CN114374347B - 一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法及系统，方法包括：S1、采用MPU微处理器对电机进行监控；S2、采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制；S3、采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控；本发明提出利用FPGA的硬件实时性优势部署电机运行状态监测算法和异常保护机制，利用MPU平台的存储和算力资源优势部署基于数据驱动的故障诊断算法。本发明中的上述方案能够提高电机控制软件的广域环境适用性并快速响应处理故障。

Description

一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法及系统。

背景技术

基于数域控制的电机驱动控制器中，系统监控软件的设计直接影响到电机驱动控制器的性能及功能安全，系统监控软件的安全性和可靠性对电机驱动的广域环境适应性具有重要意义。传统电机控制的监控软件部署方式单一，对电机故障监控的覆盖率低，无法适应不同应用场合下的功能安全目标。本发明提出一种MPU+FPGA双控制器架构下的电机控制系统的构建及多层次监控软件部署方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法及系统，采用MPU+FPGA双控制器架构构建电机控制系统和部署多层次监控软件，提高电机控制软件的广域环境适用性并快速响应处理故障。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法，所述部署方法包括：

S1、采用MPU微处理器对电机进行监控；

S2、采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制；

S3、采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控；

其中，所述采用MPU微处理器对电机进行监控具体包括以下步骤：

S1.1、MPU生成指令，通过通信接口传送给FPGA；所述指令包括FPGA电机控制参数、电机运动控制参数、FPGA电机监控的目标特征参数及阈值和FPGA电机监控保护机制参数；所述FPGA电机控制参数包括：电机运动控制参数和PID控制器参数；所述电机运动控制参数包括转矩控制、转速控制、位置控制、转速开环控制、位置开环控制的模式选择、给定转矩、给定转速和给定位置；所述FPGA电机监控的目标特征参数及阈值包括：相电流阈值，输出转矩阈值和转速阈值；所述FPGA电机监控保护机制参数包括：速度控制器输出限幅值、电流控制器输出限幅值和紧急制动方式；所述紧急制动方式包括：机械制动和电气制动；

S1.2、获取电机数据的消息帧，并对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验；所述电机数据的消息帧包括：数据采样的时间戳、相电流、转速、转角位置和振动信号；

S1.3、基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断；

所述采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制具体包括以下步骤：

S2.1、FPGA通过通信接口获取MPU发送的电机控制参数指令，如果电机控制参数中电机控制方式为速度控制，则执行步骤2.3，如果为位置控制则执行步骤2.2；

S2.2、FPGA将步骤S2.1中电机控制参数指令中的位置给定与通过旋变解码电路获得电机转轴实时的位置信号的偏差输入位置环PID控制器得到转速环给定；

S2.3、FPGA将步骤S2.2中转速环给定与通过旋变解码电路获得电机的实时转速信号的偏差输入转速环PID控制器得到电流环给定；

S2.4、FPGA将步骤S2.3中所得电流环给定与通过ADC采样电路获得电机实时的相电流信号的交轴分量的偏差输入电流PID控制器得到SVPWM的交轴电压控制分量，采用Id＝0的控制方式得到SVPWM的直轴电压控制分量；

S2.5、FPGA根据步骤S2.4中得到的SVPWM交、直轴控制分量，根据空间矢量调制算法，得到各个PWM输出的占空比，通过PWM输出模块生成PWM控制信号控制电机；

