专利名称：基于dsp的多轴交流电机同步伺服控制装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种多轴交流电机控制装置及其方法，特别涉及一种多轴交流电机的 同步伺服控制装置及其方法。
背景技术：
在电机控制系统中， 一般由交流电机控制模块生成直流电压信号，变频器根据该 直流电压信号来控制交流电机转轴的转动。安装在交流电机转轴上的角度编码器将交 流电机转轴的转动信号反馈给交流电机控制模块，形成闭环控制回路。随着DSP的发 展和大规模应用，出现了电机控制专用DSP，这些电机控制专用DSP具有完善的通信 接口和电机转动信号检测单元，为基于DSP的交流电机控制装置的发展奠定了基础。 在一些交流电机控制的多轴协同联动装置中，每个交流电机控制装置通常按各自的时 间节拍对交流电机进行独立控制，没有实现所有联动的交流电机控制装置按照统一的 时间节拍完全同步，因此无法使这些联动的所有交流电机的转轴在指定的时间节拍处 于各自规划的角度，影响了多台交流电机协同作业的精度，容易导致协同作业失败， 甚至会损坏工件或者对周边物体造成破坏。发明专利申请"基于DSP的电机位置伺服 装置"(公开号CN 1955868A)公开了采用DSP控制无刷直流电机的伺服控制方法，发 明专利申请"多轴伺服运动控制装置"(公开号CN 1418762A)公开了采用一片DSP 进行多台电机控制的ISA总线插卡，但是这些专利申请均没有涉及多轴交流电机的同 步伺服控制问题，无法实现多轴交流电机按同一时间节拍进行同步伺服控制。
发明内容
为了克服现有技术不能针对多轴交流电机进行同步伺服控制的不足，本发明提出 了一种基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制装置，能够实现对多台交流电机转轴角度 的完全同步控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用一个具有CAN通信模块和主同 步脉冲模块的PC计算机作为主计算机，多个基于DSP的交流电机控制装置作为从机。 每个交流电机控制装置包括主同步脉冲信号处理电路、CAN接口电路、角度编码器信 号处理电路、数字信号处理芯片、数据存储器FLASH芯片、模拟量输出电路、变频器 和角度编码器。主计算机由CAN通信模块通过CAN通信总线与多个交流电机控制装置 的CAN接口电路相连，实现主计算机与各个交流电机控制装置的数据通信。主计算机 由主同步脉冲模块通过主同步脉冲信号线向多个交流电机控制装置的主同步脉冲信号 处理电路发送主同步脉冲信号节拍，使多个交流电机控制装置按照统一的时间节拍进 行同步控制。
在每个交流电机控制装置中，数字信号处理芯片连接主同步脉冲信号处理电路、 CAN接口电路、角度编码器信号处理电路、数据存储器FLASH芯片和模拟量输出电路， 模拟量输出电路连结变频器，变频器连结交流电机，安装在交流电机转轴上的角度编 码器连结角度编码器信号处理电路。
所述的交流电机控制装置中，数字信号处理芯片可以采用TMS320LF24系列、 TMS320LF28系列或功能类似的芯片，数据存储器FLASH芯片用来按照主同步脉冲时间 节拍数递增的顺序依次存储本交流电机的转角给定值。
本发明还提供一种基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制方法，包括以下步骤
(1) 首先由主计算机根据多个交流电机控制装置所连接的交流电机转轴联动过程 中交流电机转轴的转角轨迹，以所有交流电机调节时间的最大值作为统一的时间节拍， 按照时间节拍数递增顺序分别规划出每个时间节拍中各个交流电机转轴的转动角度， 并作为转角给定序列值。这样，每个交流电机控制装置的电机转轴的转动角度均按照 同一时间节拍进行规划，转角给定序列值的个数与时间节拍数相同，在同一时间节拍 中各个交流电机转轴的转角轨迹可以不同。
