EtherCAT與電機(jī)控制之間的同步處理

上篇提到利用EtherCAT產(chǎn)生的sync信號(hào)，同步所有從站節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，完成在同一時(shí)刻的電機(jī)指令更新。那么，今天跟大家介紹的是如何利用sync信號(hào)去同步電機(jī)控制系統(tǒng)。

該參考設(shè)計(jì)為單芯片雙電機(jī)控制，因此首先需要向大家介紹的是如何將兩個(gè)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步，電機(jī)如何與采樣進(jìn)行同步。

上圖為兩個(gè)電機(jī)的PWM計(jì)數(shù)器與采樣觸發(fā)示意圖。

PWM-1&2 Counter分別對(duì)應(yīng)電機(jī)1和電機(jī)2的PWM計(jì)數(shù)器。i.MX RT1180每個(gè)PWM可以輸出多路Trigger，用于同步其他模塊，這里我們利用PWM-1周期的中間時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)Trigger，通過XBAR連接至PWM-2計(jì)數(shù)器的外部同步信號(hào)，同步PWM-1和PWM-2計(jì)數(shù)器。

當(dāng)圖中的紅色Trigger產(chǎn)生后，PWM-2計(jì)數(shù)器即被初始化，如此便可以完成兩個(gè)電機(jī)之間的計(jì)數(shù)器同步。之所以兩個(gè)PWM計(jì)數(shù)器錯(cuò)相位180度，1.能夠在時(shí)間上平攤CPU負(fù)載；2.對(duì)應(yīng)有效電壓矢量也會(huì)錯(cuò)相，瞬時(shí)電壓負(fù)載不會(huì)過大；3.該應(yīng)用單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的兩個(gè)電機(jī)并不是相同的用途，其中一個(gè)電機(jī)用于齒輪對(duì)接，另一個(gè)用于控制滑臺(tái)絲桿，因此兩個(gè)PWM不必同步，只需要所有從站同一功能的PWM計(jì)數(shù)器同步。

電機(jī)控制中，電流的采樣同樣需要和PWM同步。該參考設(shè)計(jì)中，利用的是基于sigma-delta ADC的相電阻采樣，為了保證能夠采樣得到對(duì)應(yīng)的相電流基波，需要在電壓矢量0或者電壓矢量1的中心時(shí)刻進(jìn)行采樣。以電機(jī)1為例，PWM-1在電壓矢量0中心時(shí)刻的前OSR*ORD/Fsinc時(shí)刻產(chǎn)生PWM Trigger，觸發(fā)sinc filter進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中OSR為sinc filter抽樣率，ORD為sinc filter階數(shù)，F(xiàn)sinc為sinc filter調(diào)制時(shí)鐘。整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為：2*OSR*ORD/Fsinc，采樣得到的電流即為0電壓矢量中心時(shí)刻的電流。

可以看到兩者的同步，都是利用了PWM的Trigger功能，在設(shè)定時(shí)刻產(chǎn)生，并通過XBAR路由到其他外設(shè)，這里是PWM和sinc filter外設(shè)，進(jìn)行相關(guān)事件的觸發(fā)，整個(gè)同步流程操作十分簡(jiǎn)單，利于用戶開發(fā)。

最后，便是如何將EtherCAT的sync信號(hào)去同步整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)，由上文可知，兩個(gè)電機(jī)與對(duì)應(yīng)的采樣都已經(jīng)完成了同步，那么我們只需要將EtherCAT產(chǎn)生的sync信號(hào)與電機(jī)1的PWM計(jì)數(shù)器同步即可。

如上圖所示為PWM模塊的同步邏輯框圖，可以看到該計(jì)數(shù)器有兩個(gè)同步初始化源，在圖中已經(jīng)標(biāo)識(shí)。常規(guī)使用中，一般只需要第二個(gè)初始化信號(hào)對(duì)PWM計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，以確保PWM輸出的周期。除了PWM自身的載波周期外，我們還需要利用EtherCAT的sync信號(hào)去對(duì)PWM計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步初始化，這里我們只需要通過XBAR將sync信號(hào)路由至FORCE_OUT信號(hào)，去作為PWM計(jì)數(shù)器的第二初始化源。如此即可完成EtherCAT系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)之間的同步。

如圖給出了PWM-1的初始化示意圖，首先是初始化信號(hào)2為local初始化信號(hào)，該信號(hào)確定了PWM的周期，當(dāng)計(jì)數(shù)到固定值時(shí)便會(huì)初始化PWM計(jì)數(shù)器。初始化信號(hào)2即為EtherCAT的sync信號(hào)，該信號(hào)并不會(huì)每個(gè)PWM周期都產(chǎn)生，該參考設(shè)計(jì)EtherCAT同步頻率為4kHz，PWM頻率為16kHz，因此，每4個(gè)PWM周期產(chǎn)生一個(gè)sync信號(hào)，當(dāng)sync信號(hào)到來時(shí)，PWM波同樣會(huì)被初始化。

圖中為了突出同步的效果，刻意將sync信號(hào)與local sync信號(hào)區(qū)別開來，實(shí)際應(yīng)用中，在經(jīng)過第一次sync初始化后，后續(xù)的兩個(gè)同步信號(hào)基本處于完全同步的狀態(tài)，不會(huì)導(dǎo)致PWM波的突變。

在完成了EtherCAT與電機(jī)控制同步的基礎(chǔ)上，下期將會(huì)給大家介紹如何設(shè)計(jì)一個(gè)高動(dòng)態(tài)性能的電機(jī)控制系統(tǒng)。下周見！