基于嵌入式系统的多电机同步控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于嵌入式系统的多电机同步控制装置。它采用C2000系列DSP芯片(1)和STM32系列ARM芯片(2)，两块芯片通过CAN总线(8)通信。DSP芯片(1)驱动智能功率模块IPM(4)，从而控制多台电机(5)。ARM芯片(2)扩展了RJ45以太网接口(6)并与触摸屏(3)连接，使装置既可以通过双绞线和远程PC控制端(7)连接和通信，也可以组成现场的人机交互界面。双处理器芯片分工明确，结构合理。该装置解决了现有技术的结构复杂、稳定性不高、使用维护不方便的缺点，可满足现代工业中对多台电机的转速同步控制的要求。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种电机控制装置，具体是涉及一种基于嵌入式系统的多电机同 步控制装置。 基于嵌入式系统的多电机同步控制装置
【背景技术】
[0002] 传统的多电机同步控制，大多数是采用机械同步控制方式，这种传统的控制方式 的动力源是一台大功率电机，通过刚性的齿轮、齿条传动或柔性带式、链式传动，它是机械 结构的刚性连接传动，来实现多轴同步控制。机械同步方式的缺点是拓扑结构相对固定，当 需要增减单元或改变转速比时不易操作；由轴、传送带、键、齿轮等组成的传动构件由于连 接过多，会产生累积误差；传动机构结构复杂，体积庞大，维修困难，容易磨损。
[0003] 另一种控制方式采用电方式，是指在机器传动关系中没有主电动机及传动主轴的 构件。其自身的传动精确，减少机器调整时间，而且为远期的调整及控制系统的升级改造创 造了条件。但是，实际生产中现有的同步控制装置具有数量众多、结构复杂、故障率高、使用 维护不方便、维修工作量大等缺点。 实用新型内容
[0004] 针对上述情况和实际生产中的需要，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种 基于嵌入式系统的多电机同步控制装置，该装置体积小、操作维护方便，控制性能优秀，可 满足现代工业中对多电机同步控制的要求。
[0005] 本实用新型的基于嵌入式系统的多电机同步控制装置如图1所示，是通过以下技 术方案实现的：
[0006] 1. 一种基于嵌入式系统的多电机同步控制装置，包括：数字信号处理器DSP芯片 (1)、控制处理器ARM芯片（2)、触摸屏（3)、智能功率模块IPM (4)、RJ45以太网接口（6)和 CAN总线（8)，其特征在于：所述装置采用嵌入式系统结构，DSP芯片（1)与ARM芯片（2)通 过CAN总线⑶连接和通信，ARM芯片⑵扩展RJ45以太网接口（6)和连接触摸屏（3)， 并通过双绞线与远程PC控制端（7)连接和通信，DSP芯片（1)输出PWM驱动智能功率模块 IPM(4)，智能功率模块IPM(4)输出电压驱动多台电机（5)。
[0007] 2. ARM芯片⑵通过RJ45以太网接口（6)与远程PC控制端（7)连接通信，实现远 程控制，ARM芯片（2)和触摸屏（3)组成人机交互界面，实现现场控制。其特征在于：处理 器的分工不同，DSP芯片（1)主要负责控制电机，ARM芯片（2)主要负责控制各种外设和与 外界交互。
[0008] 3.数字信号处理器DSP芯片（1)选用C2000系列的DSP芯片，控制处理器ARM芯 片
[0009] (2)选用STM32系列的ARM芯片。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型具有如下优势：
[0011] 1.控制装置采用嵌入式系统结构，体积缩小，成本减少，控制精度提高，功耗降低， 稳定性提升。C2000系列DSP芯片中，既有高运算速度和高控制能力的定点型DSP，又有能够 执行复杂浮点运算能力的浮点型DSP。STM32系列ARM芯片采用了哈佛结构的Cortex-M3的 内核，拥有独立的指令总线和数据总线，具有高控制性能而且还有低功耗，低成本等优点。
[0012] 2.采用DSP芯片和ARM芯片双处理器结构，ARM芯片负责控制各种外设与外界交 互，可以使DSP芯片从繁琐的控制外设中解放出来，使之专注于电机的复杂、快速实时性的 控制要求。ARM/DSP双处理器结构使装置分工明确，结构合理。
[0013] 3.本实用新型考虑到实际生产应用中各种需求的不同，当需要扩展外设时，CAN 总线方便各芯片和外设相互连接和通信。同时，装置中扩展的以太网接口，可以使装置接入 以太网，形成网络化控制体系。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型基于嵌入式系统的多电机同步控制装置结构示意图。
[0015] 图2是本实用新型装置的硬件系统基本结构示意图。
[0016] 图3是本实用新型装置应用ΤΧΒ0108的驱动电路。
[0017] 图4是本实用新型装置的A/D输入前端处理电路。
[0018] 图5是本实用新型的多台电机同步控制结构框图。
[0019] 图中：1.数字信号处理器DSP芯片，2.控制处理器RAM芯片，3.触摸屏，4.智能功 率模块IPM，5.多台电机，6. RJ45以太网接口，7.远程PC控制端，8. CAN总线，9.速度控制 器，10.速度传感器，11.电机A，12.电机B，13.速度补偿器A，14.速度补偿器B。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图与具体实施实例对本实用新型作进一步详细描述。
[0021] 1.硬件系统基本结构
