阅读说明：本技术 一种多级冗余互检电机控制器及控制方法 (Multi-level redundant mutual detection motor controller and control method ) 是由 董立军 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多级冗余互检电机控制器及控制方法。本发明包括RAM、DSP控制器、ARM控制器、PWM比较整定单元、电机驱动选择单元、驱动集成单元、电机单元和检测单元；所述RAM连接DSP控制器、ARM控制器和PWM比较整定单元,所述DSP控制器连接ARM控制器；所述DSP控制器和ARM控制器连接PWM比较整定单元、电机驱动选择单元和检测单元；所述PWM比较整定单元连接驱动集成单元,所述驱动集成单元连接电机单元,所述电机驱动选择单元连接电机单元,所述电机单元连接检测单元。本发明实现了多级冗余的结构,同时实现了双处理器相互检测,以及相互配合的控制方式以及多模式的控制方法。(The invention relates to a multi-level redundant mutual detection motor controller and a control method. The invention comprises an RAM, a DSP controller, an ARM controller, a PWM comparison and setting unit, a motor drive selection unit, a drive integration unit, a motor unit and a detection unit; the RAM is connected with the DSP controller, the ARM controller and the PWM comparing and setting unit, and the DSP controller is connected with the ARM controller; the DSP controller and the ARM controller are connected with the PWM comparing and setting unit, the motor drive selection unit and the detection unit; the PWM comparison and setting unit is connected with a drive integrated unit, the drive integrated unit is connected with a motor unit, the motor drive selection unit is connected with the motor unit, and the motor unit is connected with a detection unit. The invention realizes a multi-level redundancy structure, and realizes mutual detection of dual processors, a control mode of mutual cooperation and a multi-mode control method.)

一种多级冗余互检电机控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体的说是一种多级冗余互检电机控制器及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电机控制器成为现代运动控制的重要组成部分，电机控制器广泛应用于注塑机领域、纺织机械、包装机械、数控机床领域，航空航天领域等。电机控制器是各种运动物体的主要动力来源，他的性能，特性，可靠性，决定了整个运动系统的性能好坏，传统的电机控制器一般都是一个处理芯片控制一个电机，或者是一个处理芯片加一个辅助芯片控制一个或者多个电机，但是控制电机时，同时传统的电机控制器没有芯片级别的矫正，互检，同时控制方法单一，控制模式单一，可靠性差，而且只适用于特定的电机，不能适用各种电机，同时很多控制器也不能一起控制多个电机，而且对于电机的控制信号的PWM的输出，也仅仅是靠处理器的算法解决，没有进一步的去比较整定。这些缺陷往往造成了电机控制器每次都要专机专用，增加了研发成本，同时电机控制器的可靠性降低了，适用能力下降，不存在冗余，一旦出现问题，整个系统出现了死机状态，给研发和产品带来了使用的制约和研究的制约。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种多级冗余互检电机控制器及控制方法，用以提高的电机控制器的稳定性、安全性和可靠性，保证其可以应用更多的场合，适用不同的技术要求，满足研发和产品的要求，降低研发成本和时间。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种多级冗余互检电机控制器，包括RAM、DSP控制器、ARM控制器、PWM比较整定单元、电机驱动选择单元、驱动集成单元、电机单元和检测单元；所述RAM连接DSP控制器、ARM控制器和PWM比较整定单元，所述DSP控制器连接ARM控制器；所述DSP控制器连接PWM比较整定单元、电机驱动选择单元和检测单元，用于对所述ARM控制器的计算进行检测，运行所述RAM存储的算法，选择电机及其控制模式，同时计算PWM的数值，调取RAM数据，处理检测单元的数据；所述ARM控制器连接PWM比较整定单元、电机驱动选择单元和检测单元，用于对所述DSP控制器的计算进行检测，运行所述RAM存储的算法，选择电机及其控制模式，同时计算PWM的数值，调取RAM数据，处理检测单元的数据；所述PWM比较整定单元连接驱动集成单元，所述驱动集成单元连接电机单元，所述电机驱动选择单元连接电机单元，所述电机单元连接检测单元。

所述PWM比较整定单元包括PWM接收模块、中央处理器和PWM输出模块；所述PWM接收模块与DSP控制器、ARM控制器和中央处理器连接，用于接收DSP控制器和ARM控制器计算的PWM的数值；所述中央处理器连接PWM输出模块，用于对DSP控制器以及ARM控制器的计算的PWM的数值以及调取RAM存储的数据进行比较、整定；所述PWM输出模块用于输出整定后的PWM的数值。

