飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器的製造方法
2023-05-11 22:28:31 3
飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器的製造方法
【專利摘要】飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，屬於電機伺服控制【技術領域】。本發明為了解決目前單軸飛行仿真轉臺的驅動成本高並且上位機由於工作負荷大使伺服功能受限的問題。它利用ARM與FPGA構成主控制器，接收上位機的控制指令，簡單解算後，發送控制指令給軸控制器；軸控制器由DSP與FPGA構成，接收由主控制器發送的指令，由DSP做控制指令計算，FPGA做邏輯運算，給驅動器信號，驅動電機完成指定任務；主控制器與軸控制器通信方式採用EtherCAT工業總線；上位機IPC主要負責人機互動，並負責少量的數據量的計算，將數據信息通過網絡發送到主控制器中。本發明用於飛行仿真轉臺的電機控制。
【專利說明】飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器
【技術領域】
[0001]本發明涉及飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，屬於電機伺服控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]飛行仿真轉臺為高精度的複雜控制系統，用以模擬飛行器在空中的各種動作和姿態，把高精度傳感器如陀螺儀、導引頭等安裝於轉臺之上，將飛行器在空中的各種姿態的電信號轉化為轉臺的機械轉動，以使陀螺儀、導引頭等敏感飛機的姿態角運動。「高頻響、超低速、寬調速、高精度」成為仿真轉臺的主要性能指標和發展方向。其中，「高頻響」反映轉臺跟蹤高頻信號的能力強；「超低速」反映系統的低速平穩性好寬調速」可提供很寬的調速範圍；「高精度」指系統跟蹤指令信號的準確程度高。
[0003]目前對轉臺控制的主要實現方式是上下位機分層式控制，上位機是工業控制計算機IPC，下位機是運動板卡。上位機通過RS232或者485通訊協議向下位機發送要實現的位置或者速度信號，下位機接受上位機的信號和轉臺的位置和速度反饋信號，依據設定的控制算法進行運算，輸出控制信號給轉臺，並對轉臺運行狀態進行監測。
[0004]但是現有技術中IPC不僅僅負責人機互動，還負責龐大的數據量的採集、運算等多任務。由於IPC功能的有限，越來越制約著轉臺的伺服控制。同時，在通信過程中，RS232或者485通信協議也限制了數據量的通信，影響了轉臺控制精度。另外，由於運動板卡一般同時只能實現多個相同的功能，也就是說單軸轉臺和多軸轉臺需要同樣數量的不同功能的運動板卡，因此兩者成本基本相差不大；另外高性能的IPC成本較高,故整體來說目前單軸轉臺的驅動成本較高。
【發明內容】
[0005]本發明目的是為了解決目前單軸飛行仿真轉臺的驅動成本高並且上位機由於工作負荷大使伺服功能受限的問題，提供了一種飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器。
[0006]本發明所述飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，它包括主控制器、軸控制器和上位機，
[0007]主控制器包括主現場可編程門陣列、ARM處理器、乙太網晶片、電機開關量信號接口和蜂鳴器；
[0008]軸控制器包括編碼器信號輸入單元、AD信號輸入單元、從現場可編程門陣列、數位訊號處理器、DA轉換器和電平轉換電路；
[0009]上位機用於通過乙太網晶片發送控制指令給ARM處理器，並接收ARM處理器發送的顯示數據；
[0010]ARM處理器通過數據線和地址線與主現場可編程門陣列進行數據共享，並且主現場可編程門陣列對接收的控制指令進行解算後，通過ARM處理器發送到EtherCAT總線；
[0011]主現場可編程門陣列通過電機開關量信號接口接收電機的停機信號，並發送開機信號給電機；
[0012]主現場可編程門陣列發送報警信號給蜂鳴器，使蜂鳴器發送報警信號；
[0013]增量式或絕對式編碼器採集的電機位置信號通過編碼器信號輸入單元傳遞給從現場可編程門陣列；模擬量傳感器採集的電機模擬量信號通過AD信號輸入單元傳遞給從現場可編程門陣列，從現場可編程門陣列將接收的採集信號傳遞給數位訊號處理器，數位訊號處理器同時通過EtherCAT總線接收控制指令，數位訊號處理器對接收的所有數據進行處理後，計算獲得電機的模擬電壓量驅動信號和數字量驅動信號，電機的模擬電壓量驅動信號通過DA轉換器和模擬量驅動接口發送給電機；電機的數字量驅動信號通過電平轉換電路和數字量驅動接口發送給電機；
[0014]所述仿真轉臺通過轉臺光電限位開關及零位開關接口和電平轉換電路發送停機信號給從現場可編程門陣列，從現場可編程門陣列通過電平轉換電路和轉臺光電限位開關及零位開關接口發送運行控制信號給仿真轉臺。
[0015]軸控制器還包括穩壓電壓，穩壓電壓用於為AD信號輸入單元和DA轉換器提供工作電源。