[0022] 本实用新型基于嵌入式系统的多电机同步控制装置结构如图1所示，包括：数字 信号处理器DSP芯片（1)、控制处理器ARM芯片（2)、触摸屏（3)、智能功率模块IPM(4)、RJ45 以太网接口（6)和CAN总线（8)。DSP芯片（1)与ARM芯片（2)通过CAN总线⑶连接和 通信，ARM芯片（2)扩展RJ45以太网接口（6)和连接触摸屏（3)，并通过双绞线与远程PC 控制端（7)连接和通信，DSP芯片⑴驱动智能功率模块IPM (4)，智能功率模块IPM (4)驱 动多台电机（5)。
[0023] 所述装置的硬件系统基本结构如图2所示，主要包括电源电路、复位电路、时钟电 路、JTAG接口电路及外围电路。DSP芯片（1)通过GPI0输出PWM驱动智能功率模块IPM(4)， 智能功率模块IPM (4)输出电压控制多台电机（5)。ARM芯片（2)通过RJ45以太网接口（6) 与远程PC控制端（7)连接通信，可远程输入指令和观察电机运行状况。ARM芯片（2)和触 摸屏（3)，在控制现场组成人机交互界面，可现场观察电机运行状况和调试、维护控制装置。
[0024] 2.处理器芯片
[0025] DSP芯片（1)的任务包括：对电机转子初始位置进行确定，处理电动机转速及转 向，检测光电码盘的位置，检测U相和V相电流，产生SVPWM，通过CAN总线⑶进行通信等。 ARM芯片⑵的任务包括：与PC间的网络通信，与触摸屏的交互，通过CAN总线⑶进行通 信，辅助采集电流、电压、转速等。
[0026] 在实施实例中DSP芯片（1)可选用C2000系列数字信号处理器中的浮点型数字 信号处理器TMS320F28335,频率可达150MHz，它不仅具有适合复杂运算的浮点单元FPU， 还具有利于高精度操作的增强型控制外设，其中多路PWM输出端口为多电机控制提供了可 能，正交编码器通道eQEP可以方便检测电机转速和转子位置。ARM芯片（2)可选用基于 Cortex-M3内核的STM32系列中的控制处理器STM32F103,频率可达72MHz，具有丰富的外设 接口和通信接口，快速的中断处理能力，优越的实时性，是一款高性能、低功耗、低成本微控 制器。
[0027] 3.驱动电路
[0028] 本实用新型的装置中存在不同电平之间进行数据交换的情况，VME总线的高电平 典型值为5V，而DSP芯片⑴和ARM芯片⑵的I/O引脚承受电压一般为3. 3V，要实现与 VME总线之间的数据交换，需要电平转换电路。图3给出了使用TXB0108实现3. 3V与5V之 间电平转换的驱动电路。I/O使用过程中，还需要考虑引脚的驱动能力，负载需要维持较大 的正向或反向电流，此时可在负载与I/O之间增加驱动电路，以解决DSP芯片（1)和ARM芯 片（2)的I/O 口驱动能力不足的问题。常用的驱动芯片有SN74LS245、SN74LVC16245A。
[0029] DSP芯片⑴和ARM芯片⑵的A/D转换模块可处理的电压范围为0?3V，但待 测量电压范围常常超过这个电压区域，另外，待测电压通常夹杂高频噪声信号，需要对信号 进行滤波处理。A/D输入前端处理电路如图4所示，运算放大器U30A与R 3Q、R31、R32、R33构 成偏置电路，可将待测电压的范围偏置到〇?3V，通过调整4个电阻器的阻值来改变偏置范 围。U30B与其周围电阻电容构成一阶有源滤波器，且使用电压跟随式输出，将前端电压与采 样点很好地隔离开，通过调节R 34的阻值与C3(l电容的大小可改变截止频率。二极管D30用 来限制输入电压的幅值，通常选用具有超快响应速度的瞬态抑制二极管，即TVS管。
[0030] 3.电机的控制结构
[0031] 在实施实例中以控制两台电机为例，如图5所示，在DSP芯片（1)中为每台电机 配备速度控制器和独立的速度补偿器，当控制更多电机时，可采用同样的控制结构。电机 A (11)配备一个的控制器（9)和独立的速度补偿器A (13);电机B (12)配备一个相同的控制 器（9)和独立的速度补偿器B(14)。每台电机和它的速度控制器（9)是一个相对独立的闭 环系统，各电机的闭环系统间采用速度补偿器耦合。根据各电机系统间阻尼系数关系，反馈 各电机的相对速度，达到多电机速度同步控制的目标。
【权利要求】
1. 一种基于嵌入式系统的多电机同步控制装置，包括：数字信号处理器DSP芯片（1)、 控制处理器ARM芯片（2)、触摸屏（3)、智能功率模块IPM (4)、RJ45以太网接口（6)和CAN总 线（8)，其特征在于：所述装置采用嵌入式系统结构，DSP芯片（1)与ARM芯片（2)通过CAN 总线（8)连接和通信，ARM芯片（2)扩展RJ45以太网接口（6)和连接触摸屏（3)，并通过双 绞线与远程PC控制端（7)连接和通信，DSP芯片（1)输出PWM驱动智能功率模块IPM (4)， 智能功率模块IPM(4)输出电压驱动多台电机（5)。
2. 根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的多电机同步控制装置，其特征在于：处理 器的分工不同，DSP芯片（1)负责控制电机，ARM芯片（2)负责控制各种外设和与外界交互。
3. 根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的多电机同步控制装置，其特征在于：数字 信号处理器DSP芯片（1)选用C2000系列的DSP芯片，控制处理器ARM芯片（2)选用STM32 系列的ARM心片。
【文档编号】H02P5/46GK203896234SQ201420244031
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】王德贵, 吴明赞, 杨晶晶, 魏蕾, 王立龙 申请人:南京理工大学