(2) 主计算机的CAN通信模块分别通过CAN通信总线将各个交流电机的转角给定 序列值发送到对应的交流电机控制装置，存储在数据存储器FLASH芯片中。每个交流 电机控制装置的数据存储器FLASH芯片均按照主同步脉冲时间节拍数递增的顺序依次 存储本交流电机的转角给定序列值。
(3) 安装在交流电机转轴上的角度编码器输出的Z相脉冲信号，通过角度编码器 信号处理电路处理后送入数字信号处理芯片，用来确定交流电机转轴的零位。每个交 流电机控制装置在收到本交流电机的转角给定序列值之后，首先控制本交流电机的转 角处于转角给定序列值的初始值。如果本交流电机的转角给定序列值的初始值不是零 位，则按照转角给定序列值的初始值的正负来控制本交流电机低速正转或反转。安装 于交流电机转轴上的角度编码器输出的A、 B两相脉冲信号，通过角度编码器信号处理
电路处理后送入数字信号处理芯片，由数字信号处理芯片进行正交计数。数字信号处 理芯片采用正交计数值计算交流电机的实际转动角度，直到交流电机实际转动角度达 到转角给定序列值的初始值即控制交流电机停止转动，并通过CAN接口电路向主计算
机发送本交流电机控制装置"准备好"状态信息。
(4) 主计算机检测到所有交流电机控制装置都发出"准备好"状态信息后，通过 主同步脉冲模块同时向所有交流电机控制装置发送主同步脉冲信号。主同步脉冲信号 的周期等于上述的统一时间节拍。
(5) 在各个交流电机控制装置中，主计算机发来的主同步脉冲信号经主同步脉冲 信号处理电路处理后送入数字信号处理芯片，数字信号处理芯片对收到的主同步脉冲 个数进行计数，按照主同步脉冲时间节拍数从数据存储器FLASH芯片中读取对应的转 角给定值。安装于交流电机转轴上的角度编码器输出的A、 B两相脉冲信号，通过角度 编码器信号处理电路处理后送入数字信号处理芯片，由数字信号处理芯片进行正交计 数，数字信号处理芯片采用正交计数值计算交流电机的实际转动角度并作为反馈值， 按照控制规律对给定值和反馈值求解，计算出电机转动控制量并送入模拟量输出电路， 模拟量输出电路将电机转动控制量转换为直流电压控制信号输出到变频器，由变频器 控制交流电机转动。由于每个时间节拍中各交流电机的转角给定值均按照统一的时间 节拍独立规划，所有交流电机控制装置都按照主计算机的主同步脉冲节拍工作，这样 就可以实现多台交流电机转轴转角的严格同步。
(6) 所有交流电机控制装置将每个时间节拍中本交流电机实际电机转轴的转动角 度和对应的转角给定值由CAN接口电路通过CAN通信总线发送给主计算机，由主计算 机对所有交流电机控制装置的运行状态进行显示和监控。
(7) 所有交流电机控制装置按照时间节拍顺序完成了对本交流电机的同步控制 后，控制交流电机停止转动，并通过CAN接口电路向主计算机发送本交流电f几控制装 置"完成"状态信息，并等待主计算机的新操作指令。
本发明的有益效果是可以根据主同步脉冲节拍对所有交流电机的转动角度进行统一 规划、同步控制，保证所有交流电机在每个时间节拍都能够达到预定的转动角度，严格实现 多轴同步控制。适合一些对多轴交流电机转角联动同步性要求高，转角轨迹复杂、重复 性强的场合。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图l是本发明的装置示意框图中，1-主计算机；2-CAN通信总线；3-主同步脉冲信号线；4-一号交流电机控
制装置；5-二号交流电机控制装置；6-N号交流电机控制装置。 图2是本发明所述交流电机控制装置的示意框图中，Ul-主同步脉冲信号处理电路，U2-CAN接口电路，U3-角度编码器信号处理 电路，U4-数字信号处理芯片，U5-数据存储器FLASH芯片，U6-模拟量输出电路，U7-角度编码器，U8-交流电机，U9-变频器。
具体实施例方式
实施方式一
多关节机械手联动操作，包括以下装置