所述采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控具体包括以下步骤：

S3.1、FPGA通过通信接口获取电机特征参数的监控阈值和保护机制参数；

S3.2、FPGA通过步骤S3.1中获取的信息设定监控软件对特征参数的监控阈值并构建保护机制；

S3.3、FPGA通过不断比较电机运行时的特征参数和设定的阈值来监测电机的运行状态，一但参数超出阈值则触发对应的保护机制，并上报故障。

可选的，对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验具体包括以下步骤：

过滤无效数据帧；

根据数据接口协议进行数据解包和校验。

可选的，基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断具体包括以下步骤：

对电机数据的消息帧进行数据预处理；

利用信号的时域特征和频域特征对预处理后的电机数据的消息帧进行特征提取，得到与电机故障相关的特征值；

基于所述特征值，根据历史的监测数据，利用机器学习算法或神经网络建立电机故障诊断模型；

通过特征学习获得电机正常运行状态下的特征阈值。

根据基于所述特征值、所述特征阈值结合电机故障的诊断模型来诊断故障；

当诊断结果为电机故障时，将故障信息通过CAN上报给上位机；

存储故障日志，MPU在本地对故障处理中的故障消息进行存储。

可选的，所述数据预处理具体包括对电机数据的消息帧信号进行小波去噪、Hilbert变换、FFT变换和频谱细化，获取信号各个频段的特征值。

基于本发明中的上述方法，本发明另外提供了一种双控制器的电机控制系统监控软件部署系统，所述部署系统包括：

第一电机监控模块，用于采用MPU微处理器对电机进行监控；

电机控制模块，用于采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制；

第二电机监控模块，用于采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控；

其中，所述第一电机监控模块具体包括以下单元：

第一指令生成单元，用于采用MPU生成指令，通过通信接口传送给FPGA；所述指令包括FPGA电机控制参数、电机运动控制参数、FPGA电机监控的目标特征参数及阈值和FPGA电机监控保护机制参数；所述FPGA电机控制参数包括：电机运动控制参数和PID控制器参数；所述电机运动控制参数包括转矩控制、转速控制、位置控制、转速开环控制、位置开环控制的模式选择、给定转矩、给定转速和给定位置；所述FPGA电机监控的目标特征参数及阈值包括：相电流阈值，输出转矩阈值和转速阈值；所述FPGA电机监控保护机制参数包括：速度控制器输出限幅值、电流控制器输出限幅值和紧急制动方式；所述紧急制动方式包括：机械制动和电气制动；

电机数据的消息帧处理单元，用于获取电机数据的消息帧，并对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验；所述电机数据的消息帧包括：数据采样的时间戳、相电流、转速、转角位置和振动信号；

故障诊断单元，用于基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断；

电机控制模块具体包括以下单元：

第二指令生成模块，用于采用FPGA通过通信接口获取MPU发送的电机控制参数指令，如果电机控制参数中电机控制方式为速度控制，则执行电流环给定单元，如果为位置控制则执行转速环给定单元；

转速环给定单元，、FPGA将步骤第二指令生成模块中电机控制参数指令中的位置给定与通过旋变解码电路获得电机转轴实时的位置信号的偏差输入位置环PID控制器得到转速环给定；

电流环给定单元、FPGA将转速环给定单元中转速环给定与通过旋变解码电路获得电机的实时转速信号的偏差输入转速环PID控制器得到电流环给定；

SVPWM的直轴电压控制分量确定单元，用于采用FPGA将电流环给定单元中所得电流环给定与通过ADC采样电路获得电机实时的相电流信号的交轴分量的偏差输入电流PID控制器得到SVPWM的交轴电压控制分量，采用Id＝0的控制方式得到SVPWM的直轴电压控制分量；

PWM控制信号生成单元，用于采用FPGA根据SVPWM的直轴电压控制分量确定单元中得到的SVPWM交、直轴控制分量，根据空间矢量调制算法，得到各个PWM输出的占空比，通过PWM输出模块生成PWM控制信号控制电机；

所述第二电机监控模块具体包括以下单元：

监控阈值和保护机制参数获取单元，用于采用FPGA通过通信接口获取电机特征参数的监控阈值和保护机制参数；

监控阈值及保护机制设定单元，用于采用FPGA通过监控阈值和保护机制参数获取单元中获取的信息设定监控软件对特征参数的监控阈值并构建保护机制；

故障上报单元，用于采用FPGA通过不断比较电机运行时的特征参数和设定的阈值来监测电机的运行状态，一但参数超出阈值则触发对应的保护机制，并上报故障。

可选的，所述对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验具体包括以下步骤：

过滤无效数据帧；

根据数据接口协议进行数据解包和校验。

可选的，故障诊断单元具体包括以下步骤：

对电机数据的消息帧进行数据预处理；

利用信号的时域特征和频域特征对预处理后的电机数据的消息帧进行特征提取，得到与电机故障相关的特征值；

基于所述特征值，根据历史的监测数据，利用机器学习算法或神经网络建立电机故障诊断模型；

通过特征学习获得电机正常运行状态下的特征阈值；

根据基于所述特征值、所述特征阈值结合电机故障的诊断模型来诊断故障；

当诊断结果为电机故障时，将故障信息通过CAN上报给上位机；

存储故障日志，MPU在本地对故障处理中的故障消息进行存储。

可选的，所述数据预处理具体包括对电机数据的消息帧信号进行小波去噪、Hilbert变换、FFT变换和频谱细化，获取信号各个频段的特征值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用MPU+FPGA构建硬件平台构建一个监控功能可部署可配置的通用永磁同步电机控制系统以适应不同场景下的功能安全目标要求，根据故障监控的实时性要求分别将其监控软件和保护机制分别部署于FPGA和MPU中，采用MPU+FPGA的双控制器架构部署多样性监控手段，提高了电机控制软件的广域环境适应性，在FPGA中部署对电机运行参数的监控及保障机制，利用FPGA的硬件特性使得电机控制系统在紧急状态下能够快速响应处理故障，在MPU中部署基于数据驱动的故障诊断算法用于诊断无法通过运行状态直接观测到的故障，提高了电机控制系统故障诊断的覆盖率，在MPU和FPGA之间的通信接口设计了数据总线、指令总线和故障总线的通信协议，保障了系统高效、可靠的通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例电机系统硬件平台模型示意图；

