一种基于感算一体的电机驱动控制系统的制作方法

1.本发明属于电机驱动控制技术领域，特别涉及一种基于感算一体的电机驱动控制系统。


背景技术：

2.随着近几年智能化的普及，在机器人控制、伺服系统、电机驱动、无人机、智能弹药等应用场景中，对伺服控制器和电机驱动器的响应时间、控制器精度提出了更高的要求。现阶段的的伺服控制器和电机驱动器从输入信号到输出电机驱动信号的时间刻度在毫秒级，控制精度因闭环控制链路的关系也存在极大的提升空间。闭环控制链路需要经过传感器、传感器处理单元、电机控制单元、电机等模块单元，闭环信号经过的路径单元较多，模块单元之间的信息交互还会带来时间上的额外开销。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用感算一体单元代替以往的传感器、传感器处理单元、电机控制单元以及每个单元之间的互联信号，能够降低硬件成本，有利于功耗控制和设计简化的基于感算一体的电机驱动控制系统。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于感算一体的电机驱动控制系统，包括感算一体单元、电机控制器和寄存器单元；
5.将电机设备的电机状态量作为驱动控制的反馈环输入感算一体单元；同时，电机控制器采集电机设备的转子信号并传输至感算一体单元；
6.感算一体单元完成反馈数据的处理计算，输出以下信号：(1)硬件中断信号，作为用户接口的异步通知信号传输给用户应用接口；(2)控制量信号，输入电机控制器，对电机设备运行状态进行控制；(3)电机状态信号，输入寄存器单元；
7.寄存器单元分别与感算一体单元、电机控制器和用户应用接口相连，将感算一体单元和电机控制器的状态信号映射到寄存器单元中，通过寄存器单元传输给用户应用接口；用户应用接口设置的参数和单元配置通过寄存器单元发送给感算一体单元。
8.进一步地，所述感算一体单元包括传感器数据预处理单元、数字量处理流、模拟量处理流、算法电路、ad转换单元和da转换单元；
9.传感器数据预处理单元负责将表示电机状态量的传感器数据转换成统一的电信号，并进行归一化处理；归一化处理后的信号包括归一化数字量和归一化模拟量，分别输入数字量处理流和模拟量处理流进行后续处理；
10.数字量处理流接收寄存器单元输出的数字量阈值和配置信号，并对输入信号进行处理后输出四路信号：(1)归一化数字量，输入算法电路；(2)控制量信号，输入电机控制器；(3)硬件中断信号，输入用户应用接口，(4)状态信号，输入寄存器单元；
11.模拟量处理流接收寄存器单元输出的模拟量阈值和配置信号，并对输入信号进行处理后输出四路信号：(1)归一化模拟量，通过ad转换单元转换为归一化数字量后输入算法
电路；(2)控制量信号，输入电机控制器；(3)硬件中断信号，输入用户应用接口；(4)状态信号，输入寄存器单元；
12.算法电路接收寄存器单元输出的算法配置和算法参数，对接收到的信号进行处理后输出两路信号：(1)控制量信号，输入电机控制器；(2)状态信号，输入寄存器单元；同时，算法电路还能采集电机控制器上传的转子状态数据。
13.进一步地，所述传感器数据预处理单元包括滤波电路，分别与滤波电路相连的取样电路、温敏电阻取样电路、陀螺仪、线性分压或放大电路，依次连接的脉冲整形鉴幅电路一、脉冲计数器一、脉冲镜像计数器和单位时间戳生成器，依次相连的角度编码器、脉冲整形鉴幅电路二、脉冲计数器二，以及乘法器；
14.取样电路采集电机电流数据，温敏电阻取样电路采集温度数据，陀螺仪采集电机姿态数据，将电压、电流、温度和姿态均输入滤波电路滤波后得到电压模拟量、电流模拟量、温度模拟量和姿态模拟量，将四个模拟量输入线性分压或放大电路，线性分压或放大电路结合寄存器单元输出的模拟量归一化系数，通过线性分压或者放大电路实现归一化处理；
