CN101089763B - 基于现场总线的微型伺服电机控制系统以及方法 - Google Patents

基于现场总线的微型伺服电机控制系统以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微型伺服电机控制系统以及方法，尤其涉及一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统以及方法。本发明提供一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统，其包括：至少一组伺服电机；至少一组控制器；以及至少一个上位机。本发明还提供一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统的控制方法，包括：上位机将控制信号通过现场总线传送给各个控制器；各个控制器经过一系列操作向其对应伺服电机发出相应宽度的控制脉冲。本发明的优点在于：系统的复杂程度下降；系统控制便捷以及系统抗干扰能力加强。

Description

基于现场总线的微型伺服电机控制系统以及方法
技术领域
本发明涉及一种微型伺服电机控制系统以及方法，尤其涉及一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统以及方法。
背景技术
微型伺服电机是一个典型的位置闭环反馈系统，请参见图1，图1为传统伺服电机的原理图。其一般包括以下几部分：一个小型直流电机11；一组变速齿轮12；一个可调电位器13以及一块控制电路板14，上述元件依次形成回路。伺服电机的基本原理是直流电机11提供原始驱动力，通过变速齿轮12进行减速，同时提高直流电机11输出转矩，可调电位器13用于反馈伺服电机当前位置信号，控制电路板14根据控制信号及可调电位器13提供的反馈信号控制伺服电机的转向旋转角度并使其最终旋转到指定位置。
微型伺服电机主要用于模型机器人、昆虫机器人、航模或其它控制系统等动力来源，由于一般模型上要同时使用多个微型伺服电机，每个伺服电机必须使用三根线缆，即电源、地及控制信号线，因此采用这种结构不但系统线缆布线复杂，控制电路也较复杂。比如一个采用微型伺服电机搭建一个8自由度机器人模型，需要至少8个微型伺服电机，伺服电机电缆线就需要24根，此外上位机控制端口也必须至少8个，模型复杂程度大大增加。请参见图2，图2是采用传统微型伺服电机控制方式的系统框架图。如图所示，3个微型伺服电机21-23需要9根电缆24，上位机20需要至少3个控制端口。显然，系统线缆较多，控制器控制端口多，随着伺服电机增多，系统将更加复杂。
此外，传统伺服电机控制信号采用周期性脉冲信号(如图3所示)，根据脉冲宽度不同控制伺服电机的转向和旋转角度。由于采用这种控制方式的控制信号为模拟信号，信号容易受到外界或伺服电机相互之间控制信号的干扰，系统稳定性得不到保证。
发明内容
本发明的目的在于解决传统伺服电机与上位机之间控制端口多、系统复杂以及信号不稳定的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统，其包括：
至少一组伺服电机；
至少一组控制器，所述每个控制器一端连接现场总线，另一端连接其对应的伺服电机，一个控制器控制一个伺服电机，其用于对来自现场总线的控制信号进行处理，进而将适用于对应的伺服电机的控制信号传送到对应的伺服电机中，所述控制器包括：
数据采集模块，其通过现场总线连接所述上位机，用于接收来自所述上位机的控制信号；
数据校验模块，其一端与所述数据采集模块相连，用于对数据采集模块所采集到的数据进行校验，判定数据有效性；地址选择器，用于设定所述伺服电机的地址；
数据判断模块，其一端连接所述数据校验模块，另一端连接所述地址选择器，用于判断来自现场总线的控制信号是否适用于所述控制器对应的伺服电机；以及
数模转换器，其一端连接所述数据判断模块，另一端连接所述伺服电机，用于将总线中的数字信号转换成模拟控制信号；以及
至少一个上位机，所述上位机一端通过现场总线连接一组所述控制器，所述一个上位机控制一组控制器，用于将控制信号传送到一组控制器中。
在上述微型伺服电机控制系统中，还包括总机，所述总机与所述上位机的另一端通过现场总线相连，用于将所述总机中的控制信号传送到各个上位机中，进而通过各个上位机将控制信号传送到各个伺服电机中。
在上述微型伺服电机控制系统中，所述控制器位于所述伺服电机中。