图2为本发明实施例故障诊断算法流程图；

图3为本发明实施例FPGA工作流程图；

图4为本发明实施例MPU工作流程图；

图5为本发明实施例上位机工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法及系统，采用MPU+FPGA双控制器架构构建电机控制系统和部署多层次监控软件，提高电机控制软件的广域环境适用性并快速响应处理故障。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明中的大致流程框架如下：

步骤1：对电机控制系统的功能安全需求进行分析，设定功能安全目标，分析硬件资源需求构建电机控制系统硬件平台。

步骤2：根据步骤1中设定的功能安全目标，对于可直接观测且实时性要求较高的故障监测和保护机制部署于FPGA之中，利用FPGA的硬件特性确保能够在紧急状态下快速响应；基于MPU硬件存储资源丰富、算力高的特性，对于无法通过运行状态直接观测到的故障，采用基于数据驱动的故障诊断算法部署于MPU中运行。

步骤3：为了能够实现步骤2中FPGA故障监测和保护机制的动态配置功能，在MPU和FPGA之间的通信接口的基础上设计指令总线接口协议。

步骤4：为了将步骤2中FPGA中故障检测的故障消息传送给MPU，在MPU和FPGA之间的通信接口的基础上设计故障总线接口协议。

步骤5：为了实现步骤2中MPU部署基于数据驱动的故障诊断算法，的在MPU和FPGA之间的通信接口的基础上设计数据总线接口协议用于电机运行参数的传递。

步骤6：将上述步骤2～步骤5中FPGA和MPU的软件以及接口协议集成到硬件平台，电机系统硬件平台模型具体如图1所示。

图3、图4分别为FPGA和MPU的工作流程图，整个系统的工作流程可分为三个并行执行的部分：FPGA电机控制、FPGA电机监控和MPU电机监控。

其中MPU电机监控执行步骤如下：

步骤一：生成指令：MPU生成指令，通过通信接口传送给FPGA，指令包括FPGA电机控制参数、电机运动控制参数、FPGA电机监控的目标特征参数及其阈值和FPGA电机监控保护机制参数。

所述FPGA电机控制参数包括：电机运动控制参数和PID控制器参数。

所述电机运动控制参数包括转矩控制、转速控制、位置控制、转速开环控制、位置开环控制的模式选择以及给定转矩、给定转速和给定位置。

所述FPGA电机监控的目标特征参数及其阈值包括：相电流阈值，输出转矩阈值，转速阈值。

FPGA电机监控保护机制参数包括：速度控制器输出限幅值，电流控制器输出限幅值，紧急制动方式。所述紧急制动方式包括：机械制动和电气制动。

步骤二：数据处理：MPU监听FPGA电机控制软件通过通信接口传送的电机数据的消息帧，对数据帧进行过滤、解包和校验。

所述电机数据的消息帧包括：数据采样的时间戳、相电流、转速、转角位置、振动信号。

所述数据过滤、解包和校验过程为：(1)过滤无效数据帧；(2)根据数据接口协议进行数据解包和校验。得到的电机数据用于MPU中的故障诊断算法。

步骤三：数据存储：MPU对数据处理中的数据进行存储，并提供故障诊断算法对电机数据的调用接口。

步骤四：故障诊断算法：MPU通过调用电机数据接口执行故障诊断算法。

如图2所示，所述故障诊断具体包括：

一：数据预处理：对电机的电流信号、振动信号和其他电参数进行数据预处理；数据预处理包括对信号进行小波去噪、Hilbert变换、FFT变换和频谱细化等获取信号各个频段的特征值。