所述电机驱动选择单元包括若干个选择开关，所述选择开关的一端与母线连接，另一端与电机对应的驱动模块连接，控制部分连接DSP控制器和ARM控制器，用于在电机的个数、种类以及电机接线方式不同时，选择不同的驱动模块，以选择对应的电机。

所述驱动集成单元包括若干个驱动模块，一个驱动模块对应一个电机或者对应一个电机绕组。

所述检测单元用于检测电机驱动选择单元中选择开关的状态、检测电机的输出波形，电机的脉动电压和电机的电流，并将检测结果发送给DSP控制器和ARM控制器。

本发明还提供一种多级冗余互检电机控制器的控制方法，包括以下步骤：

当所述控制器开始工作时，进行初始化，自检，确定电机的个数及接线；

判断是单个电机还是多个电机；

如果是单电机，判断单电机的绕组接线，如果是单绕组接线，则选择单电机单绕组模式，如果是双绕组接线，则选择单电机双绕组模式；如果是多电机，判断多电机的绕组接线，如果是单绕组接线，则选择多电机单绕组模式，如果是双绕组接线，则选择多电机双绕组模式；

根据模式选择的结果，DSP控制器和ARM控制器控制电机驱动选择单元中的选择开关闭合，选择与控制模式对应的驱动模块控制电机的运动。

所述单电机单绕组模式执行以下步骤：

选择DSP控制器或者ARM控制器中的一个作为控制芯片，另一个作为控制芯片的检测芯片；

根据电机单元以及检测单元选择控制电机的方式，从RAM中调取控制算法；

DSP控制器和ARM控制器根据检测单元的反馈数据以及控制算法计算PWM的数值；

PWM比较整定单元接收PWM的数值，同时从RAM中调取相应的PWM理论数值，当ARM控制器与DSP控制器的数值和理论数值相差大于1％时，判断PWM的数值不正常，进行PWM数值整定补偿；当小于或等于1％时，以ARM控制器和DSP控制器的小数值作为输出；

比较整定的PWM数值传给驱动集成单元，控制电机工作。

所述单电机双绕组模式执行以下步骤：

选择DSP控制器和ARM控制器中的一个作为控制主线圈绕组的控制芯片，另一个作为备线圈绕组的控制芯片；

选择是主线圈控制还是备线圈控制；

如果是主线圈控制，则启动控制主线圈绕组的控制芯片，此时备线圈绕组的控制芯片作为检测芯片，检测主线圈绕组的控制芯片的计算值；如果是备线圈控制，则启动备线圈绕组的控制芯片，此时控制主线圈绕组的控制芯片作为检测芯片，检测备线圈绕组的控制芯片的计算值；

根据电机单元以及检测单元选择控制电机的方式，从RAM中调取控制算法；

DSP控制器和ARM控制器根据检测单元的反馈数据以及控制算法计算PWM的数值；

PWM比较整定单元接收PWM的数值，同时从RAM中调取相应的PWM理论数值，当ARM控制器与DSP控制器的数值和理论数值相差大于1％时，判断PWM的数值不正常，进行PWM数值整定补偿；当小于或等于1％时，以ARM控制器和DSP控制器的小数值作为输出；

比较整定的PWM数值传给驱动集成单元，控制电机工作。

所述多电机单绕组模式执行以下步骤：

选择DSP控制器和/或ARM控制器中的一个作为一个电机或多个电机的控制芯片；

判断一个控制器是否只控制一个电机；

如果是，则DSP控制器和ARM控制器相互检测对方的数据；如果不是，则DSP控制器和ARM控制器中的一个作为多个电机的控制芯片，另一个作为控制芯片的检测芯片；

根据电机单元以及检测单元选择控制电机的方式，从RAM中调取控制算法；

DSP控制器和ARM控制器根据检测单元的反馈数据以及控制算法计算PWM的数值；

PWM比较整定单元接收PWM的数值，同时从RAM中调取相应的PWM理论数值，当ARM控制器与DSP控制器的数值和理论数值相差大于1％时，判断PWM的数值不正常，进行PWM数值整定补偿；当小于或等于1％时，以ARM控制器和DSP控制器的小数值作为输出；