在上述微型伺服电机控制系统中，所述控制器还包括总线接口芯片，所述芯片连接在所述上位机和所述数据采集模块之间，用于将总线传送的数据转换成所述控制器可以识别的信号。
在上述微型伺服电机控制系统中，所述地址选择器可通过拨轮开关、跳线或短接帽进行设定。
本发明还提供一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统的控制方法，所述控制系统包括：至少一组伺服电机；至少一组控制器，所述每个控制器一端连接现场总线，另一端连接其对应的伺服电机，所述控制器包括：数据采集模块，其通过现场总线连接所述上位机；数据校验模块，其一端与所述数据采集模块相连；地址选择器；数据判断模块，其一端连接所述数据校验模块，另一端连接所述地址选择器；数模转换器，其一端连接所述数据判断模块，另一端连接所述伺服电机；以及至少一个上位机，所述上位机一端通过现场总线连接一组所述控制器，所述控制方法包括：
上位机将控制信号通过现场总线传送给各个控制器；
各个控制器读取地址选择器中的本地地址；
数据采集模块接收来自现场总线的控制信号；
各个控制器中的数据校核模块核对所接收的控制信号的有效性；
各个控制器中的数据判断模块对所述数据校验模块中输出的数据与地址选择器中的地址数据进行比较，以判断来自现场总线的控制信号是否适用于所述控制器对应的伺服电机；
如控制信号适用于所述控制器对应的伺服电机，则所述控制器中的模数转换模块将根据新命令处理得到的数据向伺服电机发出相应宽度的控制脉冲；
如控制信号不适用于所述控制器对应的伺服电机，则所述控制器中的模数转换模块将根据以前得到的数据向伺服电机发出相应宽度的控制脉冲。
在上述微型伺服电机控制方法中，在所述数据采集模块接收来自现场总线的控制信号前，先运用总线接口芯片将总线传送的数据转换成所述数控制器可以识别的信号，所述总线接口芯片位于所述上位机和所述数据采集模块之间。
在上述微型伺服电机控制方法中，上位机的控制信号来自与之用现场总线相连的总机。
本发明的优点在于：
1.因为伺服电机与上位机通过现场总线连接，因此上位机无论连接多少个伺服电机，只需1个控制端口和由3根电缆组成的控制总线即可；如此一来简化了微型伺服电机的控制及线缆布线，使得整个系统的复杂程度下降。
2.此外，本发明的结构还决定了当其数量增多时，可采用分级方式进行控制，使得系统大而不乱，这个优点随着系统中的伺服电机增多将更加明显。
3.因本发明采用的控制信号为数字信号，克服了模拟信号容易受外界影响从而造成系统稳定性差等一系列弱点，其抗干扰能力大大加强。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：
图1是传统伺服电机的原理图；
图2是采用传统微型伺服电机控制方式的系统框架图；
图3示出传统伺服电机的控制信号波形；
图4a是本发明提供的控制器的一个实施例的示意图；
图4b基于图4a的控制器的电路图；
图5a是本发明提供的控制器的另一个实施例的示意图；
图5b是基于图5a的控制器的电路图；
图6是控制器的一个实施例的程序流程图；
图7示出本发明的控制信号波形；
图8是基于现场总线的微型伺服电机控制系统的一个实施例的框架图；
图9是基于现场总线的微型伺服电机控制系统的另一个实施例的框架图。
具体实施方式
请参见图8，图8是基于现场总线的微型伺服电机控制系统的一个实施例的框架图。如图所示，本系统包括：一组伺服电机81-84；一组控制器91-94，每个控制器一端连接现场总线，另一端连接对应的伺服电机，一个控制器控制一个伺服电机，其用于对来自现场总线的控制信号进行处理，进而将适用于对应的伺服电机的控制信号传送到对应的伺服电机中；以及一个上位机100，上位机100一端通过现场总线连接一组控制器91-94中，其用于将控制信号传送到一组控制器91-94中。
应理解，本发明不局限于一组伺服电机，一组控制器以及一个上位机。请参见图9，图9是基于现场总线的微型伺服电机控制系统的另一个实施例的框架图。当伺服电机的数量增加时，可如图9所示采用分级控制系统，即总机200通过现场总线控制上位机201-203，而上位机201-203通过现场总线控制对应的伺服电机，使得伺服电机按照指令运行。同时，本发明中的一组伺服电机的个数也并不局限于4个。