二：特征提取：利用信号的时域特征和频域特征结合实际经验提取出跟电机故障相关的特征值。将特征值用于特征学习或者状态监测。

三：特征学习：根据历史的监测数据，利用机器学习算法或神经网络建立诊断模型，学习获得电机正常运行状态下的模型特征值输出的阈值。

四：状态诊断：根据特征提取获得的特征值结合电机故障的诊断模型来诊断故障。

步骤五：MPU故障诊断算法若诊断出故障，将故障信息传送给故障处理。

步骤六：故障处理：MPU不断监听内部故障诊断算法的信息和FPGA通过通信接口传送的故障消息帧的信息，MPU将故障信息通过CAN上报给上位机，上位机的工作流程如图5所示。

步骤七：存储故障日志：MPU在本地对故障处理中的故障消息进行存储。

其中FPGA电机控制执行步骤如下：

步骤一：控制指令：FPGA通过通信接口获取MPU发送的电机控制参数指令。如果电机控制参数中电机控制方式为速度控制，则跳到步骤三执行；如果为位置控制则执行步骤二。

步骤二：位置环数据解算：FPGA将步骤一中电机控制参数指令中的位置给定与通过旋变解码电路获得电机转轴实时的位置信号的偏差输入位置环PID控制器得到转速环给定。

步骤三：转速环数据解算：FPGA将步骤二中转速环给定与通过旋变解码电路获得电机的实时转速信号的偏差输入转速环PID控制器得到电流环给定。

步骤四：电流环数据解算：FPGA将步骤三中所得电流环给定与通过ADC采样电路获得电机实时的相电流信号的交轴分量的偏差输入电流PID控制器得到SVPWM的交轴电压控制分量，采用Id＝0的控制方式得到SVPWM的直轴电压控制分量。同时将电流信号、转速信号、位置信号进行数据处理通过通信接口向MPU发送数据消息帧。同时通过CAN接口向上位机发送电机数据消息帧。

步骤五：SVPWM控制波生成：FPGA根据步骤四中得到的SVPWM交、直轴控制分量，根据空间矢量调制算法，得到各个PWM输出的占空比，通过PWM输出模块生成PWM控制信号控制电机。

其中FPGA电机监控执行步骤如下：

步骤一：参数设置指令：FPGA通过通信接口获取电机特征参数的监控阈值和保护机制参数。

步骤二：设定监控参数阈值和保护机制：FPGA通过步骤一中获取的信息设定监控软件对特征参数的监控阈值和构建保护机制。

步骤三：监控参数：FPGA通过不断比较电机运行时的特征参数和设定的阈值来监测电机的运行状态，一但参数超出阈值则触发相应的保护机制，同时故障处理通过通信接口实现对故障信息的上报。

所述保护机制，根据监测到的故障采取限流、限功率、降转速、制动、硬件冗余替换等方式。

对电机控制系统的功能安全需求进行分析，设定功能安全目标，分析硬件资源需求构建电机控制系统硬件平台。

对于一个以功能安全为目标的电机控制系统，需要从软件和硬件两个方面部署故障保护机制，传统单MCU电机控制系统电机控制软件、监测软件与硬件平台紧密耦合，软件功能难以动态拓展，无法适应不同应用场合下的功能安全目标，根据功能安全需求采用MPU+FPGA构建硬件平台构建一个监控功能可部署可配置的通用永磁同步电机控制系统以适应不同场景下的功能安全目标要求。

电机控制系统硬件可能会由于电磁干扰、控制器过热、运行环境恶劣等问题导致失灵，所以对于重要的传感器，外设接口采用冗余备份的方式，如图1所示是一个永磁同步电机硬件平台的模型图，其中永磁同步电机(PMSM)作为系统的控制对象。

旋变解码电路负责电机位置和转速信号的采集，接入控制器的12路并口接口。

ADC采样电路负责电机的电流信号采集，接入控制器的SPI接口。

PWM是PMSM的控制模块，PWM控制信号通过控制器输入电机驱动板控制开关管通断来控制电机。

上述电路为重要的传感器电路和控制电路，在MPU和FPGA中做冗余双备份。

图中的通信接口为工业以太网、串行通信接口等物理传输介质。

图中FPGA的pin口用于触发MPU中断，GPIO口用于与MPU传输状态信号，通信接口用于MPU与FPGA传输指令信息、数据信息和故障信息。

其中MPU的ADC模块通过功率驱动器上的传感器采集驱动器母线电压、驱动板温度和电机温度等信息。

FPGA和MPU的CAN接口用于建立与上位机监控平台的通信。光耦隔离控制信号和功率部分的隔离。

根据功能安全目标，对于可直接观测且实时性要求较高的故障监测和保护机制部署于FPGA之中，监测特征参数的阈值与保护机制的参数可由MPU软件动态可配置，利用FPGA的硬件特性确保能够在紧急状态下快速响应，FPGA在触发保护机制的同时上报故障，并由MPU记录故障日志；基于MPU硬件存储资源丰富、算力高的特性，对于无法通过运行状态直接观测到的故障，采用基于大数据的分析与融合的故障诊断算法部署于MPU中运行，电机运行参数由FPGA处理上报。