[0016]本發明的優點:本發明利用ARM與FPGA構成主控制器，接收上位機的控制指令，簡單解算後，發送控制指令給軸控制器。軸控制器由DSP與FPGA構成，接收由主控制器發送的指令，由DSP做控制指令計算，FPGA做邏輯運算，給驅動器信號，驅動電機完成指定任務。主控制器與軸控制器通信方式採用EtherCAT工業總線。與現有的伺服控制系統相比，具有系統成本低、模塊化構成靈活、設計簡單及數據處理帶寬較好等優點。
[0017]本發明克服了現有電機伺服控制器成本高及採集數據周期長等問題，減輕了上位機IPC的工作負荷，進一步提高了採樣周期和控制周期；其通信速率有較大提高並且易於擴展；應用於單軸轉臺，能夠極大降低成本；其對上位機IPC的性能要求較低。
[0018]本發明技術方案中，上位機IPC主要負責人機互動，並負責少量的數據量的計算，將數據信息通過網絡發送到主控制器中。在主控制器負責整個系統的調度，將獲得數據信息簡單編碼，發送到相應的軸控制器中去。軸控制器獲得數據後，由軸控制器採集對應軸的速度信息和位置信息，並經過DSP計算，經過控制算法，通過驅動器驅動電機。主控制器和軸控制器通過EtherCAT相連，分布式管理，便於擴展軸控制器數量。
[0019]因此，上位機IPC的工作負荷大大減輕，減低了 IPC的成本；工業總線上只負責傳輸有效地控制信息，提高了有效信息的吞吐速率。採集和處理信息由對應的軸控制器進行，並行操作，提高了信息的採集能力和處理能力，同時降低了控制時間周期，提高控制精度，同時操作更加靈活，便於以後的擴展。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明所述飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器的原理框圖。
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，它包括主控制器1、軸控制器2和上位機3，
[0022]主控制器I包括主現場可編程門陣列1-1、ARM處理器1_2、乙太網晶片1_3、電機開關量信號接口 1-4和蜂鳴器1-5 ；
[0023]軸控制器2包括編碼器信號輸入單元2_1、AD信號輸入單元2_2、從現場可編程門陣列2-3、數位訊號處理器2-4、DA轉換器2-5和電平轉換電路2_6 ；
[0024]上位機3用於通過乙太網晶片1-3發送控制指令給ARM處理器1_2，並接收ARM處理器1-2發送的顯示數據；
[0025]ARM處理器1-2通過數據線和地址線與主現場可編程門陣列1_1進行數據共享，並且主現場可編程門陣列1-1對接收的控制指令進行解算後，通過ARM處理器1-2發送到EtherCAT 總線；
[0026]主現場可編程門陣列1-1通過電機開關量信號接口 1-4接收電機的停機信號，並發送開機信號給電機；
[0027]主現場可編程門陣列1-1發送報警信號給蜂鳴器1-5，使蜂鳴器1-5發送報警信號;
[0028]增量式或絕對式編碼器採集的電機位置信號通過編碼器信號輸入單元2-1傳遞給從現場可編程門陣列2-3 ;模擬量傳感器採集的電機模擬量信號通過AD信號輸入單元2-2傳遞給從現場可編程門陣列2-3，從現場可編程門陣列2-3將接收的採集信號傳遞給數位訊號處理器2-4，數位訊號處理器2-4同時通過EtherCAT總線接收控制指令，數位訊號處理器2-4對接收的所有數據進行處理後，計算獲得電機的模擬電壓量驅動信號和數字量驅動信號，電機的模擬電壓量驅動信號通過DA轉換器2-5和模擬量驅動接口發送給電機；電機的數字量驅動信號通過電平轉換電路2-6和數字量驅動接口發送給電機；
[0029]所述仿真轉臺通過轉臺光電限位開關及零位開關接口和電平轉換電路2-6發送停機信號給從現場可編程門陣列2-3，從現場可編程門陣列2-3通過電平轉換電路2-6和轉臺光電限位開關及零位開關接口發送運行控制信號給仿真轉臺。
[0030]本實施方式中的主控制器負責控制器整體系統的邏輯保護等功能。EtherCAT總線通信穩定可靠，通信速率較高，同時便於擴展，提高了控制器的易用性。上位機通過網口與主控制器通信，能夠實現友好的人機互動，上位機只用於人機互動及簡單計算，上位機可以獲得數據做出圖像，便於直觀感受；同時上位機可以輸入控制指令，使電機按照預期完成任務。上位機可以通過W5100的乙太網晶片1-3與主現場可編程門陣列1-1進行數據交互，再由ARM處理器1-2通過乙太網晶片1-3向EtherCAT總線發送命令和數據。主現場可編程門陣列1-1負責邏輯信號處理，如緊急停車等功能。蜂鳴器的主要功能是實現報警功能。
[0031]軸控制器的數量可根據需要配置為與軸的數量相同。
[0032]以單周飛行轉臺為例，硬體只需要低性能的IPC，一個軸控制器和一個主控制器。IPC獲得控制指令，通過網絡發送給主控制器，主控制器此時監測整個系統的電壓和電流情況，在安全地情況下啟動軸控制器，軸控制器從EtherCAT上得到數據信息，同時自身採集所對應軸的位置信息及速度信息，經過控制算法，獲得輸出量，轉化成對應的數字量和模擬量驅動電機完成任務。當需要擴展成二軸轉臺時，只需要將另一個軸控制器通過網線與EtherCAT總線連接即可。但需要緊急制動等操作時，由主控制器緊急發出控制信號，使轉臺停車。
