專利名稱：一種用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于DSC及CAN總線的適用于多臺永磁無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的
方法與裝置。
背景技術(shù)：
目前，多電機協(xié)調(diào)運動控制在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，控制精度與工藝要求也越來越高。只有保證多個電機之間按某種比例關(guān)系同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，才能確保系統(tǒng)的正常運行；系統(tǒng)同步性能的好壞，直接影響到產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。因此，提高多電機同步控制精度具有重要的工程意義。早期的多電機協(xié)調(diào)控制方法為集中控制，系統(tǒng)只用一個中央處理器來完成被控對象的所有控制任務(wù)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠以一致的方式生成一個最優(yōu)的規(guī)劃，但集中控制系統(tǒng)的中央處理器需要同時進行計算和控制，對中央處理器的性能要求很高，對復雜系統(tǒng)而言難以保證實時性和可靠性，中央處理單元一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將會癱瘓，因此只適用于簡單系統(tǒng)。為了克服集中體系結(jié)構(gòu)固有的局限性，并適應(yīng)被控對象更快的響應(yīng)需要，出現(xiàn)了允許分布處理的分層體系結(jié)構(gòu)。分布控制結(jié)構(gòu)將被控系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由獨自的CPU來控制，子系統(tǒng)之間通過總線交換信息。常見的分布式結(jié)構(gòu)使控制系統(tǒng)模塊化， 具有擴展性好、實時性較高、可靠性較高等優(yōu)點，其缺點是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，綜合協(xié)調(diào)有一定的難度，需要與合理的控制策略相配合。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有多電機分布控制技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于DSC及CAN總線的適用于多臺永磁無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的方法與控制器，簡單易行。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于DSC及CAN總線的適用于多臺永磁無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的控制器，包括供電電路、異步串行通信設(shè)備、主控制器、若干分控制器、CAN總線、若干功率開關(guān)器件及其專用驅(qū)動芯片。其中，供電電路為主控制器及分控制器提供5V電壓；異步串行通信設(shè)備連接計算機和主控制器，完成指令及反饋信號的傳輸任務(wù)；CAN總線連接主控制器與各個分控制器， 實現(xiàn)信號傳輸；分控制器解算主控制器下達的指令，通過無刷直流電機功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片將分控制器產(chǎn)生的PWM信號放大，改變功率開關(guān)器件的導通順序和PWM占空比，調(diào)整各個無刷直流電機的轉(zhuǎn)速和角位置，從而控制各個無刷直流電機；同時，各個分控制器實時采集電機轉(zhuǎn)速、母線電流、轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議上傳至主控制器， 主控制器將分控制器反饋的數(shù)據(jù)進行整合，按照串行通信協(xié)議上傳至計算機。所述的主控制器包括依次串接的串行通訊模塊、CPU和CAN總線通訊接口，串行通訊模塊接收來自異步串行通信設(shè)備的信號，經(jīng)CPU處理后，由CAN總線通訊接口發(fā)送給分控制器。所述的分控制器包括依次串接的CAN接口、CPU和PWM模塊，CAN接口接收來自CAN 總線的信號，經(jīng)CPU處理后，由PWM模塊生成PWM信號。所述的主控制器CPU和分控制器CPU均采用數(shù)字信號控制器(DSC)。所述的主控制器CPU采用dsPIC30F6010芯片，分控制器CPU采用dsPIC30F4012芯片。本發(fā)明還提供一種上述裝置的控制方法，包括以下步驟1)使能主控制器的串行通訊模塊，準備進行數(shù)據(jù)傳輸。2)使能主控制器的CAN總線通訊接口，準備進行數(shù)據(jù)傳輸。3)使能分控制器的CAN總線接口，準備進行數(shù)據(jù)傳輸。4)主控制器接收計算機發(fā)出的電機控制指令信息，將指令中的無刷直流電機轉(zhuǎn)速和角度命令通過CAN總線發(fā)送給每個分控制器；同時接收分控制器反饋的各個無刷直流電機實時轉(zhuǎn)速、實時角位置信息，并通過串行通信接口上傳至計算機。5)分控制器比較主控制器下達的轉(zhuǎn)速和角度命與電機的實時轉(zhuǎn)速、實時角位置信息，得到差值后生成PWM信號，經(jīng)過無刷直流電機功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片放大后調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，進而改變無刷直流電機的端電壓，實現(xiàn)電機調(diào)速控制。