所述可直接观测且实时性要求较高的故障监测包括电机驱动器的过压、过流、过热和欠压等异常的监测，电机本身的相电流过流、电机过热、过载和过速等异常监测，所述监测对象均属于电机运行时的紧急故障。

所述电机紧急故障多出现于电机在运行过程中的负载、转速突变，电机控制器的调节器无法响应跟踪，最终导致调节失控，导致硬件过流、过热、电机失控等故障。

所述保护机制包括：硬件冗余机制、过流保护机制、过载保护机制、供电保护机制、紧急制动机制、过热保护机制。所述保护机制的阈值参数均为动态可配置。

所述硬件冗余机制可配置的参数包括传感器精度阈值；所述过流保护机制可配置参数包括过流阈值；所述过载保护机制可配置参数包括输出转矩阈值；所述供电保护机制可配置参数包括驱动器母线电压阈值；所述紧急制动机制可配置参数包括制动方式的选择；所述过热保护机制可配置参数包括：过热阈值和过热时间。

无法通过运行状态直接观测到的故障包括：电机转子质量不平衡、转子偏心问题、永磁体退磁故障、定子匝间短路故障以及轴承故障。

所述电机转子质量不平衡、转子偏心问题，永磁同步电机的转子偏心故障主要分为转子静偏心和转子动偏心两种情况，这种轻微偏心早期不影响系统正常运行，但是最终会影响甚至损坏轴承，通过部署监测算法，可以在早期发现不平衡，当转子发生静偏心时，电机的径向电磁力波幅值增大；当转子发生动偏心时，电机的径向电磁力波出现倍频数为分数的谐波分量，导致电机的振动变大，因此可通过这些故障特征信号来诊断电机的转子偏心故障。

监测算法通过观察永磁同步电机的振动信号来诊断转子的静、动偏心故障。研究表明，静偏心故障会改变振动信号的阶数，动偏心故障会改变振动信号的阶数和频率。通过对振动信号进行频域分析得到信号的特征值来诊断此类故障。

永磁同步电机的退磁故障，永磁同步电机的永磁体在高频振动或高温等恶劣环境下易退磁。引发永磁体退磁的原因主要有由定子匝间或相间短路引起的高温、电枢反应(包含过流)和机械振动。当永磁同步电机发生退磁故障后，其特征信号会发生变化，退磁故障诊断的特征信号包括径向磁感应强度、反电动势、定子电流和电磁转矩。

定子匝间短路故障是永磁同步电机较为常见的故障，其产生原因较为复杂，可简单归结为以下4点：1)在电机起动过程中，定子匝间绝缘体承受暂态过电压；2)电机定子绕组温度过高导致定子匝间绝缘体失效；3)电机振动导致定子绕组线圈相互接触、挤压、摩擦和损坏；4)电机长期在潮湿、高温等恶劣环境下工作。针对永磁同步电机定子匝间短路故障的诊断方法大多为基于信号处理的方法，且融合多个故障特征信号以及对故障特征信号进行预处理均能提高故障诊断的准确率。通过融合的机械振动信号的二倍频分量和定子电流为新的故障特征信号，用于诊断永磁同步电机的定子匝间短路故障，适用于精度要求较高的场合。

永磁同步电机的轴承故障是较常见的故障类型。对于轴承故障，大多是通过检测电机的振动信号来诊断的，该方法具有较高的可行性和准确性，且预先对振动信号进行去噪处理可提高诊断准确率。

上述故障的诊断算法往往需要数据驱动，对电机运行时的电参数进行特征分析，如对相电流信号进行小波去噪、Hilbert变换、FFT变换、频谱细化等提取电流信号各个频段的特征值，利用数据驱动、多传感器数据融合和专家库的方法对此类故障进行诊断，如上所述此类故障对响应的实时性要求不高，但需要高算力硬件以及大容量存储硬件的支持，利用MPU上算力和存储资源实现数据存储、数据预处理、数据的特征提取、特性学习、专家库诊断等。本发明中的故障诊断算法的流程图如图2所示。

所述的故障诊断算法对电机的电流信号、振动信号进行数据预处理。数据预处理后得到信号各个频段的特征值，利用数据驱动、多传感器数据融合和专家库诊断的方式来确定电机故障。