接下来结合图4a和图4b描述一下控制器的结构。图4a是本发明提供的控制器的一个实施例的示意图；图4b基于图4a的控制器的电路图。因为各控制器结构一致，遂我们以一个控制器为例。如图所示，控制器4包括：数据采集模块44，其通过现场总线连接上位机60，用于接收来自所述上位机的控制信号；数据校验模块43，其一端与数据采集模块44相连，用于对数据采集模块所接收数据进行校验；地址选择器42，用于设定伺服电机70的地址；数据判断模块40，其一端连接数据校订模块43，另一端连接地址选择器42，用于判断来自现场总线的控制信号是否适用于控制器4对应的伺服电机70；数模转换器41，其一端连接数据判断模块43，另一端连接伺服电机70，用于将总线中的数字信号转换成模拟信号。
如图4b所示，在本实施例中，微处理器U1(AT89C2051)为数据采集模块44、数据校验模块43、数据判断模块40和数模转换器41的集合载体，其端口2为RXD，即连接现场总线的控制信号线(现场总线的其余两线分别为电源线VCC和地线GND)，接收来自上位机60的数字信息，然后对此命令和数据进行解析、判断等一系列处理，最终通过端口11将处理得到的模拟信息通过接口J1传给传统伺服电机70。本实施例提供的地址选择器42由通过四个拨轮开关S1(SWDIP-4)进行设定，其四个端口分别与微处理器U1的端口12、13、14和15相连，由此，本伺服电机70的地址可有16种选择。
应理解，上述实施例中的拨轮开关可由跳线或短接帽代替。此外，控制器4可位于伺服电机70内，与伺服电机70成为一体。
在分析本发明的工作原理之前，先描述一下总线上传出的控制信号，以便读者能更好地理解本发明。请参见图7，图7示出本发明的控制信号波形。如图所示，总线上传出的控制信号为数据帧，此帧包括数据头D0、有效控制数据D1、伺服电机地址D2、数据校验码D6以及数据结束标志D7等数字信号。其中，有效控制数据D1对应的波宽T对应伺服电机的脉冲宽度T(如图2所示)。
应理解，采用不同协议的总线传送出来的数据帧各部分(如D1)代表的含义及各部分的数目均不同，上述并不是对本发明的限制。
下面结合流程图6分析上述结构怎样实现控制功能。图6是控制器的一个实施例的程序流程图。当控制器4开启后，先读取地址选择器中的本地地址(步骤61)；接着数据采集模块44接收来自现场总线的控制信号，进行数据采集(步骤62)；然后各个控制器4中的数据校验模块43核对来自现场总线的控制信号，也就是数据帧的校验码D6，以确定所接收的控制信号的有效性(步骤63)；随后，各个控制器4中的数据判断模块40对数据校验模块43中输出的数据帧中包含的伺服电机地址D2与地址选择器42中的地址相比较，以判断来自现场总线的控制信号是否适用于控制器4对应的伺服电机70(步骤64)；如控制信号适用于控制器4对应的伺服电机70，数据判断模块40判断是否收到结束指令(步骤67)，如未收到，则控制器4中的模数转换模块40将根据新信号处理得到的数据向伺服电机70产生相应宽度(此宽度由数据帧中有效控制数据D1决定)的控制脉冲(步骤65)，随后向伺服电机70发出控制信号(步骤66)；如收到结束指令(步骤67)，则控制器4停止工作；如控制信号不适用于控制器4对应的伺服电机70，则控制器4中的模数转换模块41将根据以前得到的数据向伺服电机70发出相应宽度的控制脉冲(步骤66)；然后返回步骤62进入新一轮循环。
应理解，上述程序采用查询方式进行数据采集，但本发明并不限于此种方式，本发明还可采用例如中断方式对数据进行采集。
由于控制信号来自于现场总线，而不同总线所采用的硬件或软件接口是不同的，因此有些总线传出的数据无法被控制器辨认，此时需要相应的总线接口芯片对数据进行转换。由此，本发明对于控制器提供了另一种实施例。请参见图5a和图5b，图5a是本发明提供的控制器的另一个实施例的示意图；图5b是基于图5a的控制器的电路图。
比较图4a与图5a，我们可以得出，本实施例与上个实施例的区别仅在于在上位机60与数据采集模块54间增加了接口芯片56。现参见图5b，图5b中表现的实施例适用于RS-485总线，其接口芯片56为RS-485接口芯片U2(ISL81487LIB)。其端口6和7分别连接现场总线的控制信号线A和B(信号线A和B一起构成控制总线)，当其接收到来自总线的信号后，将信号转换成控制器4可以识别的信号，然后再通过端口1将信号传给微处理器U1。
上述实施例仅为了方便说明而举例而已，并不是对本发明的范围的限制。对于本技术领域的一般人员来说，可以在不脱离本发明的精神的情况下，做出种种变化。因此，本发明所主张的范围应以权利要求书中的权利要求所述的为准。