采用具有CAN通信模块和主同步脉沖模块的PC计算机作为主计算机1， N个基于 DSP的一号交流电机控制装置4、 二号交流电机控制装置5……N号交流电机控制装置 6均作为从机。每个交流电机控制装置包括主同步脉冲信号处理电路U1、 CAN接口电 路U2、角度编码器信号处理电路U3、数字信号处理芯片U4釆用TMS320LF24系列芯片、 数据存储器FLASH芯片U5、模拟量输出电路U6、变频器U9和角度编码器U7。主计算 机1由CAN通信模块通过CAN通信总线2与各个交流电机控制装置的CAN接口电路U2 相连，实现主计算机1与各个交流电机控制装置的数据通信。主计算机1由主同步脉 冲模块通过主同步脉冲信号线3向各个交流电机控制装置的主同步脉冲信号处理电路 Ul发送主同步脉冲信号节拍，使各个交流电机控制装置按照统一的时间节拍进行同步 控制。
在每个交流电机控制装置中，数字信号处理芯片U4连接主同步脉冲信号处理电路 Ul、 CAN接口电路U2、角度编码器信号处理电路U3、数据存储器FLASH芯片U5和模 拟量输出电路U6，模拟量输出电路U6连结变频器U9，变频器U9连结交流电机U8， 安装在交流电机转轴上的角度编码器U7连结角度编码器信号处理电路U3。
在多关节机械手联动操作中，所述的基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制方法 包括以下步骤(1) 首先由主计算机l根据多关节机械手的空间操作情况，N个基于DSP的一号 交流电机控制装置4、 二号交流电机控制装置5……N号交流电机控制装置6均作为从 机。确定每个关节所对应的交流电机控制装置所连接的交流电机U8转轴在联动操作中 的转角轨迹，以所有交流电机U8调节时间的最大值作为统一时间节拍，按照时间节拍 数递增顺序分别规划出每个时间节拍中各个交流电机U8转轴的转动角度，并作为转角 给定序列值。这样，每个交流电机控制装置的交流电机U8转轴的转动角度均按照同一 吋间节拍进行规划，转角给定序列值的个数与时间节拍数相同，在同一时间节拍中各 个交流电机U8转轴的转角轨迹可以不同。
(2) 主计算机1由CAN通信模块通过CAN通信总线2分别将各个交流电机的转角 给定序列值发送到对应的交流电机控制装置的数据存储器FLASH芯片U5中存储。每个 交流电机控制装置的数据存储器FLASH芯片U5均按照主同步脉冲时间节拍数递增的顺 序依次存储本交流电机的转角给定序列值。
(3) 安装在交流电机U8转轴上的角度编码器U7输出的Z相脉冲信号，通过角度 编码器信号处理电路U3处理后送入数字信号处理芯片U4的CAP6/QEPI2引脚，用来确 定交流电机U8转轴的零位。每个交流电机控制装置在收到本交流电机U8的转角给定 序列值之后，如果检测到本交流电机U8的转角给定初始值不是零位值，则按照转角给 定初始值的正负来控制本交流电机U8低速(如转速《0.5转/分)正转或反转。安装 于交流电机U8转轴上的角度编码器U7输出的A、 B两相脉冲信号，通过角度编码器信 号处理电路U3处理后送入数字信号处理芯片U4的CAP4/QEP3和CAP5/QEP4引脚，由 数字信号处理芯片U4进行正交计数，数字信号处理芯片U4采用正交计数值计算交流 电机U8的实际转动角度，直到交流电机U8的实际转动角度达到转角给定序列值的初 始值即控制交流电机U8停止转动，并通过CAN接口电路U2向主计算机1发送本交流 电机控制装置"准备好"的状态信息。
(4) 主计算机1检测到所有交流电机控制装置都发出"准备好"状态信息后，通 过主同步脉冲模块同时向所有交流电机控制装置发送主同步脉冲信号。主同步脉冲信 号的周期等于上述的统一时间节拍。
(5) 在各个交流电机控制装置中，主计算机1发来的主同步脉冲信号经主同步脉 冲信号处理电路Ul处理后送入数字信号处理芯片U4的CAP3/QEPI1引脚，数字信号处