所述数据预处理方法包括小波去噪、Hilbert变换、FFT变换、频谱细化。

为了能够实现FPGA故障监测和保护机制的动态配置功能，在MPU和FPGA之间的通信接口的基础上设计指令总线接口协议。

所述指令总线协议如表1所示：

表1指令总线协议

一个指令帧由基地址码+寄存器地址码+功能码+寄存器数据+校验组成，FPGA给每个保护机制模块分配一个基地址，将模块功能的配置抽象成对寄存器的读写。

其中，基地址码为FPGA中不同保护机制模块对应唯一的基地址码。

寄存器地址码对应模块中每个动态参数配置抽象出的寄存器地址码。

功能码用于指定对寄存器进行的操作，字读写或位读写等。

寄存器数据表示对寄存器读或写的数据。

CRC校验表示对消息帧内容进行循环冗余码校验。

为了实现FPGA上报故障的功能，在MPU和FPGA之间的通信接口的基础上设计故障总线接口协议。

故障总线协议如表2所示：

表2故障总线协议

一个消息帧由仲裁段+控制段+数据段+CRC校验段组成；

其中，仲裁段包含故障号，用于仲裁故障优先级。

控制段包含数据段信息：数据类型，数据长度。

数据段包含故障信息。

CRC校验段：对消息帧内容进行循环冗余码校验。

为了实现FPGA处理上报电机运行参数的功能，在MPU和FPGA之间的通信接口的基础上设计数据总线接口协议。

所述数据总线接口协议由固定报头段+载荷段+数据段+校验组成；其中固定报头段标识了数据流的方向(FPGA-MPU或FPGA-上位机)，载荷段包含了参数描述信息和参数长度，数据段包含参数数据，校验段为16位CRC校验。

将上述FPGA和MPU的软件以及接口协议集成到硬件平台。

根据上述功能安全目标的实现方式将监控软件部署于MPU和FPGA组成的硬件平台中。

本发明另外提供一种双控制器的电机控制系统监控软件部署系统，所述部署系统包括：

第一电机监控模块，用于采用MPU微处理器对电机进行监控。

电机控制模块，用于采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制。

第二电机监控模块，用于采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控。

其中，所述第一电机监控模块具体包括以下单元：

第一指令生成单元，用于采用MPU生成指令，通过通信接口传送给FPGA；所述指令包括FPGA电机控制参数、电机运动控制参数、FPGA电机监控的目标特征参数及阈值和FPGA电机监控保护机制参数；所述FPGA电机控制参数包括：电机运动控制参数和PID控制器参数；所述电机运动控制参数包括转矩控制、转速控制、位置控制、转速开环控制、位置开环控制的模式选择、给定转矩、给定转速和给定位置；所述FPGA电机监控的目标特征参数及阈值包括：相电流阈值，输出转矩阈值和转速阈值；所述FPGA电机监控保护机制参数包括：速度控制器输出限幅值、电流控制器输出限幅值和紧急制动方式；所述紧急制动方式包括：机械制动和电气制动。

电机数据的消息帧处理单元，用于获取电机数据的消息帧，并对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验；所述电机数据的消息帧包括：数据采样的时间戳、相电流、转速、转角位置和振动信号。

故障诊断单元，用于基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断。

电机控制模块具体包括以下单元：

第二指令生成模块，用于采用FPGA通过通信接口获取MPU发送的电机控制参数指令，如果电机控制参数中电机控制方式为速度控制，则执行电流环给定单元，如果为位置控制则执行转速环给定单元。

转速环给定单元，、FPGA将步骤第二指令生成模块中电机控制参数指令中的位置给定与通过旋变解码电路获得电机转轴实时的位置信号的偏差输入位置环PID控制器得到转速环给定。

电流环给定单元、FPGA将转速环给定单元中转速环给定与通过旋变解码电路获得电机的实时转速信号的偏差输入转速环PID控制器得到电流环给定；

SVPWM的直轴电压控制分量确定单元，用于采用FPGA将电流环给定单元中所得电流环给定与通过ADC采样电路获得电机实时的相电流信号的交轴分量的偏差输入电流PID控制器得到SVPWM的交轴电压控制分量，采用Id＝0的控制方式得到SVPWM的直轴电压控制分量。

PWM控制信号生成单元，用于采用FPGA根据SVPWM的直轴电压控制分量确定单元中得到的SVPWM交、直轴控制分量，根据空间矢量调制算法，得到各个PWM输出的占空比，通过PWM输出模块生成PWM控制信号控制电机。