Claims (8)

1.一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统，其包括：
至少一个上位机；
至少一组伺服电机；
至少一组控制器，所述每个控制器一端连接现场总线，另一端连接其对应的伺服电机，一个控制器控制一个伺服电机，其用于对来自现场总线的控制信号进行处理，进而将适用于对应的伺服电机的控制信号传送到对应的伺服电机中，所述控制器包括：
数据采集模块，其通过现场总线连接所述上位机，用于接收来自所述上位机的控制信号；
数据校验模块，其一端与所述数据采集模块相连，用于对数据采集模块所采集到的数据进行校验，判定数据有效性；地址选择器，用于设定所述伺服电机的地址；
数据判断模块，其一端连接所述数据校验模块，另一端连接所述地址选择器，用于判断来自现场总线的控制信号是否适用于所述控制器对应的伺服电机；以及
数模转换器，其一端连接所述数据判断模块，另一端连接所述伺服电机，用于将总线中的数字信号转换成模拟控制信号；以及
所述一个上位机一端通过现场总线连接一组所述控制器，所述一个上位机控制一组控制器，用于将控制信号传送到一组控制器中。
2.如权利要求1所述的微型伺服电机控制系统，其特征在于，还包括总机，所述总机与所述上位机的另一端通过现场总线相连，用于将所述总机中的控制信号传送到各个上位机中，进而通过各个上位机将控制信号传送到各个伺服电机中。
3.如权利要求1所述的微型伺服电机控制系统，其特征在于，所述一个控制器位于其对应的伺服电机中。 
4.如权利要求1所述的微型伺服电机控制系统，其特征在于，所述控制器还包括总线接口芯片，所述芯片连接在所述一个上位机和所述数据采集模块之间，用于将总线传送的数据转换成所述控制器可以识别的信号。
5.如权利要求1所述的微型伺服电机控制系统，其特征在于，所述地址选择器可通过拨轮开关、跳线或短接帽进行设定。
6.一种基于现场总线的微型伺服电机控制系统的控制方法，所述控制系统包括：至少一个上位机；至少一组伺服电机；以及至少一组控制器，所述每个控制器一端连接现场总线，另一端连接其对应的伺服电机，所述控制器包括：数据采集模块，其通过现场总线连接所述上位机；数据校验模块，其一端与所述数据采集模块相连；地址选择器；数据判断模块，其一端连接所述数据校验模块，另一端连接所述地址选择器；数模转换器，其一端连接所述数据判断模块，另一端连接所述伺服电机；所述一个上位机一端通过现场总线连接一组所述控制器，所述控制方法包括：
上位机将控制信号通过现场总线传送给各个控制器；
各个控制器读取地址选择器中的本地地址；
数据采集模块接收来自现场总线的控制信号；
各个控制器中的数据校核模块核对所接收的控制信号的有效性；
各个控制器中的数据判断模块对所述数据校验模块中输出的数据与地址选择器中的地址数据进行比较，以判断来自现场总线的控制信号是否适用于所述控制器对应的伺服电机；
如控制信号适用于所述控制器对应的伺服电机，则所述控制器中的模数转换模块将根据新命令处理得到的数据向伺服电机发出相应宽度的控制脉冲；
如控制信号不适用于所述控制器对应的伺服电机，则所述控制器中的模数转换模块将根据以前得到的数据向伺服电机发出相应宽度的控制脉冲。 
7.如权利要求6所述的微型伺服电机控制系统的控制方法，其特征在于，在所述数据采集模块接收来自现场总线的控制信号前，先运用总线接口芯片将总线传送的数据转换成所述控制器可以识别的信号，所述总线接口芯片位于所述一个上位机和所述数据采集模块之间。
8.如权利要求7所述的微型伺服电机控制系统的控制方法，其特征在于，上位机的控制信号来自与之用现场总线相连的总机。 
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Effective date of registration: 20200508

Address after: Room 612, Zone D, building 20, No. 1-42, Lane 83, Hongxiang North Road, Wanxiang Town, Pudong New Area, Shanghai

Patentee after: Shanghai Yingchen Information Technology Co., Ltd

Address before: 200233, No. 1122 North Qinzhou Road, Shanghai, 90 8F

Patentee before: SHANGHAI PARTNERX ROBOTICS Co.,Ltd.

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Addressee: Shanghai Yingchen Information Technology Co.,Ltd.

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Addressee: SHANGHAI PARTNERX ROBOTICS Co.,Ltd.

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Addressee: He Qing

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Granted publication date: 20110105

Termination date: 20200615

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