飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104135214 A (43)申请公布日 2014.11.05 CN 104135214 A (21)申请号 201410400095.6 (22)申请日 2014.08.14 H02P 29/00(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 刘岩 王献林 陈松林 王永锟 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张利明 (54) 发明名称 飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制 器 (57) 摘要 飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制 器， 属于。

2、电机伺服控制技术领域。本发明为了解 决目前单轴飞行仿真转台的驱动成本高并且上位 机由于工作负荷大使伺服功能受限的问题。它利 用 ARM 与 FPGA 构成主控制器， 接收上位机的控制 指令， 简单解算后， 发送控制指令给轴控制器 ； 轴 控制器由 DSP 与 FPGA 构成， 接收由主控制器发送 的指令， 由 DSP 做控制指令计算， FPGA 做逻辑运 算， 给驱动器信号， 驱动电机完成指定任务 ； 主控 制器与轴控制器通信方式采用 EtherCAT 工业总 线 ； 上位机 IPC 主要负责人机交互， 并负责少量的 数据量的计算， 将数据信息通过网络发送到主控 制器中。本发明用于飞行仿真转台。

3、的电机控制。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104135214 A CN 104135214 A 1/1 页 2 1. 一种飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 其特征在于， 它包括主控制器 (1)、 轴控制器 (2) 和上位机 (3)， 主控制器 (1) 包括主现场可编程门阵列 (1-1)、 ARM 处理器 (1-2)、 以太网芯片 (1-3)、 电机开关量信号接口 (1-4) 和蜂鸣器 (1-5) ； 轴控制器 (2)。

4、 包括编码器信号输入单元 (2-1)、 AD 信号输入单元 (2-2)、 从现场可编程 门阵列 (2-3)、 数字信号处理器 (2-4)、 DA 转换器 (2-5) 和电平转换电路 (2-6) ； 上位机 (3) 用于通过以太网芯片 (1-3) 发送控制指令给 ARM 处理器 (1-2)， 并接收 ARM 处理器 (1-2) 发送的显示数据 ； ARM处理器(1-2)通过数据线和地址线与主现场可编程门阵列(1-1)进行数据共享， 并 且主现场可编程门阵列 (1-1) 对接收的控制指令进行解算后， 通过 ARM 处理器 (1-2) 发送 到 EtherCAT 总线 ； 主现场可编程门阵列 (1-。

5、1) 通过电机开关量信号接口 (1-4) 接收电机的停机信号， 并 发送开机信号给电机 ； 主现场可编程门阵列(1-1)发送报警信号给蜂鸣器(1-5)， 使蜂鸣器(1-5)发送报警信 号 ； 增量式或绝对式编码器采集的电机位置信号通过编码器信号输入单元 (2-1) 传递给 从现场可编程门阵列 (2-3) ； 模拟量传感器采集的电机模拟量信号通过 AD 信号输入单元 (2-2)传递给从现场可编程门阵列(2-3)， 从现场可编程门阵列(2-3)将接收的采集信号传 递给数字信号处理器(2-4)， 数字信号处理器(2-4)同时通过EtherCAT总线接收控制指令， 数字信号处理器 (2-4) 对接收的。

6、所有数据进行处理后， 计算获得电机的模拟电压量驱动信 号和数字量驱动信号， 电机的模拟电压量驱动信号通过DA转换器(2-5)和模拟量驱动接口 发送给电机 ； 电机的数字量驱动信号通过电平转换电路 (2-6) 和数字量驱动接口发送给电 机 ； 所述仿真转台通过转台光电限位开关及零位开关接口和电平转换电路 (2-6) 发送停 机信号给从现场可编程门阵列(2-3)， 从现场可编程门阵列(2-3)通过电平转换电路(2-6) 和转台光电限位开关及零位开关接口发送运行控制信号给仿真转台。 2. 根据权利要求 1 所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 其特征在 于， 轴控制器(2)还包括稳压电压。

7、(2-7)， 稳压电压(2-7)用于为AD信号输入单元(2-2)和 DA 转换器 (2-5) 提供工作电源。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 其特征 在于， 主现场可编程门阵列(1-1)和从现场可编程门阵列(2-3)的型号均为EP3C25Q240C8。 4. 根据权利要求 3 所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 其特征在 于， ARM 处理器 (1-2) 的型号为 STM32F407。 5. 根据权利要求 4 所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 其特征在 于， 数字信号处理器 (2-4) 的型号为 TMS320F28。