15.将电机的转速数据输入脉冲整形鉴幅电路一进行脉冲整形和脉冲鉴幅，然后输入脉冲计数器一，脉冲计数器一输出距离数字量信号，分别输入脉冲镜像计数器和乘法器；脉冲镜像计数器用于进行速度测算，在设定的单位时间计时到期后，会自动清零脉冲镜像计数器，脉冲计数器每计一次数，脉冲镜像计数器也会对应计数一次；单位时间生成器按照设置的时间，周期性发出清零脉冲给脉冲镜像计数器，用于周期性清零操作；脉冲镜像计数器输出的转数数字量输入乘法器中；
16.通过角度编码器采集电机角度数据，并以此输入脉冲整形鉴幅电路二和脉冲计数器二中，得到角度数字量，将角度数字量输入乘法器；
17.乘法器接收寄存器单元输出的数字量归一化系数，通过硬件浮点乘法器计算后得到归一化数字量。
18.进一步地，所述数字量处理流和模拟量处理流实现不同类型的传感器信号和设定阈值的比较计算，并输出高优先级的控制量和硬件中断信号；模拟量处理流不对传感器转换的电信号做模数转化和数字化处理，直接处理模拟信号，处理方式为模拟量比较，模拟量比较由模拟量比较器实现，数字量比较由数字量比较器实现；
19.通过设置寄存器来设定比较阈值；
20.将设定的比较阈值送到da转换单元进行转换后输出一个比较模拟量阈值，该模拟量阈值命名为b，将归一化模拟量命名为a，将a和b输入模拟量比较器，比较器比较后输出比较结果，比较结果为数字量0/1电平，如果a大于或等于b则输出1，如果a小于b则输出0；
21.设定的比较阈值和归一化数字量输入数字量分别命名为b和a，分别输入数字量比较器，比较结果为数字量0/1电平，若a大于或等于b则输出1，否则输出0；
22.比较结果用于产生状态信号和控制量信号；比较器的输出信号输入反相器中，产生硬件中断信号。
23.进一步地，所述算法电路包括pid算法模块和转子停转检测模块，pid算法模块根据输入的归一化数字量、寄存器单元输出的单元配置和闭环控制目标计算出控制量，单元配置包含pid系数和停转超时时间；转子停转检测模块根据转子实时信息和单元配置判断转子是否处于正常状态：如果在设置的超时时间之外，转子仍处于停止状态，则输出停转故
障的状态信号，否则转子处于正常状态，输出正常运行的状态信号。
24.本发明的有益效果：通过实现感算一体单元，使具体应用本方法的系统或者模块更加容易实现小型化；通过在设计中使用感算一体单元代替以往的传感器、传感器处理单元、电机控制单元以及每个单元之间的互联信号，能够降低硬件成本；感算一体单元将以往的多个单元模块和互联信号整合到一个单元实现，并且传感器数据获取即计算的特征符合芯片级设计或者系统级封装的思想，单芯片集成或者系统级封装有利于功耗控制和设计简化；该设计包含感算一体单元，设计中简化电机控制系统中的闭环控制链路，能减少系统复杂度和信号传输过程中信息的失真和噪声影响，从而提高控制精度；设计硬件计算电路，所有耗时的数学计算均在硬件计算电路中运行，减少耗时的数学计算对系统运算资源的开销，硬件电路有运算速度快，不占用处理器或者控制器资源的特点，从而提高系统响应时间；在设计硬件计算电路的同时，设计可配置的寄存器用于硬件电路的计算参数注入和中断方式选择，以达到简化用户设计复杂度；通过感知模块采集外部电信号，诊断电机是否故障，故障点由哪一个物理量引起，如果检测到某一预设的物理量超限，则触发响应保护机制。
附图说明
25.图1为本发明基于感算一体的电机驱动控制系统的结构图；
26.图2为本发明感算一体单元结构图；
27.图3为本发明感知模块传感器预处理单元的结构图；
28.图4为本发明数字量和模拟量处理流内部构造图；
29.图5为本发明计算电路的构造图。
具体实施方式
30.本发明提供了一种应用在机器人控制、伺服系统、电机驱动、无人机、智能弹药等应用场景中的电机、舵机驱动控制方法。设计中的计算参数注入和中断方式选择由用户通过读写寄存器进行控制。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
