一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器及方法

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器及方法。

背景技术

电动舵机是船舶操纵控制系统的重要设备，用于接收控制台发送的操舵指令，驱动舵叶转动，完成船舶转向控制，而伺服控制器是电动舵机核心控制单元，通过对电机泵组转速的闭环控制，进而实现液压流体流量控制，最终实现操舵装置位置闭环伺服控制。

近年来，电力电子技术、微电子技术快速发展，以DSP、ARM为代表的微控制器成为电动舵机伺服控制器主流计算平台。随着技术的进步，对高性能伺服控制需求也在不断提高，表现为多冗余通讯接口(多CAN，以太网等)、多传感器信号同步采集与处理(位置、速度、电流、电压、温度等)以及快速伺服响应(响应时间要在200毫秒以内)。

但是，以单片控制器为核心的控制系统无法同时高效完成数据通信、信号采集处理、及控制算法解算等功能；而相继出现的DSP+FPGA、ARM+FPGA、双DSP、ARM+DSP等双核控制架构，虽然在一定程度上提高了伺服系统性能，但其本质上仍属于串行处理与控制机制，无法从根本上解决系统时延对伺服控制性能的影响。

因此，如何提供一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器及方法已解决背景技术中提到的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器，包括：通讯模块、传感器模块、事件管理与逻辑判断模块以及控制模块；

所述通讯模块与所述事件管理与判断模块相连，所述传感器模块分别与所述通讯模块、所述事件管理与逻辑判断模块以及所述控制模块相连，所述事件管理与逻辑判断模块与所述控制模块相连；

所述通讯模块，用于与外部设备进行信息通讯，将所述传感器模块采集的传感器数据信息向外部设备传输，接收外部设备的控制信息并发送至所述事件管理与逻辑判断模块，将所述事件管理与逻辑判断模块的所述伺服控制器运行状态向外部设备传输；

所述传感器模块，用于获取传感器数据信息并传输至所述通讯模块、所述事件管理与逻辑判断模块以及所述控制模块；

所述事件管理与逻辑判断模块，用于根据所述通讯模块的控制信息和所述传感器数据信息进行伺服控制器运行状态的判断，将所述伺服控制器运行状态反馈至所述通讯模块，并发送位置指令至所述控制模块；

所述控制模块，用于接收所述位置指令和所述传感器数据信息进行控制算法解算，输出驱动控制信号。

优选的，所述的一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器，还包括时钟模块，所述通讯模块、所述传感器模块、所述事件管理与逻辑判断模块以及所述控制模块均与所述时钟模块相连，用于保证各个模块在同一个时钟域下同步并行工作。

优选的，所述通讯模块、所述传感器模块、所述事件管理与逻辑判断模块、所述控制模块以及所述时钟模块均设置于现场可编程门阵列FPGA上。

优选的，所述通讯模块包括CAN通讯单元和/或以太网通讯单元；

所述CAN通讯单元和所述以太网通讯单元互为冗余，用于接收外部设备的控制信息并发送至所述事件管理与逻辑判断模块，向外发送所述传感器模块采集的传感器数据信息以及所述伺服控制器运行状态。