8、335。 6. 根据权利要求 5 所述的飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 其特征在 于， 以太网芯片 (1-3) 的型号为 KS8732。 权 利 要 求 书 CN 104135214 A 2 1/4 页 3 飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器 技术领域 0001 本发明涉及飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 属于电机伺服控制技 术领域。 背景技术 0002 飞行仿真转台为高精度的复杂控制系统， 用以模拟飞行器在空中的各种动作和姿 态， 把高精度传感器如陀螺仪、 导引头等安装于转台之上， 将飞行器在空中的各种姿态的电 信号转化为转台的机械转动， 以使陀螺仪、 导引头等敏。

9、感飞机的姿态角运动。 “高频响、 超低 速、 宽调速、 高精度” 成为仿真转台的主要性能指标和发展方向。其中，“高频响” 反映转台 跟踪高频信号的能力强 ；“超低速” 反映系统的低速平稳性好 ；“宽调速” 可提供很宽的调速 范围 ；“高精度” 指系统跟踪指令信号的准确程度高。 0003 目前对转台控制的主要实现方式是上下位机分层式控制， 上位机是工业控制计算 机IPC， 下位机是运动板卡。 上位机通过RS232或者485通讯协议向下位机发送要实现的位 置或者速度信号， 下位机接受上位机的信号和转台的位置和速度反馈信号， 依据设定的控 制算法进行运算， 输出控制信号给转台， 并对转台运行状态进行。

10、监测。 0004 但是现有技术中 IPC 不仅仅负责人机交互， 还负责庞大的数据量的采集、 运算等 多任务。由于 IPC 功能的有限， 越来越制约着转台的伺服控制。同时， 在通信过程中， RS232 或者 485 通信协议也限制了数据量的通信， 影响了转台控制精度。另外， 由于运动板卡一般 同时只能实现多个相同的功能， 也就是说单轴转台和多轴转台需要同样数量的不同功能的 运动板卡， 因此两者成本基本相差不大 ； 另外高性能的 IPC 成本较高， 故整体来说目前单轴 转台的驱动成本较高。 发明内容 0005 本发明目的是为了解决目前单轴飞行仿真转台的驱动成本高并且上位机由于工 作负荷大使伺服功能。

11、受限的问题， 提供了一种飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制 器。 0006 本发明所述飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器， 它包括主控制器、 轴 控制器和上位机， 0007 主控制器包括主现场可编程门阵列、 ARM 处理器、 以太网芯片、 电机开关量信号接 口和蜂鸣器 ； 0008 轴控制器包括编码器信号输入单元、 AD 信号输入单元、 从现场可编程门阵列、 数字 信号处理器、 DA 转换器和电平转换电路 ； 0009 上位机用于通过以太网芯片发送控制指令给 ARM 处理器， 并接收 ARM 处理器发送 的显示数据 ； 0010 ARM 处理器通过数据线和地址线与主现场可编程门阵列进。

12、行数据共享， 并且主现 场可编程门阵列对接收的控制指令进行解算后， 通过 ARM 处理器发送到 EtherCAT 总线 ； 说 明 书 CN 104135214 A 3 2/4 页 4 0011 主现场可编程门阵列通过电机开关量信号接口接收电机的停机信号， 并发送开机 信号给电机 ； 0012 主现场可编程门阵列发送报警信号给蜂鸣器， 使蜂鸣器发送报警信号 ； 0013 增量式或绝对式编码器采集的电机位置信号通过编码器信号输入单元传递给从 现场可编程门阵列 ； 模拟量传感器采集的电机模拟量信号通过 AD 信号输入单元传递给从 现场可编程门阵列， 从现场可编程门阵列将接收的采集信号传递给数字信号。

13、处理器， 数字 信号处理器同时通过 EtherCAT 总线接收控制指令， 数字信号处理器对接收的所有数据进 行处理后， 计算获得电机的模拟电压量驱动信号和数字量驱动信号， 电机的模拟电压量驱 动信号通过 DA 转换器和模拟量驱动接口发送给电机 ； 电机的数字量驱动信号通过电平转 换电路和数字量驱动接口发送给电机 ； 0014 所述仿真转台通过转台光电限位开关及零位开关接口和电平转换电路发送停机 信号给从现场可编程门阵列， 从现场可编程门阵列通过电平转换电路和转台光电限位开关 及零位开关接口发送运行控制信号给仿真转台。 0015 轴控制器还包括稳压电压， 稳压电压用于为 AD 信号输入单元和 D。