所述第二电机监控模块具体包括以下单元：

监控阈值和保护机制参数获取单元，用于采用FPGA通过通信接口获取电机特征参数的监控阈值和保护机制参数。

监控阈值及保护机制设定单元，用于采用FPGA通过监控阈值和保护机制参数获取单元中获取的信息设定监控软件对特征参数的监控阈值并构建保护机制。

故障上报单元，用于采用FPGA通过不断比较电机运行时的特征参数和设定的阈值来监测电机的运行状态，一但参数超出阈值则触发对应的保护机制，并上报故障。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种双控制器的电机控制系统监控软件部署方法，其特征在于，所述部署方法包括：

S1、采用MPU微处理器对电机进行监控；

S2、采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制；

S3、采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控；

其中，所述采用MPU微处理器对电机进行监控具体包括以下步骤：

S1.1、MPU生成指令，通过通信接口传送给FPGA；所述指令包括FPGA电机控制参数、电机运动控制参数、FPGA电机监控的目标特征参数及阈值和FPGA电机监控保护机制参数；所述FPGA电机控制参数包括：电机运动控制参数和PID控制器参数；所述电机运动控制参数包括：转矩控制、转速控制、位置控制、转速开环控制、位置开环控制的模式选择、给定转矩、给定转速和给定位置；所述FPGA电机监控的目标特征参数及阈值包括：相电流阈值，输出转矩阈值和转速阈值；所述FPGA电机监控保护机制参数包括：速度控制器输出限幅值、电流控制器输出限幅值和紧急制动方式；所述紧急制动方式包括：机械制动和电气制动；

S1.2、获取电机数据的消息帧，并对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验；所述电机数据的消息帧包括：数据采样的时间戳、相电流、转速、转角位置和振动信号；

S1.3、基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断；

所述采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制具体包括以下步骤：

S2.1、FPGA通过通信接口获取MPU发送的电机控制参数指令，如果电机控制参数中电机控制方式为速度控制，则执行步骤2.3，如果为位置控制则执行步骤2.2；

S2.2、FPGA将步骤S2.1中电机控制参数指令中的位置给定与通过旋变解码电路获得电机转轴实时的位置信号的偏差输入位置环PID控制器得到转速环给定；

S2.3、FPGA将步骤S2.2中转速环给定与通过旋变解码电路获得电机的实时转速信号的偏差输入转速环PID控制器得到电流环给定；

S2.4、FPGA将步骤S2.3中所得电流环给定与通过ADC采样电路获得电机实时的相电流信号的交轴分量的偏差输入电流PID控制器得到SVPWM的交轴电压控制分量，采用Id＝0的控制方式得到SVPWM的直轴电压控制分量；

S2.5、FPGA根据步骤S2.4中得到的SVPWM交、直轴控制分量，根据空间矢量调制算法，得到各个PWM输出的占空比，通过PWM输出模块生成PWM控制信号控制电机；

所述采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控具体包括以下步骤：

S3.1：FPGA通过通信接口获取电机特征参数的监控阈值和保护机制参数；

S3.2：FPGA通过步骤S3.1中获取的信息设定监控软件对特征参数的监控阈值并构建保护机制；

S3.3、FPGA通过不断比较电机运行时的特征参数和设定的阈值来监测电机的运行状态，一但参数超出阈值则触发对应的保护机制，并上报故障。

2.根据权利要求1所述的双控制器的电机控制系统监控软件部署方法，其特征在于，所述对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验具体包括以下步骤：

过滤无效数据帧；

根据数据接口协议进行数据解包和校验。

3.根据权利要求1所述的双控制器的电机控制系统监控软件部署方法，其特征在于，基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断具体包括以下步骤：

对电机数据的消息帧进行数据预处理；

利用信号的时域特征和频域特征对预处理后的电机数据的消息帧进行特征提取，得到与电机故障相关的特征值；

基于所述特征值，根据历史的监测数据，利用机器学习算法或神经网络建立电机故障诊断模型；

通过特征学习获得电机正常运行状态下的特征阈值；

根据基于所述特征值、所述特征阈值结合电机故障的诊断模型来诊断故障；

当诊断结果为电机故障时，将故障信息通过CAN上报给上位机；

存储故障日志，MPU在本地对故障处理中的故障消息进行存储。

4.根据权利要求3所述的双控制器的电机控制系统监控软件部署方法，其特征在于，所述数据预处理具体包括对电机数据的消息帧信号进行小波去噪、Hilbert变换、FFT变换和频谱细化，获取信号各个频段的特征值。