[0033]上位機通過W5100乙太網晶片與FPGA進行數據交互，再由ARM通過KS8732乙太網晶片向EtherCAT總線發送命令和數據。另外FPGA負責邏輯信號處理，如緊急停車等功能。軸控制器中由FPGA對DA晶片進行驅動，獲得指定電壓驅動電機。FPGA對傳感器信號進行採集，採集的信號經過簡單處理，送給DSP進行計算。
[0034]本發明在使用中，可利用主控器上的KS8732作為主設備，軸控制器作為從設備，利用EtherCAT總線傳播數據，擴展節點。
[0035]【具體實施方式】二:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，軸控制器2還包括穩壓電壓2-7，穩壓電壓2-7用於為AD信號輸入單元2_2和DA轉換器2-5提供工作電源。
[0036]【具體實施方式】三:本實施方式對實施方式一或二作進一步說明，主現場可編程門陣列1-1和從現場可編程門陣列2-3的型號均為EP3C25Q240C8。
[0037]【具體實施方式】四:本實施方式對實施方式一、二或三作進一步說明，ARM處理器1-2 的型號為 STM32F407。
[0038]【具體實施方式】五:本實施方式對實施方式一、二、三或四作進一步說明，數位訊號處理器2-4的型號為TMS320F28335。
[0039]【具體實施方式】六:本實施方式對實施方式一、二、三、四或五作進一步說明，乙太網晶片1-3的型號為KS8732。
【權利要求】
1.一種飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，其特徵在於，它包括主控制器(I)、軸控制器(2)和上位機(3)， 主控制器⑴包括主現場可編程門陣列(1-1)、ARM處理器(1-2)、乙太網晶片(1-3)、電機開關量信號接口(1-4)和蜂鳴器(1-5)； 軸控制器(2)包括編碼器信號輸入單元(2-1)、AD信號輸入單元(2-2)、從現場可編程門陣列(2-3)、數位訊號處理器(2-4)、DA轉換器(2-5)和電平轉換電路(2_6)； 上位機(3)用於通過乙太網晶片(1-3)發送控制指令給ARM處理器(1-2)，並接收ARM處理器(1-2)發送的顯示數據； ARM處理器(1-2)通過數據線和地址線與主現場可編程門陣列(1-1)進行數據共享，並且主現場可編程門陣列(1-1)對接收的控制指令進行解算後，通過ARM處理器(1-2)發送到EtherCAT總線； 主現場可編程門陣列(1-1)通過電機開關量信號接口(1-4)接收電機的停機信號，並發送開機信號給電機； 主現場可編程門陣列(1-1)發送報警信號給蜂鳴器(1-5)，使蜂鳴器(1-5)發送報警信號; 增量式或絕對式編碼器採集的電機位置信號通過編碼器信號輸入單元(2-1)傳遞給從現場可編程門陣列(2-3);模擬量傳感器採集的電機模擬量信號通過AD信號輸入單元(2-2)傳遞給從現場可編程門陣列(2-3)，從現場可編程門陣列(2-3)將接收的採集信號傳遞給數位訊號處理器(2-4)，數位訊號處理器(2-4)同時通過EtherCAT總線接收控制指令，數位訊號處理器(2-4)對接收的所有數據進行處理後，計算獲得電機的模擬電壓量驅動信號和數字量驅動信號，電機的模擬電壓量驅動信號通過DA轉換器(2-5)和模擬量驅動接口發送給電機；電機的數字量驅動信號通過電平轉換電路(2-6)和數字量驅動接口發送給電機； 所述仿真轉臺通過轉臺光電限位開關及零位開關接口和電平轉換電路(2-6)發送停機信號給從現場可編程門陣列(2-3)，從現場可編程門陣列(2-3)通過電平轉換電路(2-6)和轉臺光電限位開關及零位開關接口發送運行控制信號給仿真轉臺。
2.根據權利要求1所述的飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，其特徵在於，軸控制器(2)還包括穩壓電壓(2-7)，穩壓電壓(2-7)用於為AD信號輸入單元(2_2)和DA轉換器(2-5)提供工作電源。
3.根據權利要求1或2所述的飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，其特徵在於，主現場可編程門陣列(1-1)和從現場可編程門陣列(2-3)的型號均為EP3C25Q240C8。
4.根據權利要求3所述的飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，其特徵在於，ARM處理器(1-2)的型號為STM32F407。
5.根據權利要求4所述的飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，其特徵在於，數位訊號處理器(2-4)的型號為TMS320F28335。
6.根據權利要求5所述的飛行仿真轉臺的嵌入式電機模塊化伺服控制器，其特徵在於，乙太網晶片(1-3)的型號為KS8732。
【文檔編號】H02P29/00GK104135214SQ201410400095
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】劉巖, 王獻林, 陳松林, 王永錕 申請人:哈爾濱工業大學