[发明专利]一种基于多处理器片上系统的多轴伺服驱动控制器

说明书

本发明公开了一种基于多处理器片上系统的多轴伺服驱动控制器。在单个FPGA芯片内，集成了网络通讯模块、至少一路电机驱动控制模块、至少一路片上共享RAM、EPCS控制器、片上RAM、主处理器等，实现多轴交流伺服电机的独立、同步驱动控制；每一路电机驱动控制模块包括电流环伺服控制IP核、从处理器、MUTEX核和片上RAM，软硬件协同完成单轴交流伺服电机的位置、速度和电流闭环控制。整个系统具有结构简单、实时性强、响应快速、扩展方便等特点，在电动汽车、工业自动化、国防等行业的多轴伺服场合均有广阔的应用空间。

技术领域

本发明涉及一种伺服驱动控制器，具体涉及一种基于多处理器片上系统的多轴伺服驱动控制器，属于电机驱动控制技术领域。

背景技术

在电动汽车、工业自动化、国防等领域，永磁交流伺服系统占据着举足轻重的地位；很多应用场合通常需要在非常有限的空间内同时驱动控制多轴伺服机构，例如多关节机械手和机器人、多轴联动数控机床、外骨骼系统、导弹舵机、机械相控阵天线等设备都需要很多伺服轴同时进行精密的驱动控制；多轴伺服驱动控制器的实现方式主要包括基于DSP的软件实现方案和基于FPGA的硬件实现方案。由于软件代码的串行执行、以及硬件资源的固化限制等不足，单个DSP难以实现高性能的多轴伺服驱动控制；当采用多个DSP时，又使得系统的成本和体积增加，同时容易出现多轴无法同步的问题。基于FPGA的硬件实现方案从原理上实现了多轴的同步控制，提高了多轴伺服驱动系统的集成度，减小了系统成本、体积和功耗，增强了系统的抗干扰能力和伺服控制性能；目前，基于FPGA的多轴伺服驱动控制器主要有以下两种技术方案：第一、伺服驱动的位置、速度和电流闭环控制算法，位置、速度和电流信号检测以及处理算法等采用纯硬件逻辑实现，并通过在FPGA内部嵌入MCU处理器、通讯模块、片内存储器等，实现了一种利用FPGA实现全数字化多轴伺服控制的片上系统。通常情况下，位置和速度控制比较灵活，纯硬件的实现方式很难做到通用性；同时还需要根据外部输入和状态变化实时配置闭环参数，这也是纯硬件方案难以实现的。第二、具有高实时性和控制算法相对单一的电流矢量控制算法采用FPGA以纯硬件方式实现，而伺服控制的其他功能，包括位置和速度闭环控制算法、闭环参数配置、各种对外接口、故障和保护处理等，都具有很强的灵活性或随机性，都由内嵌的单处理器MCU完成。当应用于多轴伺服控制时，单处理器MCU执行时间较长和无法并行处理多轴伺服控制，控制的实时性和算法精确度无法得到保证。综上所述，上述两种技术方案均存在软硬件划分不合理的问题，难以满足多轴伺服电机驱动系统的应用需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于多处理器片上系统的多轴伺服驱动控制器，提高软硬件协同控制能力，而且具有结构简单、实时性强、响应快速、可扩展性强的优点。

本发明的一种基于多处理器片上系统的多轴伺服驱动控制器，用于实现对多轴交流伺服电机独立、同步的驱动控制，包括：网络通讯模块，连接上位机，用于接收所述上位机的控制指令、以及将所述控制器的处理数据发送给所述上位机；至少一路电机驱动控制模块，连接对应轴的电机功率驱动与信号采集电路，用于完成对应轴交流伺服电机的位置、速度和电流伺服控制；至少一路片上共享RAM模块，用于实现主处理器和所述电机驱动控制模块中的从处理器之间的数据交互；EPCS控制器，连接外部的EPCS串行配置器件，用于实现FPGA 配置文件、以及主处理器和所述电机驱动控制模块中的从处理器的软件代码存储；片上RAM 模块，用于实现主处理器的程序和数据运行空间；主处理器，用于提供所述控制器的框架，并集成上述各模块，调用执行各模块的任务。

作为优选的实施方案，所述电机驱动控制模块，包括：电流环伺服控制IP核模块，用于实现对应轴的电机电流矢量控制算法、以及位置、速度、电流信号检测和处理算法；从处理器，用于实现对应轴的电机位置和速度闭环控制算法、闭环参数配置、多种对外接口、故障和保护处理等功能；MUTEX核模块，用于实现所述主处理器与所述从处理器对所述片上共享RAM模块的互斥操作；片上RAM模块，用于实现所述从处理器的程序和数据运行空间。