CN101598939B - 多轴运动伺服控制与保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种多轴运动伺服控制与保护系统，涉及自动化技术，该控制系统由ARM控制器、CAN通讯卡、CPLD器件、FPGA计数器、电机驱动器、直流或步进电机、光电码盘或光栅尺、传感器等组成。ARM控制器通过CAN总线接收上位机发送的位置或速度控制命令，利用内置算法计算出控制量，通过CPLD产生相应的脉宽信号或频率信号，经由电机驱动器驱动电机的运动；通过FPGA处理光电码盘或光栅尺信号，作为反馈信号送至ARM处理器实现伺服控制；通过传感器检测机构和电机的运行状态，由ARM处理器对过载、限位等情况及时控制，保护执行机构的安全运行。本发明系统可同时对至少8轴电机进行控制，方便了多轴运动机构的电气控制。

Description

多轴运动伺服控制与保护系统

技术领域

本发明涉及信息技术与自动化控制技术领域，涉及多轴联动的运动控制系统与电气机构保护系统，是利用嵌入式软硬件技术和现场总线技术组成的新型嵌入式多轴运动伺服控制与包含装置，形成了适用于多自由度、关节耦合性强的串并联机构的运动控制设备。

背景技术

多轴运动控制系统广泛应用与自动化设备，特别是轻工包装机械、印刷机械和专用数控加工设备以及串并联机器人中。其特点是控制轴数多、设备布置范围广、同步性要求高。针对这类运动轴的控制，多采用基于现场总线的分布式控制技术实现多轴联动伺服控制。SERCOS就是一种适用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议，能够实现工业控制计算机与数次伺服系统、传感器和可编程控制器I/O口之间的实时数据通讯。但这种方式下各轴的伺服控制装置都是独立的，各个运动轴都需要由伺服控制器、电机驱动器、电动机、光电码盘构成，对于轴数较多的设备，其硬件设备成本较高，系统结构复杂。还有一种运动控制系统是使用多轴运动控制卡与计算机直接相连，由多轴运动控制卡实现各轴的联动和伺服控制，但这种方式下多轴运动控制卡不具有开放性，对于特殊控制要求不能满足，且目前一般的运动控制卡都是不超过四轴的联动控制，满足不了复杂机构系统中更多轴数的联动控制，且对于执行机构的运行状态不能及时反馈。为此，有必要开发一种能够进行多轴联动控制的，具有现场总线通讯接口的，能够对执行机构状态及时反馈的，开放式结构的多轴运动伺服控制系统。

发明内容

本发明的目的是利用ARM嵌入式软硬件技术和现场总线通讯技术提供一种新型的多轴运动伺服控制与保护系统，在自动化机械设备中实现多个运动轴的联动伺服控制，保护机构的机械运动极限和电机的过载电流，降低该运动伺服系统的成本，提高系统的开放性和应用范围。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种多轴运动伺服控制与保护系统，包括电机驱动器、直流或步进电机、光电码盘或光栅尺、各种传感器；其还包括ARM控制器、CAN通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器，其中，ARM控制器、CAN通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器都含有相同定义的系统总线接口，通过104芯插针相互叠插在一起，CAN通讯卡含有CAN总线通讯接口，FPGA加减计数器含有差分信号输入接口，电机驱动器为直流电机驱动器或步进电机驱动器，含有控制信号输入接口和电机驱动接口，ARM控制器含有开关量信号输入接口，传感器包括限位开关传感器、过载检测传感器；电机驱动器的控制信号输入接口与CPLD脉冲发生器相连，电机驱动接口与相应类型的电动机连接，光电码盘或光栅尺安装在运动机构上，其信号输出与FPGA的差分信号输入接口连接，各种传感器信号与ARM控制器的开关量信号输入接口连接；

CPLD脉冲发生器有至少8路信号输出接口，同时连接至少8路电机驱动器；FPGA加减计数器有至少8路信号输入接口，同时连接至少8路光电码盘或光栅尺信号；

多轴运动伺服控制与保护系统通过CAN总线通讯接口与负责规划控制的上位机相连，由上位机产生各轴的位置或速度控制命令，并发送给ARM控制器，利用内置算法计算出控制量，通过CPLD产生各轴所需的相应脉宽信号或频率信号，经由各电机驱动器驱动各轴电机的运动；通过FPGA处理安装在各轴机构上的光电码盘或光栅尺信号，作为反馈信号送至ARM处理器实现多轴伺服控制；通过限位开关传感器检测机构的机械到位情况，通过过载传感器检测电机的运行状态，由ARM处理器对电机过载、机械限位的情况及时停车控制，以保护执行机构的安全运行。