优选的，所述传感器数据信息包括电机两相电流、电压、温度、油压、电机角度、电机转速和舵机执行机构的位置。

优选的，所述传感器模块包括ADC模数转换接口模块、RDC轴角转换接口模块和UART通用串行接口模块；

所述ADC模数转换接口模块、所述RDC轴角转换接口模块和所述UART通用串行接口模块均分别与所述事件管理与逻辑判断模块和所述控制模块相连；

所述ADC模数转换接口模块，用于所述电机两相电流、所述电压、所述温度以及所述油压数据的采集和滤波；

所述RDC轴角转换模块，用于旋转变压器信号采集与转换，获得所述电机角度和所述电机转速；

所述UART通用串行接口模块，用于采集舵机执行机构位置传感器的所述舵机执行机构的位置。

优选的，伺服控制器运行状态包括空闲、启动、运行、停止、等待和错误。

优选的，所述控制模块包括位置控制器、电机转速控制器、电机电流控制器、Clark变换单元、Park变换单元、反Park变换单元和SVPWM单元；

所述位置控制器的输入分别与所述事件管理与逻辑判断模块的输出以及所述传感器模块的输出相连；

所述电机转速控制器的输入分别与所述位置控制器的输入和所述传感器模块的输出相连；

所述Clark变换单元的输入与所述传感器模块的输出相连；

所述Park变换单元的输入与所述Clark变换单元的输出相连；

所述电流控制器的输入分别与所述Park变换单元的输出和所述电机转速控制器的输出相连；

所述电流控制器的输出与所述反Park变换单元的输入相连；

所述反Park变换单元的输出与所述SVPWM单元的输入相连。

优选的，所述位置控制器，用于接收所述事件管理与逻辑判断模块发送的位置指令和所述舵机执行机构的位置，输出位置偏差；

所述电机转速控制器，用于接收所述位置偏差和所述电机转速，输出转速偏差；

所述Clark变换单元，用于接收所述电机两相电流并向相互垂直的静止坐标系变换，输出静止正交垂直坐标系下电流I

所述Park变换单元，用于接收所述I

所述电流控制器，用于接收所述I

所述反Park变换单元，用于接收所述直轴控制电压U

所述SVPWM单元，用于根据所述U

一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制方法，其特征在于，包括：

获取传感器数据信息并传输；

与外部设备进行信息通讯，将所述传感器数据信息向外部设备传输，接收外部设备的控制信息并发送；

根据所述控制信息和所述传感器数据信息进行伺服控制器运行状态的判断，将所述伺服控制器运行状态反馈，并发送位置指令；

接收所述位置指令和所述传感器数据信息进行控制算法解算，输出驱动控制信号。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器及方法，伺服控制器采用并行计算处理架构，布置在其上的多冗余通讯模块、传感器模块、事件管理与逻辑判断模块以及控制模块同步并行工作，通讯模块实现与外部设备信息通讯，事件管理与逻辑判断模块实现通讯协议解析、伺服控制器内部状态机控制，传感器模块完成传感器数据采集与转换，控制模块接收事件管理与逻辑判断模块发送的指令位移作为伺服控制给定，接收传感器模块发送的位置信号、转速信号以及电流信号作为伺服控制反馈，实现电动舵机位置、泵转速以及电机电流三闭环控制、输出PWM驱动信号，有效降低系统时延，提高数据处理与伺服带宽，进而提高船用电动舵机伺服控制器性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的伺服控制器总体结构示意图；

图2附图为本发明提供的CAN通讯单元示意；

图3附图为本发明提供的以太网通讯单元示意图；

图4附图为本发明提供的ADC模数转换接口模块示意图；

图5附图为本发明提供的RDC轴角转换接口模块示意图；

图6附图为本发明提供的事件管理与逻辑判断模块进行伺服控制器运行状态判断的示意图；

图7附图为本发明提供的控制模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器，如图1，包括：通讯模块、传感器模块、事件管理与逻辑判断模块以及控制模块；

通讯模块与事件管理与判断模块相连，传感器模块分别与事件管理与、通讯模块、逻辑判断模块以及控制模块相连，事件管理与逻辑判断模块与控制模块相连；

通讯模块，用于与外部设备进行信息通讯，将传感器模块采集的传感器数据信息向外部设备传输，接收外部设备的控制信息并发送至事件管理与逻辑判断模块，将事件管理与逻辑判断模块的伺服控制器运行状态向外部设备传输；

传感器模块，用于传感器数据信息并传输至通讯模块、事件管理与逻辑判断模块以及控制模块；

事件管理与逻辑判断模块，用于根据通讯模块的控制信息和传感器数据信息进行伺服控制器运行状态的判断，将伺服控制器运行状态反馈至通讯模块，并发送位置指令至控制模块；

控制模块，用于接收位置指令和传感器数据信息进行控制算法解算，输出驱动控制信号。

为了进一步实施上述技术方案，一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器，还包括时钟模块，通讯模块、传感器模块、事件管理与逻辑判断模块以及控制模块均与时钟模块相连，用于保证各个模块在同一个时钟域下同步并行工作。