理芯片U4对收到的主同步脉冲个数进行计数，按照主同步脉冲时间节拍数从数据存储 器FLASH芯片U5中读取对应的转角给定值。安装于交流电机U8转轴上的角度编码器 U7输出的A、 B两相脉冲信号，通过角度编码器信号处理电路U3处理后送入数字信号 处理芯片U4的CAP4/QEP3和CAP5/QEP4引脚，由数字信号处理芯片U4的定时器进行 正交计数，计算交流电机U8的实际转动角度并作为反馈值，按照控制规律对给定值和 反馈值求解，计算出交流电机U8的转动控制量并送入模拟量输出电路U6，模拟量输 出电路U6将交流电机U8的转动控制量转换为直流电压控制信号输出到变频器U9，由 变频器U9控制交流电机U8转动。由于每个时间节拍中各交流电机U8的转角给定值均 按照统一的时间节拍独立规划，所有交流电机U8控制装置4、 5和6都按照主计算机 1的主同步脉冲节拍工作，这样就可以实现多关节机械手联动操作中各个关节转角的 严格同步。
(6) 所有交流电机控制装置4、 5和6将每个时间节拍中本交流电机U8的实际转 动角度和对应的转角给定值由CAN接口电路U2通过CAN通信总线2发送给主计算机1， 由主计算机1对所有交流电机控制装置4、 5和6的运行状态进行显示和监控。
(7) 所有交流电机控制装置4、 5和6按照时间节拍顺序完成了对本交流电机U8 的同步控制后，控制交流电机U8停止转动，并通过CAN接口电路U2向主计算机1发 送本交流电机控制装置"完成"状态信息，并等待主计算机的新操作指令。
实施方式二
多主轴联动加工机床，包括以下装置
采用具有CAN通信模块和主同步脉冲模块的PC计算机作为主计算机1， N个基于 DSP的一号交流电机控制装置4、 二号交流电机控制装置5……N号交流电机控制装置 6均作为从机。每个交流电机控制装置包括主同步脉冲信号处理电路Ul、 CAN接口电 路U2、角度编码器信号处理电路U3、数字信号处理芯片U4、数据存储器FLASH芯片 U5、模拟量输出电路U6、变频器U9和角度编码器U7。主计算机1由CAN通信模块通 过CAN通信总线2与各个交流电机控制装置的CAN接口电路U2相连，实现主计算机1 与各个交流电机控制装置的数据通信。主计算机l由主同步脉冲模块通过主同步脉冲 信号线3向各个交流电机控制装置的主同步脉冲信号处理电路U1发送主同步脉冲信号 节拍，使各个交流电机控制装置按照统一的时间节拍进行同步控制。
在每个交流电机控制装置中，数字信号处理芯片U4连接主同步脉冲信号处理电路 Ul、 CAN接口电路U2、角度编码器信号处理电路U3、数据存储器FLASH芯片U5和模 拟量输出电路U6，模拟量输出电路U6连结变频器U9，变频器U9连结交流电机U8， 安装在交流电机转轴上的角度编码器U7连结角度编码器信号处理电路U3。
在多主轴联动加工机床中，所述的基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制方法包 括以下步骤
(1) 首先由主计算机1根据多主轴联动加工机床中各主轴的运转情况，确定每个 主轴所对应的交流电机控制装置所连接的交流电机U8转轴在联动操作中交流电机U8 转轴的转角轨迹，以所有交流电机U8调节时间的最大值作为统一时间节拍，按照时间 节拍数递增顺序分别规划出每个时间节拍中各个交流电机U8转轴的转动角度，并作为 转角给定序列值。这样，每个交流电机控制装置中交流电机U8转轴的转动角度均按照 同一时间节拍进行规划，转角给定序列值的个数与时间节拍数相同，在同一时间节拍 中各个交流电机U8转轴的转角轨迹可以不同。
(2) 主计算机1由CAN通信模块通过CAN通信总线2分别将各个交流电机U8的 转角给定序列值发送到对应的交流电机控制装置的数据存储器FLASH芯片U5中存储。 每个交流电机控制装置的数据存储器FLASH芯片U5均按照主同步脉冲时间节拍数递增 的顺序依次存储本交流电机U8的转角给定序列值。