所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其所述传感器信号在接入系统后分为两路，一路接入到ARM控制器上由ARM处理器读取其状态，另一路接入到CPLD脉冲发生器的控制信号输入端，由CPLD脉冲发生器的内部逻辑直接控制限位、过载的情况下执行机构停车。

所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其所述FPGA加减计数器上含有备用锂电池，在整个控制系统断电时保证光电码盘或光栅尺的反馈信号不丢失，实时记录执行机构的绝对位置。

所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其所述ARM控制器含有ARM9处理器，由两个10位BDC码拨盘开关构成地址选择开关，通过手动拨动来设定该ARM控制器在CAN总线通讯系统中的ID地址。

本发明提出的多轴运动伺服控制与保护系统的主要优点如下：利用基于ARM处理器的嵌入式系统技术研制的多轴联动伺服控制系统，其开放性高，能同时控制多达8个运动轴的联动伺服控制；利用CAN总线通讯技术技术实现了多轴运动伺服控制系统与上位计算机之间的实时数据通讯，提高了整个控制系统的实时性和可扩展性；使用备用电池为FPGA计数器提供备用供电电源，保证在系统断电的情况下光电码盘和光栅尺的信息不丢失，对执行机构的位置进行实时记录；使用硬件逻辑电路直接在控制信号输出前端加入保护控制逻辑，保证即使在CPU不能正常工作的情况下也不会对机构和电机造成损坏。

附图说明

图1为本发明的单套多轴运动伺服控制与保护系统的结构框图；

图2为本发明系统中的过载、限位保护部分的功能电路原理图。

具体实施方式

本发明的一种基于ARM处理器的多轴运动伺服控制与保护系统，是各种自动化设备运动机构中使用的多轴伺服控制装置和过载、限位等执行机构运动保护装置。该系统可同时实现多达8个运动轴的位置、速度联动伺服控制，并能对各轴的运行状态进行实时检测，从硬件电路上保证机构和电机不会因机械限位和过载过流而造成损坏，提高系统的安全性。

图1为单套多轴运动伺服控制与保护系统的结构框图，主要由ARM控制电路和驱动保护硬件两部分组成。ARM控制电路是该系统的弱电控制部分，主要实现联动控制算法的实施、反馈信号的处理、控制信号的产生等，是该系统伺服过程执行的控制核心。ARM控制电路主要由ARM控制器、CAN总线通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器等构成，其中每个功能单元都由一块板卡实现，在每块板卡上具有自定义结构的系统总线接口，通过104芯插针相互叠插在一起构成多轴联动伺服控制器。驱动保护硬件部分是实现执行机构驱动与保护的硬件装置，由多个电机驱动器、电动机、光电码盘或光栅尺、限位传感器、过载传感器等组成，其中电机驱动器和电动机配合使用，可为直流电机或步进电机，光电码盘和光栅尺根据该关节机构的运动特点和需求选用。CPLD脉冲发生器与8个电机驱动器相连，每个电机驱动器连接一个相应类型的电动机，由电动机带动各关节的执行机构，在执行机构上安装光电码盘或光栅尺，其信号与FPGA加减计数器连接，在执行机构的相应位置安装上下限位传感器，在电机驱动回路中安装过流检测传感器，传感器信号分为两路，分别接入到CPLD脉冲发生器和ARM控制器上。其中FPGA加减计数器上含有备用锂电池，在整个控制系统断电情况下仍可保证光电码盘或光栅尺的反馈信号不丢失，实时记录执行机构的绝对位置。。该系统通过CAN总线通讯卡与负责协调控制的上位计算机(图中未示出)连接，单套系统可实现8个轴的联动控制，对于更多轴数的自动化设备，可采用多套该系统，由一台上位计算机对各套系统通过CAN总线进行协调控制，实现更多轴数的联动伺服控制。每块ARM控制器上具有由两个10位BCD码开关构成的地址选择开关(图中未示出)，用来设定该ARM控制器在CAN总线中的ID地址。