为了进一步实施上述技术方案，通讯模块、传感器模块、事件管理与逻辑判断模块、控制模块以及时钟模块均设置于现场可编程门阵列FPGA上。

为了进一步实施上述技术方案，通讯模块包括CAN通讯单元和/或以太网通讯单元；

CAN通讯单元和以太网通讯单元互为冗余，用于接收外部设备的控制信息并发送至事件管理与逻辑判断模块，向外发送传感器模块采集的传感器数据信息以及伺服控制器运行状态。

在本实施例中，CAN通讯单元包括外部独立CAN控制器芯片和基于FPGA的CAN控制器接口IP核，CAN控制器芯片与IP核之间通讯接口信号如图2(a)所示，包括复用的地址/数据信号线AD[7:0]、地址锁存信号线ALE、片选信号线CS、读信号线RD、写信号线WR、复位信号线RST以及中断信号线INT。

CAN通讯单元的内部运行状态机如图2(b)所示，包括CAN控制器初始化、读CAN控制器数据和写CAN控制器数据；具体的：S1.系统上电或者重启；S2.自动进入CAN控制器初始化状态，在该状态下分别进行时钟分频设置、总线定时器设置、通讯波特率设置等操作；S3.完成初始化后，进入数据发送模式，实时检测数据发送指令；S4.当检测到数据发送指令后，进入写CAN控制器数据模式，将待发送的数据写入到CAN控制器发送缓冲器；S5.然后将发送请求位置位；S7.等待发送完成；当发送完成后返回到S3数据发送检测状态；

未检测到数据发送指令，进入到S7数据接收中断查询状态，若未发生数据接收中断，则再返回S3数据发送检测状态；当检测到数据接收中断，进入到数据接收模式，在数据接收模式下，先后完成S8读取信息码，S9读接收缓冲器以及S10释放接收缓冲器；当释放接收缓冲器完成后，返回到S3数据发送检测状态。

在本实施例中，以太网通讯单元包括外部独立PHY芯片和基于FPGA的MAC协议IP核，PHY芯片与基于FPGA的MAC协议IP核之间通讯接口信号如图3所示，包括发送数据接口、接收数据接口、状态指示接口以及数据管理接口；发送数据接口包括发送时钟TXC、发送使能TXEN、发送数据TXD[3:0]以及发送错误标志TXER；接收数据接口包括接收数据时钟RXC、接收数据有效RXDV、接收数据RXD[3:0]以及接收错误标志RXER；状态指示接口包括载波侦听CRS和冲突COL；管理数据接口包括管理数据时钟MDC以及管理数据输入输出MDIO；MAC IP核采用FPGA自带的三速以太网MAC IP。

为了进一步实施上述技术方案，传感器数据信息包括电机两相电流、电压、温度、油压、电机角度、电机转速和舵机执行机构的位置。

为了进一步实施上述技术方案，传感器模块包括ADC模数转换接口模块、RDC轴角转换接口模块和UART通用串行接口模块；

ADC模数转换接口模块、RDC轴角转换接口模块和UART通用串行接口模块均分别与事件管理与逻辑判断模块和控制模块相连；

ADC模数转换接口模块，用于电机两相电流、电压、温度以及油压数据的采集和滤波；

RDC轴角转换模块，用于旋转变压器信号采集与转换，获得电机角度和电机转速；

UART通用串行接口模块，用于采集舵机执行机构位置传感器的舵机执行机构的位置。

在本实施例中，ADC模数转换接口模块包括8路同步采样ADC芯片、基于FPGA的ADC接口IP核和FIR滤波器，如图4所示，ADC芯片采集8路传感器数据，包括两路电机两相电流信号、母线电压信号、IGBT温度信号、电机温度信号、油温信号以及两路油压信号；ADC芯片与ADC接口IP核之间信号连接包括8路串行数据信号线DOUT1-DOUT8、时钟信号线SCLK以及同步信号线SYNC，ADC接口IP输出数据D1-D8，并通过FPGA自带的FIR滤波器IP核进行低通滤波处理。

RDC轴角转换模块包括基于FPGA的RDC接口IP核和RDC读写旋转变压器解码芯片，实现电机角度和速度信号采集，如图5所示，RDC接口IP核与RDC芯片之间采用并口数据通讯，信号线包括并口数据线DB[15:0]、模式设置信号线A0/A1、采样接口更新信号线SAMPLE、片选信号线CS、读使能信号线RD、写使能信号线WR以及复位信号线RST。