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的基于DSC及CAN總線的多電機協(xié)調(diào)控制方法與裝置，系統(tǒng)采用 Microchip公司的dsPIC30F6010作為主控制器CPU，采用dsPIC30F4012作為分控制器CPU， 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單。通信方式以CAN總線通信為主，以異步串行通信為輔，實現(xiàn)了分布式分層遞階控制結(jié)構(gòu)，可提高多電機控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，控制算法簡潔。較之傳統(tǒng)控制方式，在保證實時控制的同時提升了多電機系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)性、實時性和可擴展性。


圖1 本發(fā)明控制系統(tǒng)實施例的方框圖。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述參見圖1，如其中的實施例所示，基于DSC及CAN總線的多電機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)同時控制3臺獨立的無刷直流電機。系統(tǒng)包括計算機、主控制器、3個分控制器、3個驅(qū)動器和3 臺無刷直流電機。其中主控制器DSC為Microchip公司的dsPIC30F6010，分控制器DSC采用dsPIC30F4012，功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片采用頂公司的頂2130，功率開關(guān)器件選用頂公司的IRFMO。參見圖1，本發(fā)明裝置的電路聯(lián)接關(guān)系為將計算機串行通訊接口與本發(fā)明設(shè)計的主控制器DSC用串行通訊數(shù)據(jù)線連接，計算機同時發(fā)出3臺電機的控制指令，指令通過計算機內(nèi)置的串行通訊接口以及主控制器的串行通訊接口輸入到主控制器DSC內(nèi)；將主控制器DSC的CAN總線通訊接口與3個分控制器DSC的CAN接口用雙絞線連接，主控制通過CAN 總線通訊接口將1號電機的指令發(fā)送給1號分控制器，將2號電機的指令發(fā)送給2號分控制器，將3號電機的指令發(fā)送給3號分控制器；每個分控制器通過各自DSC的PWM模塊產(chǎn)生PWM信號，發(fā)送至相對應(yīng)的驅(qū)動器；每個驅(qū)動器中功率開關(guān)器件的源極與無刷直流電機的繞組用電纜連接，驅(qū)動器控制功率開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，借以調(diào)整被控電機的端電壓， 實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子角位置的控制。參見圖1，本發(fā)明的詳細配置方案為1)使能主控制器DSC的串行通訊模塊，主控制器DSC dsPIC30F6010采用外部6MHz 晶振，經(jīng)片內(nèi)鎖相環(huán)16倍頻與分頻器4分頻后得到系統(tǒng)時鐘為24MHz ；通訊速率設(shè)置為 115200bps ；通訊模塊配置為中斷模式；建立發(fā)送和接收緩沖，通信的數(shù)據(jù)字長為8位；將接收和發(fā)送子程序置于中斷服務(wù)子程序中，即每隔系統(tǒng)完成一次串行通訊的接收和發(fā)送。2)使能主控制器DSC的CAN總線模塊，CAN通訊采用中斷模式，優(yōu)先級為3 ；波特率為500kHz ；CAN協(xié)議采用報文編碼，每一個分控制器的CAN節(jié)點都設(shè)置唯一的標識符；CAN 總線的報文使用標準數(shù)據(jù)幀；每個子系統(tǒng)對總線有相同的權(quán)利，為多主工作方式；CAN總線收發(fā)的每個報文信息為2個字節(jié)共16位，前4位為每個節(jié)點的ID編碼，中間2位是指令分類碼，后10位是指令/反饋信號。CAN節(jié)點的標識符為4位共可產(chǎn)生16種組合，最多可滿足12個分控制器CAN節(jié)點需要。3)使能分控制器DSC的CAN總線模塊，分控制器DSC dsPIC30F4012采用外部8MHz 晶振，經(jīng)片內(nèi)鎖相環(huán)8倍頻與分頻器4分頻后得到系統(tǒng)時鐘為16MHz ；采用中斷模式，中斷優(yōu)先級為3 ；CAN協(xié)議采用報文編碼，每一個分控制器的CAN節(jié)點都設(shè)置唯一的標識符；CAN 總線收發(fā)的每個報文信息為2個字節(jié)共16位，前4位為每個節(jié)點的ID編碼，中間2位是指令分類碼，后10位是指令/反饋信號。4)下載dsPIC30F6010及dsPIC30F4012所需的源代碼，用Microchip專用編譯器通過下載端口將主控制器和分控制器DSC所需的代碼進行下載。完成上述工作后，如果DSC 全部正常，應(yīng)可在計算機上顯示與主控制器連接成功，同時可用錄波儀在分控制器DSC的 CAN總線上觀察到數(shù)據(jù)信號的波形。5)運行技術(shù)人員自行編寫的計算機用戶界面，應(yīng)用軟件可進行3臺電機的轉(zhuǎn)速與位置控制，實現(xiàn)多電機協(xié)調(diào)控制。 應(yīng)用軟件的內(nèi)容包括主控制器接收計算機發(fā)出的電機控制指令信息，將指令中的無刷直流電機轉(zhuǎn)速和角度命令通過CAN總線發(fā)送給每個分控制器；同時接收分控制器反饋的各個無刷直流電機實時轉(zhuǎn)速、實時角位置信息，并通過串行通信接口上傳至計算機。分控制器比較主控制器下達的轉(zhuǎn)速和角度命與電機的實時轉(zhuǎn)速、實時角位置信息，得到差值后生成PWM信號，經(jīng)過無刷直流電機功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片放大后調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，進而改變無刷直流電機的端電壓，實現(xiàn)電機調(diào)速控制。