14、A 转换器提供工 作电源。 0016 本发明的优点 ： 本发明利用ARM与FPGA构成主控制器， 接收上位机的控制指令， 简 单解算后， 发送控制指令给轴控制器。轴控制器由 DSP 与 FPGA 构成， 接收由主控制器发送 的指令， 由 DSP 做控制指令计算， FPGA 做逻辑运算， 给驱动器信号， 驱动电机完成指定任务。 主控制器与轴控制器通信方式采用 EtherCAT 工业总线。与现有的伺服控制系统相比， 具有 系统成本低、 模块化构成灵活、 设计简单及数据处理带宽较好等优点。 0017 本发明克服了现有电机伺服控制器成本高及采集数据周期长等问题， 减轻了上位 机 IPC 的工作负荷， 。

15、进一步提高了采样周期和控制周期 ； 其通信速率有较大提高并且易于 扩展 ； 应用于单轴转台， 能够极大降低成本 ； 其对上位机 IPC 的性能要求较低。 0018 本发明技术方案中， 上位机 IPC 主要负责人机交互， 并负责少量的数据量的计算， 将数据信息通过网络发送到主控制器中。在主控制器负责整个系统的调度， 将获得数据信 息简单编码， 发送到相应的轴控制器中去。 轴控制器获得数据后， 由轴控制器采集对应轴的 速度信息和位置信息， 并经过 DSP 计算， 经过控制算法， 通过驱动器驱动电机。主控制器和 轴控制器通过 EtherCAT 相连， 分布式管理， 便于扩展轴控制器数量。 0019 。

16、因此， 上位机 IPC 的工作负荷大大减轻， 减低了 IPC 的成本 ； 工业总线上只负责传 输有效地控制信息， 提高了有效信息的吞吐速率。 采集和处理信息由对应的轴控制器进行， 并行操作， 提高了信息的采集能力和处理能力， 同时降低了控制时间周期， 提高控制精度， 同时操作更加灵活， 便于以后的扩展。 附图说明 0020 图 1 是本发明所述飞行仿真转台的嵌入式电机模块化伺服控制器的原理框图。 具体实施方式 0021 具体实施方式一 ： 下面结合图 1 说明本实施方式， 本实施方式所述飞行仿真转台 的嵌入式电机模块化伺服控制器， 它包括主控制器 1、 轴控制器 2 和上位机 3， 说 明 书。

17、 CN 104135214 A 4 3/4 页 5 0022 主控制器 1 包括主现场可编程门阵列 1-1、 ARM 处理器 1-2、 以太网芯片 1-3、 电机 开关量信号接口 1-4 和蜂鸣器 1-5 ； 0023 轴控制器 2 包括编码器信号输入单元 2-1、 AD 信号输入单元 2-2、 从现场可编程门 阵列 2-3、 数字信号处理器 2-4、 DA 转换器 2-5 和电平转换电路 2-6 ； 0024 上位机3用于通过以太网芯片1-3发送控制指令给ARM处理器1-2， 并接收ARM处 理器 1-2 发送的显示数据 ； 0025 ARM 处理器 1-2 通过数据线和地址线与主现场可编程。

18、门阵列 1-1 进行数据共享， 并且主现场可编程门阵列 1-1 对接收的控制指令进行解算后， 通过 ARM 处理器 1-2 发送到 EtherCAT 总线 ； 0026 主现场可编程门阵列 1-1 通过电机开关量信号接口 1-4 接收电机的停机信号， 并 发送开机信号给电机 ； 0027 主现场可编程门阵列 1-1 发送报警信号给蜂鸣器 1-5， 使蜂鸣器 1-5 发送报警信 号 ； 0028 增量式或绝对式编码器采集的电机位置信号通过编码器信号输入单元 2-1 传递 给从现场可编程门阵列 2-3 ； 模拟量传感器采集的电机模拟量信号通过 AD 信号输入单元 2-2传递给从现场可编程门阵列2-。