(3) 安装在交流电机U8转轴上的角度编码器U7输出的Z相脉冲信号，通过角度 编码器信号处理电路U3处理后送入数字信号处理芯片U4的CAP6/QEPI2引脚，用来确 定交流电机U8转轴的零位。每个交流电机控制装置在收到本交流电机U8的转角给定 序列值之后，如果检测到本交流电机U8的转角给定初始值不是零位值，则按照转角给 定序列值的初始值的正负来控制本交流电机U8以低速(如转速《0.5转/分)正转或 反转。安装于交流电机U8转轴上的角度编码器U7输出的A、 B两相脉冲信号，通过角 度编码器信号处理电路U3处理后送入数字信号处理芯片U4的CAP4/QEP3和CAP5/QEP4 引脚，由数字信号处理芯片U4进行正交计数，数字信号处理芯片U4采用正交计数值 计算交流电机U8的实际转动角度。直到交流电机U8的实际转动角度达到转角给定序 列值的初始值即控制交流电机U8停止转动，并通过CAN接口电路U2向主计算机1发 送本交流电机控制装置"准备好"状态信息。
(4) 主计算机1检测到所有交流电机控制装置都发出"准备好"状态信息后，通 过主同步脉冲模块同时向所有交流电机控制装置发送主同步脉冲信号。主同步脉冲信 号的周期等于上述的统一时间节拍。
(5) 在各个交流电机控制装置中，主计算机1发来的主同步脉冲信号3经主同步 脉冲信号处理电路U1处理后送入数字信号处理芯片U4的CAP3/QEPI1引脚，数字信号 处理芯片U4对收到的主同步脉冲个数进行计数，按照主同步脉冲时间节拍数从数据存 储器FLASH芯片U5中读取对应的转角给定值。安装于交流电机U8转轴上的角度编码 器U7输出的A、 B两相脉冲信号，通过角度编码器信号处理电路U3处理后送入数字信 号处理芯片U4的CAP4/QEP3和CAP5/QEP4引脚，由数字信号处理芯片U4的定时器2 进行正交计数，数字信号处理芯片U4采用正交计数值计算交流电机的实际转动角度并 作为反馈值，按照控制规律对给定值和反馈值求解，计算出交流电机U8的转动控制量 并送入模拟量输出电路U6，模拟量输出电路U6将交流电机U8的转动控制量转换为直 流电压控制信号输出到变频器U9，由变频器U9控制交流电机U8转动。由于每个时间 节拍中各交流电机的转角给定值均按照统一的时间节拍独立规划，所有交流电机控制 装置都按照主计算机1的主同步脉冲节拍工作，这样就可以实现多主轴联动加工机床 联动操作中各个主轴转角的严格同步。
(6) 所有交流电机控制装置将每个时间节拍中本交流电机U8转轴的实际转动角 度和对应的转角给定值由CAN接口电路通过CAN通信总线2发送给主计算机1，由主 计算机1对所有交流电机控制装置的运行状态进行显示和监控。
(7) 所有交流电机控制装置按照时间节拍顺序完成了对本交流电机U8的同步控 制后，控制交流电机U8停止转动，并通过CAN接口电路U2向主计算机1发送本交流 电机控制装置"完成"状态信息，并等待主计算机的新操作指令。
权利要求
1.基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制装置，包括一个具有CAN通信模块和主同步脉冲模块的PC计算机作为主计算机，多个基于DSP的交流电机控制装置作为从机，其特征在于每个交流电机控制装置中，数字信号处理芯片连接主同步脉冲信号处理电路、CAN接口电路、角度编码器信号处理电路、数据存储器FLASH芯片和模拟量输出电路，模拟量输出电路连结变频器，变频器连结交流电机，安装在交流电机转轴上的角度编码器连结角度编码器信号处理电路；主计算机由CAN通信模块通过CAN通信总线与多个交流电机控制装置的CAN接口电路相连，主计算机由主同步脉冲模块通过主同步脉冲信号线向多个交流电机控制装置的主同步脉冲信号处理电路发送主同步脉冲信号节拍。
2、 根据权利要求1所述的基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制装置，其特 征在于所述的数字信号处理芯片采用TMS320LF24系列或TMS320LF28系列芯 片。