UART通用串行接口模块采用UART通用串行接口IP核接收磁致伸缩传感器输出的串口数据，实现舵机执行机构位置信息采集，串口信号在进入IP核之前通过RS485芯片进行电平转换。

为了进一步实施上述技术方案，如图6，伺服控制器运行状态包括空闲、启动、运行、停止、等待和错误。

在本实施例中，伺服控制器运行状态的判断具体内容为：

空闲：系统上电或者复位后默认设置为空闲状态；

启动：CAN通讯单元解析到启动控制指令(条件1)，从空闲状态切换到启动状态，在该状态下，分别完成电流传感器标定、控制器参数装载(控制器参考量、积分量清零)、PWM控制信号使能等配置；

运行：在完成启动状态下的所有配置后，自动切换到运行状态，在该状态下，发送位置指令至控制模块，基于通讯数据解析输出的位置指令，以及传感器数据解析数据的位置反馈、转速反馈、电流反馈，运行“位置—转速—电流”三闭环控制器，输出PWM控制信号；

停止：CAN通讯数据解析到停止控制指令(条件2)，从运行状态切换到停止状态，在该状态下，关闭控制模块的三闭环控制器，并禁止PWM控制信号；

等待：在完成停止状态下的所有配置后，自动切换到等待状态，在该状态下，检测电机转速传感器数据，若其不为0，则保持该状态；若转速为0(条件3)，则切换到空闲状态；

错误:在上述所有状态下，当传感器数据解析到如下情况：母线电压超上限阈值(条件4)、母线电压低于下限阈值(条件5)、交轴电流超上限阈值(条件6)、电机温度超上限阈值(条件7)、IGBT温度超上限阈值(条件8)、油温超上限阈值(条件9)、电机加速度超上限阈值(条件10)，则切换到错误状态，在该状态下，关闭三闭环控制器，并禁止PWM控制信号输出；实时检测超阈值的传感器数据，当其恢复到正常范围之内(条件11)，则切换到空闲状态，否则一直处于该状态。

为了进一步实施上述技术方案，如图7，控制模块包括位置控制器、电机转速控制器、电机电流控制器、Clark变换单元、Park变换单元、反Park变换单元和SVPWM单元；

位置控制器的输入分别与事件管理与逻辑判断模块的输出以及传感器模块的输出相连；

电机转速控制器的输入分别与位置控制器的输入和传感器模块的输出相连；

Clark变换单元的输入与传感器模块的输出相连；

Park变换单元的输入与Clark变换单元的输出相连；

电流控制器的输入分别与Park变换单元的输出和电机转速控制器的输出相连；

电流控制器的输出与反Park变换单元的输入相连；

反Park变换单元的输出与SVPWM单元的输入相连。

为了进一步实施上述技术方案，位置控制器，用于接收事件管理与逻辑判断模块发送的位置指令和舵机执行机构的位置，输出位置偏差；

电机转速控制器，用于接收位置偏差和电机转速，输出转速偏差；

Clark变换单元，用于接收电机两相电流并向相互垂直的静止坐标系变换，输出静止正交垂直坐标系下电流I

位置控制器、电机转速控制器和Clark变换单元均采用PI控制器，采用FPGA自带的IP核DSP48进行计算；

Park变换单元，用于接收I

电流控制器，用于接收I

电流控制器包括直轴电流控制器和交轴电流控制器两个闭环回路，其中直轴电流控制器的参考给定为0，其反馈为电流Park变换模块输出I

反Park变换单元，用于接收直轴控制电压U

SVPWM单元，用于根据U

一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制方法，其特征在于，包括：

获取传感器数据信息并传输；

与外部设备进行信息通讯，将传感器数据信息向外部设备传输，接收外部设备的控制信息并发送；

根据控制信息和传感器数据信息进行伺服控制器运行状态的判断，将伺服控制器运行状态反馈，并发送位置指令；

接收位置指令和传感器数据信息进行控制算法解算，输出驱动控制信号。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。