19、3， 从现场可编程门阵列2-3将接收的采集信号传递给数 字信号处理器2-4， 数字信号处理器2-4同时通过EtherCAT总线接收控制指令， 数字信号处 理器 2-4 对接收的所有数据进行处理后， 计算获得电机的模拟电压量驱动信号和数字量驱 动信号， 电机的模拟电压量驱动信号通过 DA 转换器 2-5 和模拟量驱动接口发送给电机 ； 电 机的数字量驱动信号通过电平转换电路 2-6 和数字量驱动接口发送给电机 ； 0029 所述仿真转台通过转台光电限位开关及零位开关接口和电平转换电路 2-6 发送 停机信号给从现场可编程门阵列2-3， 从现场可编程门阵列2-3通过电平转换电路2-6和转 台光电限。

20、位开关及零位开关接口发送运行控制信号给仿真转台。 0030 本实施方式中的主控制器负责控制器整体系统的逻辑保护等功能。 EtherCAT总线 通信稳定可靠， 通信速率较高， 同时便于扩展， 提高了控制器的易用性。上位机通过网口与 主控制器通信， 能够实现友好的人机交互， 上位机只用于人机交互及简单计算， 上位机可以 获得数据做出图像， 便于直观感受 ； 同时上位机可以输入控制指令， 使电机按照预期完成任 务。上位机可以通过 W5100 的以太网芯片 1-3 与主现场可编程门阵列 1-1 进行数据交互， 再由 ARM 处理器 1-2 通过以太网芯片 1-3 向 EtherCAT 总线发送命令和数。

21、据。主现场可编 程门阵列 1-1 负责逻辑信号处理， 如紧急停车等功能。蜂鸣器的主要功能是实现报警功能。 0031 轴控制器的数量可根据需要配置为与轴的数量相同。 0032 以单周飞行转台为例， 硬件只需要低性能的 IPC， 一个轴控制器和一个主控制器。 IPC 获得控制指令， 通过网络发送给主控制器， 主控制器此时监测整个系统的电压和电流 情况， 在安全地情况下启动轴控制器， 轴控制器从 EtherCAT 上得到数据信息， 同时自身采 集所对应轴的位置信息及速度信息， 经过控制算法， 获得输出量， 转化成对应的数字量和模 拟量驱动电机完成任务。当需要扩展成二轴转台时， 只需要将另一个轴控制器。

22、通过网线与 EtherCAT总线连接即可。 但需要紧急制动等操作时， 由主控制器紧急发出控制信号， 使转台 停车。 0033 上位机通过 W5100 以太网芯片与 FPGA 进行数据交互， 再由 ARM 通过 KS8732 以太 说 明 书 CN 104135214 A 5 4/4 页 6 网芯片向 EtherCAT 总线发送命令和数据。另外 FPGA 负责逻辑信号处理， 如紧急停车等功 能。轴控制器中由 FPGA 对 DA 芯片进行驱动， 获得指定电压驱动电机。FPGA 对传感器信号 进行采集， 采集的信号经过简单处理， 送给 DSP 进行计算。 0034 本发明在使用中， 可利用主控器上的。

23、 KS8732 作为主设备， 轴控制器作为从设备， 利用 EtherCAT 总线传播数据， 扩展节点。 0035 具体实施方式二 ： 下面结合图 1 说明本实施方式， 本实施方式对实施方式一作进 一步说明， 轴控制器 2 还包括稳压电压 2-7， 稳压电压 2-7 用于为 AD 信号输入单元 2-2 和 DA 转换器 2-5 提供工作电源。 0036 具体实施方式三 ： 本实施方式对实施方式一或二作进一步说明， 主现场可编程门 阵列 1-1 和从现场可编程门阵列 2-3 的型号均为 EP3C25Q240C8。 0037 具体实施方式四 ： 本实施方式对实施方式一、 二或三作进一步说明， ARM 处理器 1-2 的型号为 STM32F407。 0038 具体实施方式五 ： 本实施方式对实施方式一、 二、 三或四作进一步说明， 数字信号 处理器 2-4 的型号为 TMS320F28335。 0039 具体实施方式六 ： 本实施方式对实施方式一、 二、 三、 四或五作进一步说明， 以太网 芯片 1-3 的型号为 KS8732。 说 明 书 CN 104135214 A 6 1/1 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104135214 A 7 。