31.如图1所示，本发明的基于感算一体的电机驱动控制系统，包括感算一体单元、电机控制器和寄存器单元；相互配合完成电机设备的驱动控制。
32.将电机设备的电机状态量作为驱动控制的反馈环输入感算一体单元，使整个控制链路形成闭环控制；同时，电机控制器采集电机设备的转子信号并传输至感算一体单元；
33.感算一体单元完成反馈数据的处理计算，输出以下信号：(1)硬件中断信号，作为用户接口的异步通知信号传输给用户应用接口，该信号速度最快，优先级最高；(2)控制量信号，输入电机控制器，对电机设备运行状态进行控制；(3)电机状态信号，输入寄存器单元；
34.寄存器单元分别与感算一体单元、电机控制器和用户应用接口相连，将感算一体单元和电机控制器的状态信号映射到寄存器单元中，通过寄存器单元传输给用户应用接口；用户应用接口设置的参数和单元配置通过寄存器单元发送给感算一体单元，使用户能实时控制电机，并且能知晓电机和系统运行状态。
35.图中的用户控制和状态获取接口、硬件中断信号在具体设计应用中可以连接到处
理器、控制器、并行接口或者io中断等用户应用接口。
36.本发明的核心设计是感算一体单元。感算一体单元由两个模块组成：感知模块和计算模块；感知模块能完成基本的传感器数据预处理功能、模拟量和数字量比较计算并输出归一化数字量，并且按照设定阈值和设定中断方式产生硬件中断信号；计算模块将感知模块量化的数字量通过硬件算法器完成计算和信号输出。感知模块和计算模块在本方法中只是功能的划分，在具体设计中感知模块和计算模块相互交叉，互为一体；例如：模拟量处理流承担了模拟信号的比较计算，传感器数据预处理承担了数字量和模拟量的归一化计算，所以计算功能也分布在感知模块模块中；计算模块主要指算法电路和比较器，比较器又存在于数字量处理流和模拟量处理流中。感算一体单元结构如图2所示。
37.感算一体单元包括传感器数据预处理单元、数字量处理流、模拟量处理流、算法电路、ad转换单元和da转换单元；
38.传感器数据预处理单元负责将表示电机状态量的传感器数据转换成统一的电信号，并进行归一化处理；传感器数据包含电流、电压、温度、转速、角度、姿态等信息。所述传感器数据预处理单元的结构如图3所示，包括滤波电路，分别与滤波电路相连的取样电路、温敏电阻取样电路、陀螺仪、线性分压或放大电路，依次连接的脉冲整形鉴幅电路一、脉冲计数器一、脉冲镜像计数器和单位时间戳生成器，依次相连的角度编码器、脉冲整形鉴幅电路二、脉冲计数器二，以及乘法器；
39.取样电路采集电机电流数据，温敏电阻取样电路采集温度数据，陀螺仪采集电机姿态数据，将电压、电流、温度和姿态均输入滤波电路滤波后得到电压模拟量、电流模拟量、温度模拟量和姿态模拟量，将四个模拟量输入线性分压或放大电路，线性分压或放大电路结合寄存器单元输出的模拟量归一化系数，通过线性分压或者放大电路实现归一化处理；
40.将电机的转速数据输入脉冲整形鉴幅电路一进行脉冲整形和脉冲鉴幅，然后输入脉冲计数器一，脉冲计数器一输出距离数字量信号，分别输入脉冲镜像计数器和乘法器；脉冲镜像计数器用于进行速度测算，在设定的单位时间计时到期后，会自动清零脉冲镜像计数器，脉冲计数器每计一次数，脉冲镜像计数器也会对应计数一次；单位时间生成器按照设置的时间，周期性发出清零脉冲给脉冲镜像计数器，用于周期性清零操作；脉冲镜像计数器输出的转数数字量输入乘法器中；
41.通过角度编码器采集电机角度数据，并以此输入脉冲整形鉴幅电路二和脉冲计数器二中，得到角度数字量，将角度数字量输入乘法器；
42.乘法器接收寄存器单元输出的数字量归一化系数，通过硬件浮点乘法器计算后得到归一化数字量。