5.一种双控制器的电机控制系统监控软件部署系统，其特征在于，所述部署系统包括：

第一电机监控模块，用于采用MPU微处理器对电机进行监控；

电机控制模块，用于采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行控制；

第二电机监控模块，用于采用FPGA现场可编程逻辑门阵列对电机进行监控；

其中，所述第一电机监控模块具体包括以下单元：

第一指令生成单元，用于采用MPU生成指令，通过通信接口传送给FPGA；所述指令包括FPGA电机控制参数、电机运动控制参数、FPGA电机监控的目标特征参数及阈值和FPGA电机监控保护机制参数；所述FPGA电机控制参数包括：电机运动控制参数和PID控制器参数；所述电机运动控制参数包括转矩控制、转速控制、位置控制、转速开环控制、位置开环控制的模式选择、给定转矩、给定转速和给定位置；所述FPGA电机监控的目标特征参数及阈值包括：相电流阈值，输出转矩阈值和转速阈值；所述FPGA电机监控保护机制参数包括：速度控制器输出限幅值、电流控制器输出限幅值和紧急制动方式；所述紧急制动方式包括：机械制动和电气制动；

电机数据的消息帧处理单元，用于获取电机数据的消息帧，并对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验；所述电机数据的消息帧包括：数据采样的时间戳、相电流、转速、转角位置和振动信号；

故障诊断单元，用于基于所述过滤、解包和校验后的消息帧对电机进行故障诊断；

电机控制模块具体包括以下单元：

第二指令生成模块，用于采用FPGA通过通信接口获取MPU发送的电机控制参数指令，如果电机控制参数中电机控制方式为速度控制，则执行电流环给定单元，如果为位置控制则执行转速环给定单元；

转速环给定单元，FPGA将步骤第二指令生成模块中电机控制参数指令中的位置给定与通过旋变解码电路获得电机转轴实时的位置信号的偏差输入位置环PID控制器得到转速环给定；

电流环给定单元、FPGA将转速环给定单元中转速环给定与通过旋变解码电路获得电机的实时转速信号的偏差输入转速环PID控制器得到电流环给定；

SVPWM的直轴电压控制分量确定单元，用于采用FPGA将电流环给定单元中所得电流环给定与通过ADC采样电路获得电机实时的相电流信号的交轴分量的偏差输入电流PID控制器得到SVPWM的交轴电压控制分量，采用Id＝0的控制方式得到SVPWM的直轴电压控制分量；

PWM控制信号生成单元，用于采用FPGA根据SVPWM的直轴电压控制分量确定单元中得到的SVPWM交、直轴控制分量，根据空间矢量调制算法，得到各个PWM输出的占空比，通过PWM输出模块生成PWM控制信号控制电机；

所述第二电机监控模块具体包括以下单元：

监控阈值和保护机制参数获取单元，用于采用FPGA通过通信接口获取电机特征参数的监控阈值和保护机制参数；

监控阈值及保护机制设定单元，用于采用FPGA通过监控阈值和保护机制参数获取单元中获取的信息设定监控软件对特征参数的监控阈值并构建保护机制；

故障上报单元，用于采用FPGA通过不断比较电机运行时的特征参数和设定的阈值来监测电机的运行状态，一但参数超出阈值则触发对应的保护机制，并上报故障。

6.根据权利要求5所述的双控制器的电机控制系统监控软件部署系统，其特征在于，所述对所述电机数据的消息帧进行过滤、解包和校验具体包括以下步骤：

过滤无效数据帧；

根据数据接口协议进行数据解包和校验。

7.根据权利要求5所述的双控制器的电机控制系统监控软件部署系统，其特征在于，故障诊断单元具体包括以下步骤：

对电机数据的消息帧进行数据预处理；

利用信号的时域特征和频域特征对预处理后的电机数据的消息帧进行特征提取，得到与电机故障相关的特征值；

基于所述特征值，根据历史的监测数据，利用机器学习算法或神经网络建立电机故障诊断模型；

通过特征学习获得电机正常运行状态下的特征阈值；

根据基于所述特征值、所述特征阈值结合电机故障的诊断模型来诊断故障；

当诊断结果为电机故障时，将故障信息通过CAN上报给上位机；

存储故障日志：MPU在本地对故障处理中的故障消息进行存储。

8.根据权利要求7所述的双控制器的电机控制系统监控软件部署系统，其特征在于，所述数据预处理具体包括对电机数据的消息帧信号进行小波去噪、Hilbert变换、FFT变换和频谱细化，获取信号各个频段的特征值。