比较整定的PWM数值传给驱动集成单元，控制电机工作。

所述多电机双绕组模式执行以下步骤：

选择DSP控制器和/或ARM控制器中的一个作为一个电机或多个电机的控制芯片；

判断一个控制器是否只控制一个电机；

如果是，则DSP控制器和ARM控制器分别控制一个电机的主备绕组，同时作为检测芯片检测对方的数据，或者是DSP控制器和ARM控制器分别控制一个电机主绕组，另一个控制器控制对方的备绕组，同时两个芯片相互检测对方的数据；如果不是，则DSP控制器和ARM控制器控制中的一个作为控制多个电机的主线圈绕组的控制芯片，另一个作为控制多个电机的备线圈绕组的控制芯片；

根据电机单元以及检测单元选择控制电机的方式，从RAM中调取控制算法；

DSP控制器和ARM控制器根据检测单元的反馈数据以及控制算法计算PWM的数值；

PWM比较整定单元接收PWM的数值，同时从RAM中调取相应的PWM理论数值，当ARM控制器与DSP控制器的数值和理论数值相差大于1％时，判断PWM的数值不正常，进行PWM数值整定补偿；当小于或等于1％时，以ARM控制器和DSP控制器的小数值作为输出；

比较整定的PWM数值传给驱动集成单元，控制电机工作。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明实现了多级冗余的结构，同时实现了双处理器相互检测，以及相互配合的控制方式，集成了多种模式控制方法，增加了PWM比较整定功能。此多级冗余电机控制器及控制方法保证了电机控制器在各种模式下的正常工作，提高了电机控制器的工作性能，增加了电机控制器的可靠性和稳定性，提升了电机控制器的适用性。

2、本发明采用了双处理器模式，进行相互检测，并控制电机的运动，保证了电机的稳定性。双处理器的结构和性能不同，保证了电机的运动性能。

3、本发明实现了多级冗余设计，实现了每个处理器都可以解算数据，控制电机运动，提高了选择性能，保证了系统的安全，增加了存储电路，保证了信息的保留，控制的准确。

4、本发明采用了PWM比较整定单元，保证了处理器输出的PWM数值的准确可靠，提高了控制的精度，防止直通，同时增加了可靠性和安全性。

5、本发明增加了电机驱动选择单元实现了对不同种类的电机，对不同个数的工作电机进行驱动选择，保证了对不同电机的不同控制模式以驱动模块。

6、本发明集成了多种模式的控制方法，保证对于每种应用模式都有相应的控制方法，提高了控制器的适用性和通用性，有利于对电机的精准控制，提高了工作效率。

7、本发明采用了检测单元，精确的检测了电机的状态，以及电机驱动选择单元的状态，为双处理器提供了依据，保证了系统电路的快速性，提高了处理速度，增强了控制器的可靠性能。

8、本发明实现了处理器的冗余，实现了电机的冗余控制，实现了控制方法的冗余，多级冗余保证了控制器的性能，提高了控制器的可靠性。

附图说明

图1为本发明的电机控制器结构示意图；

图2为本发明的PWM比较整定单元结构示意图；

图3为本发明的电机驱动选择单元结构示意图；

图4为本发明的驱动集成单元结构示意图；

图5为本发明的电机单元结构示意图；

图6为本发明的控制方法整体步骤流程图；

图7为图6中的控制模式1的控制方法流程图；

图8为图6中的控制模式2的控制方法流程图；

图9为图6中的控制模式3的控制方法流程图；

图10为图6中的控制模式4的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1电机控制器示意图所示，其包括一个RAM、一个DSP控制器、一个ARM控制器、PWM比较整定单元、电机驱动选择单元、驱动集成单元、电机单元和检测单元。

如图1电机控制器示意图所示，所述的电机控制器中，RAM与DSP控制器以及ARM控制器相连，同时RAM与PWM比较整定单元相连；DSP控制器以及ARM控制器相连，构成双处理器，当一种控制芯片或者电机出现故障时，另一种控制芯片可以作为备用使用，保证了控制器的可靠性。同时DSP控制器以及ARM控制器与PWM比较整定单元相连，与电机驱动选择单元相连，与检测单元相连；PWM比较整定单元与驱动集成单元相连；驱动集成单元相连与电机单元相连；电机单元与检测单元相连，同时与电机驱动选择单元相连；电机驱动选择单元与检测单元相连。