3、 一种利用权利要求1所述装置的多轴交流电机同步伺服控制方法，其特征 在于包括下述步骤(a) 由主计算机根据多个交流电机转轴联动过程中交流电机转轴的转角轨迹， 以所有交流电机调节时间的最大值作为统一的时间节拍，按照时间节拍数递增顺 序分别规划出每个时间节拍中各个交流电机转轴的转动角度，并作为转角给定序 列值；这样，每个交流电机控制装置的电机转轴的转动角度均按照同一时间节拍 进行规划，转角给定序列值的个数与时间节拍数相同，在同一时间节拍中各个交 流电机转轴的转角轨迹可以不同；(b) 主计算机将各个交流电机的转角给定序列值发送到对应的交流电机控制装 置，存储在数据存储器FLASH芯片中；每个交流电机控制装置的数据存储器FLASH 芯片均按照主同步脉冲时间节拍数递增的顺序依次存储本交流电机的转角给定 序列值；(c) 安装在交流电机转轴上的角度编码器输出的Z相脉冲信号，通过角度编码 器信号处理电路处理后送入数字信号处理芯片，用来确定交流电机转轴的零位； 每个交流电机控制装置在收到本交流电机的转角给定序列值之后，首先控制本交 流电机的转角处于转角给定序列值的初始值；如果本交流电机的转角给定序列值 的初始值不是零位，则按照转角给定序列值的初始值的正负来控制本交流电机低 速正转或反转；安装于交流电机转轴上的角度编码器输出的A、 B两相脉冲信号， 通过角度编码器信号处理电路处理后送入数字信号处理芯片，由数字信号处理芯 片进行正交计数；数字信号处理芯片采用正交计数值计算交流电机的实际转动角 度，直到交流电机实际转动角度达到转角给定序列值的初始值即控制交流电机停 止转动，并通过CAN接口电路向主计算机发送本交流电机控制装置"准备好"状 态信息；(d) 主计算机检测到所有交流电机控制装置都发出"准备好"状态信息后，同 时向所有交流电机控制装置发送主同步脉冲信号；主同步脉冲信号的周期等于上 述的统一时间节拍；(e) 在各个交流电机控制装置中，数字信号处理芯片对收到的主同步脉冲个数 进行计数，按照主同步脉冲时间节拍数从数据存储器FLASH芯片中读取对应的转 角给定值；安装于交流电机转轴上的角度编码器输出的A、 B两相脉冲信号，通 过角度编码器信号处理电路处理后送入数字信号处理芯片，由数字信号处理芯片 进行正交计数，数字信号处理芯片采用正交计数值计算交流电机的实际转动角度 并作为反馈值，按照控制规律对给定值和反馈值求解，计算出电机转动控制量并 送入模拟量输出电路，模拟量输出电路将电机转动控制量转换为直流电压控制信 号输出到变频器，由变频器控制交流电机转动；(f) 所有交流电机控制装置将每个时间节拍中本交流电机实际电机转轴的转动 角度和对应的转角给定值发送给主计算机，由主计算机对所有交流电机控制装置 的运行状态进行显示和监控；(g) 所有交流电机控制装置按照时间节拍顺序完成了对本交流电机的同步控制 后，控制交流电机停止转动，并向主计算机发送本交流电机控制装置"完成"状 态信息，并等待主计算机的新操作指令。
全文摘要
本发明公开了一种基于DSP的多轴交流电机同步伺服控制装置及其方法，包括一个PC主计算机和多个交流电机控制装置，每个交流电机控制装置中数字信号处理芯片连接主同步脉冲信号处理电路、CAN接口电路、角度编码器信号处理电路、数据存储器FLASH芯片和模拟量输出电路，模拟量输出电路连结变频器，变频器连结交流电机，安装在交流电机转轴上的角度编码器连结角度编码器信号处理电路；主计算机与交流电机控制装置的CAN接口电路相连，主计算机向交流电机控制装置发送主同步脉冲信号节拍。本发明可以对所有交流电机的转动角度进行统一规划、同步控制，保证所有交流电机在每个时间节拍都能够达到预定的转动角度，严格实现多轴同步控制。
文档编号G05B19/418GK101369148SQ200810151189
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月28日 优先权日2008年9月28日
发明者刘卫东, 高立娥 申请人:西北工业大学