權(quán)利要求
1.一種用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置，包括供電電路、異步串行通信設(shè)備、主控制器、若干分控制器、CAN總線、若干功率開關(guān)器件及其專用驅(qū)動芯片，其特征在于供電電路為主控制器及分控制器提供5V電壓；異步串行通信設(shè)備連接計算機和主控制器，完成指令及反饋信號的傳輸任務(wù)；CAN總線連接主控制器與各個分控制器，實現(xiàn)信號傳輸；分控制器解算主控制器下達的指令，通過無刷直流電機功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片將分控制器產(chǎn)生的PWM信號放大，改變功率開關(guān)器件的導通順序和PWM占空比，調(diào)整各個無刷直流電機的轉(zhuǎn)速和角位置，從而控制各個無刷直流電機；同時，各個分控制器實時采集電機轉(zhuǎn)速、母線電流、轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議上傳至主控制器，主控制器將分控制器反饋的數(shù)據(jù)進行整合，按照串行通信協(xié)議上傳至計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置，其特征在于所述的主控制器包括依次串接的串行通訊模塊、CPU和CAN總線通訊接口，串行通訊模塊接收來自異步串行通信設(shè)備的信號，經(jīng)CPU處理后，由CAN總線通訊接口發(fā)送給分控制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置，其特征在于所述的分控制器包括依次串接的CAN接口、CPU和PWM模塊，CAN接口接收來自CAN總線的信號， 經(jīng)CPU處理后，由PWM模塊生成PWM信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置，其特征在于所述的主控制器CPU和分控制器CPU均采用數(shù)字信號控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置，其特征在于所述的主控制器CPU采用dsPIC30F6010芯片，分控制器CPU采用dsPIC30F4012芯片。
6.一種利用權(quán)利要求1所述裝置用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的的方法，其特征在于包括下述步驟1)使能主控制器的串行通訊模塊，準備進行數(shù)據(jù)傳輸；2)使能主控制器的CAN總線通訊接口，準備進行數(shù)據(jù)傳輸；3)使能分控制器的CAN總線接口，準備進行數(shù)據(jù)傳輸；4)主控制器接收計算機發(fā)出的電機控制指令信息，將指令中的無刷直流電機轉(zhuǎn)速和角度命令發(fā)送給每個分控制器；同時接收分控制器反饋的各個無刷直流電機實時轉(zhuǎn)速、實時角位置信息，并上傳至計算機；5)分控制器比較主控制器下達的轉(zhuǎn)速和角度命與電機的實時轉(zhuǎn)速、實時角位置信息， 得到差值后生成PWM信號，經(jīng)過無刷直流電機功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片放大后調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，進而改變無刷直流電機的端電壓，實現(xiàn)電機調(diào)速控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于多臺無刷直流電機協(xié)調(diào)控制的裝置及方法，異步串行通信設(shè)備完成計算機和主控制器之間指令及反饋信號的傳輸；CAN總線實現(xiàn)主控制器與各個分控制器的信號傳輸；分控制器解算主控制器下達的指令，通過無刷直流電機功率開關(guān)器件專用驅(qū)動芯片將分控制器產(chǎn)生的PWM信號放大，控制各個無刷直流電機，同時各個分控制器實時采集電機轉(zhuǎn)速、母線電流、轉(zhuǎn)子位置的數(shù)據(jù)，上傳至主控制器進行整合，然后上傳至計算機。本發(fā)明提結(jié)構(gòu)簡單，控制算法簡潔，可提高多電機控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，在保證實時控制的同時提升了多電機系統(tǒng)的控制協(xié)調(diào)性、實時性和可擴展性。
文檔編號H02P6/04GK102355179SQ201110284940
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者盧剛, 周勇, 周廣偉, 張松松, 張玉峰, 李聲晉, 李鑫, 楊靜偉, 江修立, 王嚴偉, 魏世克 申請人:西北工業(yè)大學