43.不同的物理量通过取样电路、专用集成电路芯片或者设计专门的脉冲计数器实现转换，转换后形成电流、电压和脉冲信号，经过阻容滤波电路滤除毛刺和噪声干扰。对于连续的物理量采集信号，一般通过线性分压或者放大电路实现归一化处理；对于脉冲式的物理量采集信号，采用斯密特触发器进行脉冲整形和脉冲鉴幅。通过脉冲计数器的方式实现采集信号的数字化，数字化变量通过硬件浮点乘法器计算后得到归一化过后的数字量。线性分压或者放大电路和硬件浮点乘法器的归一化系数通过寄存器单元获取，在系统初始化阶段，由用户设置各个物理量的归一化系数寄存器。脉冲计数器用于计算脉冲个数，根据输入脉冲情况，自动进行脉冲递增和脉冲递减，计数器宽度为有符号32bit，计数溢出后自动
归零。脉冲计镜像计数器用于速度测算，在设定的单位时间计时到期后，会自动清零脉冲镜像计数器，脉冲计数器每计一次数，脉冲镜像计数器也会对应计数一次，和脉冲计数器相比，脉冲计数器不会周期性清零。单位时间生成器会按照设置的时间，周期性发出清零脉冲给脉冲镜像计数器，用于周期性清零操作，和归一化系数一样，在初始化阶段由用户配置寄存器设置单位时间，单位时间生成器从寄存器获取设置的时间。
44.归一化处理后的信号包括归一化数字量和归一化模拟量，分别输入数字量处理流和模拟量处理流进行后续处理；
45.数字量处理流接收寄存器单元输出的数字量阈值和配置信号，并对输入信号进行处理后输出四路信号：(1)归一化数字量，输入算法电路；(2)控制量信号，输入电机控制器；(3)硬件中断信号，输入用户应用接口，(4)状态信号，输入寄存器单元；
46.模拟量处理流接收寄存器单元输出的模拟量阈值和配置信号，并对输入信号进行处理后输出四路信号：(1)归一化模拟量，通过ad转换单元转换为归一化数字量后输入算法电路；(2)控制量信号，输入电机控制器；(3)硬件中断信号，输入用户应用接口；(4)状态信号，输入寄存器单元；
47.所述数字量处理流和模拟量处理流实现不同类型的传感器信号和设定阈值的比较计算，并输出高优先级的控制量和硬件中断信号；模拟量处理流不对传感器转换的电信号做模数转化和数字化处理，直接处理模拟信号，处理方式为模拟量比较，模拟量比较由模拟量比较器实现，数字量比较由数字量比较器实现；
48.通过设置寄存器来设定比较阈值；
49.将设定的比较阈值送到da转换单元进行转换后输出一个比较模拟量阈值，该模拟量阈值命名为b，将归一化模拟量命名为a，将a和b输入模拟量比较器，比较器比较后输出比较结果，比较结果为数字量0/1电平，如果a大于或等于b则输出1，如果a小于b则输出0；
50.设定的比较阈值和归一化数字量输入数字量分别命名为b和a，分别输入数字量比较器，比较结果为数字量0/1电平，若a大于或等于b则输出1，否则输出0；
51.比较结果用于产生状态信号和控制量信号；比较器的输出信号输入反相器中，产生硬件中断信号。
52.用户可通过寄存器配置硬件中断方式，中断方式有两种：大于设定值产生中断、小于设定值产生中断；不同的中断方式决定比较结果和中断信号之间是否增加反相器，即是否使能反相器的旁路模式，具体中断方式和反相器的使能和关闭视具体设计而定。数字量处理流和模拟量处理流内部构造如图4所示，若输入的归一化信号为模拟量信号则输入ad转换单元转换后输入算法电路，若输入的归一化信号为数字量信号则直接输入算法电路。反相器的配置信号(旁路模式使能信号)由寄存器单元输出。
53.中断方式举例：如果设置为大于设定值产生中断，输入电信号模拟量大于设定的模拟量，则产生硬件中断，通知用户的硬件中断函数做相应处理；如果输入电信号模拟量小于设定的模拟量，则不产生硬件中断。
54.特别地，对于一些重要的物理量，比如：电流，电压，这些物理量直接作用到电机，如果电流电压过大，超过额定功率会直接烧毁硬件，所以对于这些需要特殊处理的物理量，建议走模拟量处理流分支，如果走数字量处理流分支将出现以下情况：模拟量转换成数字量，本身模数转换需要一定时间，转换完成后，通过硬件中断通知处理器中断程序，由软件