ARM控制器是一款具有控制能力的芯片，用于对ARM控制器计算的数值及算法的检测，自己本身算法的运行，电机控制模式及控制方法的选择，以及电机的选择，同时计算PWM的数值，调取RAM数据，处理检测单元的数据。

RAM主要是一个存储芯片，用于存储DSP控制器和RAM控制器以及PWM比较整定单元的计算数据，比较数据以及理论数据，同时存储电机的控制模式、控制方法，保证电机控制器数据的有效保存和调用。DSP控制器主要是一款具有浮点运算的芯片，用于对ARM控制器的计算数值及算法的检测，算法的运行，电机控制模式的选择，以及电机的选择，同时计算PWM的数值，调取RAM数据，处理检测单元的数据；ARM控制器主要是用于对DSP控制器的计算的检测，算法的运行，电机控制模式的选择，以及电机的选择，同时计算PWM的数值，调取RAM数据，处理检测单元的数据。

PWM比较整定单元主要是对DSP控制器以及ARM控制器的计算的PWM的数值以及调取RAM存储的数据进行比较、整定，保证PWM数值的准确性。如图2PWM比较整定单元示意图所示，主要包含PWM接收模块、中央处理器模块和PWM输出模块，PWM接收模块与DSP控制器和ARM控制器相连，同时与中央处理器相连，中央处理器与PWM输出模块相连。PWM比较整定单元主要是接受DSP控制器以及ARM控制器根据算法及控制模式计算的PWM的数值以及通过中央处理器调取RAM存储的数据进行比较，整定，保证PWM数值的准确性，输出PWM的开关，此模块提高了控制的精度，防止直通，同时增加了可靠性和安全性。

电机驱动选择单元主要是用于电机的个数、种类，以及电机接线方式不同时，选择不同的驱动模块，以达到选择电机及驱动的目的。如图3电机驱动选择单元示意图所示，主要包含选择开关K1，K2等。K1，K2等选择开关的控制部分与DSP控制器和ARM控制器分别相连，同时选择开关的一端1与母线相连，另一端2与电机对应的驱动模块相连。选择开关的个数与电机的个数或者单个电机的绕线冗余度有关，电机的个数，种类，以及电机接线方式不同时，选择不同的驱动模块，以达到选择电机技驱动的目的；保证了不同种类电机或者相同种类电机不同个数的选择性接通。保证了对电机的控制，以及系统的可靠性和准确性。

驱动集成单元主要是集成了电机的驱动电路，保证对电机的实际控制的动力的给定。如图4驱动集成单元示意图所示，主要包含驱动模块1，驱动模块2等，驱动模块的个数与电机的个数或者，电机的绕线冗余度有关。此单元主要是集成了电机的驱动模块，保证对电机的实际控制的动力的给定；确保了电机的正常运动。

检测单元主要检测电机的输出波形，电机的脉动电压，电机的电流等数据，为控制提供数据初值。检测单元主要是检测电机驱动选择单元中选择开关的状态，检测电机的输出波形，电机的脉动电压，电机的电流等数据，为控制提供数据初值。保证了电机控制器的可靠性，以及提供了控制器的控制依据。为双处理器提供了依据，保证了系统电路的快速性，提高了处理速度，增强了控制器的可靠性能。

电机单元主要是包含电机的接线口，保证系统适用于不同电机。电机单元主要包含的是如图5电机单元示意图中电机1，电机2等电机的接口，电机单元的电机与驱动模块一一对应相连，同时与检测模块相连，主要是用于控制器和电机的连接。保证了控制器与电机的有效准确的连接，提升了控制器的准确性。

所述的多级冗余指的是DSP控制器与ARM控制器之间控制芯片的冗余，控制模式的冗余，控制方法的冗余，PWM比较整定单元的冗余，电机的主备线圈的冗余，多个电机的冗余等。互检指的是DSP控制器与ARM控制器之间的互检，PWM比较整定单元与DSP控制器与ARM控制器之间的互检。

DSP控制器与ARM控制器中各自根据自己的架构和语言集成了控制模式，主要是四种模式，模式1为单电机单绕组模式：模式2为单电机双绕组模式；模式3为多电机单绕组模式；模式4为多电机双绕组模式。

