱动控制方法而言，本发明伺服驱动系统的运行模式和控制策略可根据用户设计进行选择，因此具有更大的灵活性和更广阔的应用性。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于双核处理的双轴电机驱动系统，其特征在于，包括有：

上位机(1)，用于发送运动命令；

两个伺服电机(2)；

伺服驱动器，所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器(3)，所述双核DSP处理器(3)通过CAN总线与所述上位机(1)建立通信，所述双核DSP处理器(3)用于接收所述上位机(1)发出的运动命令，所述CPU与所述伺服电机(2)一一对应地建立通信，所述CPU用于根据所述运动命令控制所述伺服电机(2)运转以及获取所述伺服电机(2)编码器的反馈数据，藉由两个CPU实现对两个伺服电机(2)的单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。

2.如权利要求1所述的基于双核处理的双轴电机驱动系统，其特征在于，所述上位机(1)与CAN总线之间通过CAN通信卡(4)连接。

3.如权利要求1所述的基于双核处理的双轴电机驱动系统，其特征在于，包括有CAN分析器(5)，所述CAN分析器(5)连接于所述上位机(1)与CAN总线之间，所述CAN分析器(5)用于监视和记录CAN总线上数据并反馈至所述上位机(1)，以供所述上位机(1)对CAN总线上传输的数据进行分析和处理。

4.如权利要求1所述的基于双核处理的双轴电机驱动系统，其特征在于，所述双核DSP处理器(3)与所述上位机(1)基于CANopen协议进行数据通信。

5.如权利要求1所述的基于双核处理的双轴电机驱动系统，其特征在于，所述双核DSP处理器(3)的芯片型号为TMS320F28377，两个伺服电机(2)分别连接于双核DSP处理器(3)的不同IO口，两个CPU分别通过相应的IO口实现对两个伺服电机(2)的运行控制。

6.如权利要求1所述的基于双核处理的双轴电机驱动系统，其特征在于，所述伺服电机(2)编码器的反馈数据包括伺服电机(2)的位置数据和速度数据。

7.一种双轴电机驱动方法，其特征在于，该方法基于一系统实现，所述系统包括有上位机(1)、两个伺服电机(2)及一伺服驱动器，所述伺服驱动器包括具有两个CPU的双核DSP处理器(3)，所述双核DSP处理器(3)通过CAN总线与所述上位机(1)建立通信，所述CPU与所述伺服电机(2)一一对应地建立通信，所述方法包括如下步骤；

步骤S1，所述上位机(1)通过CAN总线发送运动命令至伺服驱动器的双核DSP处理器(3)；

步骤S2，所述双核DSP处理器(3)接收所述上位机(1)发出的运动命令；

步骤S3，所述CPU控制所述伺服电机(2)运转，同时获取所述伺服电机(2)的编码器的反馈数据，根据所述运动命令，两个CPU分别对两个伺服电机(2)进行单轴运行控制、双轴交替运行控制或双轴同步运行控制。

8.如权利要求7所述的双轴电机驱动方法，其特征在于，所述单轴运行控制过程包括：所述双核DSP处理器(3)通过两个CPU控制两个伺服电机(2)运转。

9.如权利要求7所述的双轴电机驱动方法，其特征在于，所述双轴交替运行控制过程包括：所述双核DSP处理器(3)通过两个CPU控制两个伺服电机(2)交替地运转。

10.如权利要求7所述的双轴电机驱动方法，其特征在于，所述双轴同步运行控制过程包括：所述双核DSP处理器(3)通过两个CPU控制两个伺服电机(2)同时运转。

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