判断该值大小，根据该值大小决定调用哪些处理分支，时间开销很大。如果采用模拟量处理流，不经过模数转换，不经过处理器程序软件比较，直接由硬件比较器完成对比，并直接产生高优先级的硬件控制信号或者处理器的硬件中断，极大的缩短处理和响应时间，该响应时间完全由硬件电路决定，时间开销可达纳秒级，这种情况下如果电机出现过流和过压等故障情况，能有效保护硬件电路和电机设备，实现感知、计算处理、控制输出本地化的目的。对于脉冲式的传感器信号，因信号本身具备数字量特性，这种信号必须走数字量处理流分支，模拟量处理流分支不能处理这些信号，数字量处理流和模拟量处理流内部构造除了比较器不一样，其他均一致，模拟量处理流的比较器采用用模拟信号比较器，数字量处理流的比较器采用32bit宽度的数字比较器。
55.算法电路接收寄存器单元输出的算法配置和算法参数，对接收到的信号进行处理后输出两路信号：(1)控制量信号，输入电机控制器；(2)状态信号，输入寄存器单元；同时，算法电路还能采集电机控制器上传的转子状态数据。
56.上述算法电路包括pid算法模块和转子停转检测模块，pid算法模块根据输入的归一化数字量、寄存器单元输出的单元配置和闭环控制目标计算出控制量，单元配置包含pid系数和停转超时时间；转子停转检测模块根据转子实时信息和单元配置判断转子是否处于正常状态：如果在设置的超时时间之外，转子仍处于停止状态，则输出停转故障的状态信号，否则转子处于正常状态，输出正常运行的状态信号，算法电路的内部结构如图5所示
57.电机控制器用于电机控制，适配电机的控制信号和状态信号接口，电机控制器采用现有成熟技术，采用svpwm，驱动，clarke-park变换等，完成电机驱动和转子状态反馈。
58.通过应用本发明，系统完成图1所示的感算一体电机驱动控制系统；因为感算一体单元除了传感器部分需要外接辅助电路，其他单元模块均不需要外接辅助电路，均可以实现芯片集成或者系统级封装，有利于功耗控制和降低设计门槛；并且有利于小型化、微型化应用；采用单芯片和系统级封装后，将原有的分立离散元器件电路替代后，有利于硬件成本的降低；该方法所有的状态获取和控制均通过寄存器映射，高优先级信号或者异步信号通过中断通知具体应用设计的控制器，将电机控驱动控制部分的离散信号和状态信号都通过寄存器和中断方式管理，简化了控制系统的复杂度和设计的复杂度；采用感算一体单元，简化了闭环控制链路环节，从而降低了硬件信号的失真，进而提高控制精度；感算一体单元的计算电路由硬件实现，提高了系统响应性能；用户进行设计和使用时，只需关心参数输入和中断处理即可，数字量和模拟量处理流、算法电路集成了驱动控制信号的闭环处理流程，所以该方法降低了设计的复杂度；数字量和模拟量处理流集成了阈值比较电路，并能输出高优先级控制信号，高优先级控制信号可以直接应用于电机控制器的关机信号，所以能在极短时间内发出关机信号，并且这些阈值比较结果保存在寄存器，可供具体应用设计的控制器查询，所以该系统具备电机故障诊断和保护功能。
59.本发明是一种基于感知和计算于一体的电机、舵机驱动控制方法。因电机状态信息的获取、信号传输、信号的处理计算、电机驱动控制量的输出等功能模块都集成到一个单元模块，所以该方法存在诸多优势：
60.感算一体设计有利于系统和模块的小型化应用；
61.感算一体设计有利于硬件成本的降低；
62.感算一体设计可应用于单芯片集成和系统级封装，单芯片集成或者系统级封装有
利于功耗控制和设计简化；
63.该设计能简化电机控制系统的闭环控制链路环节，能提高控制精度；
64.该设计算法部分采用硬件专用计算电路，能提高系统响应性能；
65.该设计的计算电路支持参数输入和可选的中断方式，集成了驱动控制信号的闭环处理流程，简化设计复杂度；
66.该设计具备电机故障诊断和保护功能。
67.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。