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

本发明专利技术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及方法，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，传感器模块分别与通讯模块、事件管理与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；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输出驱动控制信号；本发明专利技术采用并行计算处理架构，有效降低系统时延，提高数据处理与伺服带宽。与伺服带宽。与伺服带宽。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及伺服控制
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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)。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术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
技术介绍
中提到的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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；
[0026]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；
[0027]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；
[0028]所述Clark变换单元的输入与所述传感器模块的输出相连；
[0029]所述Park变换单元的输入与所述Clark变换单元的输出相连；
[0030]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；
[0031]所述电流控制器的输出与所述反Park变换单元的输入相连；
[0032]所述反Park变换单元的输出与所述SVPWM单元的输入相连。
[0033]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；
[0034]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；
[0035]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
α
和I
β
；
[0036]所述Park变换单元，用于接收所述I
α
和I
β
以及所述电机角度，并进行旋转坐标系转变，输出旋转坐标下电流矢量I
d
和I
q
，其中I
d
为直轴电流，I
q
为交轴电流；
[0037]所述电流控制器，用于接收所述I
d
和I
q
以及所述转速偏差，输出直轴控制电压U
d
和交轴控制电压U
q
；
[0038]所述反Park变换单元，用于接收所述直轴控制电压U
d
和所述交轴控制电压U
q
以及所述电机角度，并进行旋转坐标系向两相静止坐标系变换，输出静止正交垂直坐标系下电压U
α
和U
β
；
[0039]所述SVPWM单元，用于根据所述U
α
和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于并行计算架构的船用电动舵机伺服控制器，其特征在于，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。2.根据权利要求1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，其特征在于，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。3.根据权利要求2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，其特征在于，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。4.根据权利要求1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，其特征在于，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。5.根据权利要求1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，其特征在于，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。6.根据权利要求5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，其特征在于，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。7.根据权利要求1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，其特征在于，伺服控制器运行状态包括空闲、启动、运行、停止、等待和错误。8.根据权利要求5所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩瑞雪，李彬，谢华伟，彭官玉，万国龙，王朝阳，涂超凡，张金喜，陈道俊，李义慎，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所九江分部，
类型：发明
国别省市：