所述的控制模式选择流程如图6所示，第一步当控制器开始工作时，进行初始化，自检，确定电机的个数及接线，第二步判断是单个电机还是多电机；第三步如果是单电机，判断单电机的绕组接线，如果是单绕组接线，则选择模式1，如果是双绕组接线，则选择模式2；如果是多电机，判断多电机的绕组接线，如果是单绕组接线，则选择模式3，如果是双绕组接线，则选择模式4。第四步，根据模式选择的结果，双处理器去控制选择开关k1，k2等闭合，选择与控制模式对应的驱动模块，模式选择结束，根据控制方法去控制电机的运动。

所述的DSP控制器与ARM控制器中各自根据自己的架构和语言集成了每种模式的控制方法。

所述的如图7模式1的控制方法流程所示。主要是分为以下几步：(1)选择DSP控制器或者ARM控制器中的其中一个作为控制的主芯片，比如选DSP作为控制的主芯片，去控制单个电机运动；(2)选择ARM控制器作为控制芯片的检测芯片；(3)根据电机以及检测单元选择控制电机的方式，比如方波还是FOC，从RAM中调取控制算法；(4)DSP控制器和ARM控制器根据检测单元的反馈数据以及控制算法计算PWM数值；(5)PWM比较整定单元接受PWM的数值，同时从RAM中调取相应的PWM理论数值，当ARM控制器与DSP控制器的数值和理论数值比，相差大于1％，数值不正常，进行PWM数值整定补偿，当小于或等于1％时，以ARM控制器和DSP控制器的小数值为主，作为输出；(6)比较整定的PWM数值传给驱动单元，控制电机工作。同时返回步骤(3)，模式1控制结束。

所述的如图8模式2的控制方法流程所示。主要是分为以下几步：(1)选择DSP控制器或者ARM控制器作为控制主线圈绕组控制芯片，比如选DSP控制器作为主线圈绕组的控制芯片；(2)选择ARM控制器作为备线圈绕组的控制芯片；(3)选择是主线圈控制还是备线圈控制；(4)如果是主线圈控制，那么启动主线圈控制芯片DSP控制器，此时备线圈控制芯片ARM控制器虽然不控制备线圈，但是也要作为检测芯片，检测DSP控制器的计算值；如果是备线圈控制，那么启动备线圈控制芯片ARM控制器，此时主线圈控制芯片DSP控制器虽然不控制备线圈，但是也要作为检测芯片，检测ARM控制器的计算值；(5)与所述的控制模式1中的(3)(4)(5)步骤一样；(6)比较整定的PWM数值传给驱动单元，控制电机工作。同时返回步骤(5)，模式2控制结束。

所述的如图9模式3的控制方法流程所示。主要是分为以下几步：(1)假设2个电机，(电机也可以是3个，4个等)，选择DSP控制器或者ARM控制器作为一个电机或2个电机的控制芯片；(2)判断DSP控制器和ARM控制器是否只控制一个电机；(3)如果是每个芯片控制一个电机(比如DSP控制器控制一个电机，ARM控制器控制一个电机)，那么DSP控制器和ARM控制器相互检测对方的数据，如果不是每个芯片控制一个电机，即一个芯片控制两个电机(比如DSP控制器控制两个电机)，则ARM控制器作为DSP控制器检测芯片，检测DSP控制器的计算值；(4)与所述的控制模式1中的(3)(4)(5)步骤一样；(5)比较整定的PWM数值传给驱动单元，控制电机工作。同时返回步骤(4)，模式3控制结束。

所述的如图10模式4的控制方法流程所示。主要是分为以下几步：(1)假设2个电机(电机也可以是3个，4个等)，选择DSP控制器或者ARM控制器作为一个电机或2个电机的控制芯片；(2)判断DSP控制器和ARM控制器是否只控制一个电机；(3)如果是每个芯片控制一个电机(比如DSP控制器控制一个电机，ARM控制器控制一个电机)，DSP控制器和ARM控制器分别控制一个电机主备绕组，同时作为检测芯片检测对方的数据，或者是DSP控制器和ARM控制器分别控制一个电机主绕组，另一个芯片控制对方的备绕组，同时两个芯片也要相互检测对方的数据；如果不是每个芯片控制一个电机，比如DSP控制器控制2个电机的主备绕组，ARM控制器作为DSP控制器检测芯片，检测DSP控制器的计算值；(4)与所述的控制模式1中的(3)(4)(5)步骤一样；(5)比较整定的PWM数值传给驱动单元，控制电机工作。同时返回步骤(4)，模式4控制结束。