图1的工作原理如下：由上位计算机根据机构的位置信息和控制要求计算产生出各轴的位置或速度控制命令，并通过CAN总线发送给相应ARM控制器，利用内置算法计算出控制量，通过CPLD产生各轴所需的相应脉宽信号或频率信号(对于直流电机，产生脉宽信号，对于步进电机，产生频率信号)，并传送给各电机驱动器，由电机驱动器来驱动各轴电机运动完成动作的执行；通过FPGA加减计数器实时处理安装在各轴机构上的光电码盘或光栅尺信号，获取各轴的位置和速度信息，并作为反馈信号送至ARM处理器，用来修正CPLD的输出信号，从而实现多轴伺服控制；通过限位开关传感器检测机构的机械到位情况，通过过载传感器检测电机的运行状态，由ARM处理器对电机过载、机械限位等情况及时停车控制，以保护执行机构的安全运行。

图2为该多轴运动伺服控制与保护系统中过载、限位保护部分的功能电路原理图，该部分电路集成在CPLD的内部控制逻辑中。该保护电路由四个与非门(NA1、NA2、NA3、NA4)和四个非门(NT1、NT2、NT3、NT4)组成，其输入信号包括上限位信号、下限位信号、运动方向信号、过载信号、脉宽/频率信号，输出信号为接入到电机驱动器的控制信号。当上限位信号有效(高电平)且运动方向为正向运动信号(低电平)，或下限位信号有效(高电平)且运动方向为反向运动信号(正电平)时，则通过该电路在与非门NA4处第一路信号为低电平，则该电路的输出信号恒为低电平，从而使电机停车，避免机构超越限位开关继续向前运动；同样，当过载信号有效(高电平)时，该电路的输出信号也恒为低电平，避免在过流过载的情况下电机继续运动，防止损坏电机；在其他情况下，该电路的输出信号与脉冲/频率信号相同，能够对电机能够正常控制运转。

本发明采用ARM嵌入式软硬件技术和总线式通讯技术形成的多轴运动伺服控制与保护系统，其处理能力强，具有较好的开放性和可扩展性，解决了数控机床、串并联机器人等自动化设备中的各关节协调控制的问题。各套多轴运动伺服控制系统能够同时控制8个运动轴的伺服控制，并通过CAN总线形成扩展性好的联动控制结构，可以实现更多轴的联动控制。通过上下限位开关、过载过流检测传感器和保护控制电路，使该系统能够保证机构系统和电机在CPU不工作的情况下仍能不受损坏。该系统方便了多自由度运动控制系统的设计与实施，提高了系统的实时性，降低了系统成本。

Claims (4)

1.一种多轴运动伺服控制与保护系统，包括电机驱动器、直流或步进电机、光电码盘或光栅尺、传感器；其特征在于：

还包括ARM控制器、CAN通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器，其中，ARM控制器、CAN通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器都含有相同定义的系统总线接口，通过104芯插针相互叠插在一起，CAN通讯卡含有CAN总线通讯接口，FPGA加减计数器含有差分信号输入接口，电机驱动器为直流电机驱动器或步进电机驱动器，含有控制信号输入接口和电机驱动接口，ARM控制器含有开关量信号输入接口，传感器包括限位开关传感器、过载检测传感器；电机驱动器的控制信号输入接口与CPLD脉冲发生器相连，电机驱动接口与相应类型的电动机连接，光电码盘或光栅尺安装在运动机构上，其信号输出与FPGA的差分信号输入接口连接，限位开关传感器、过载检测传感器的信号与ARM控制器的开关量信号输入接口连接；

CPLD脉冲发生器有至少8路信号输出接口，同时连接至少8路电机驱动器；FPGA加减计数器有至少8路信号输入接口，同时连接至少8路光电码盘或光栅尺信号；

多轴运动伺服控制与保护系统通过CAN总线通讯接口与负责规划控制的上位机相连，由上位机产生各轴的位置或速度控制命令，并发送给ARM控制器，利用内置算法计算出控制量，通过CPLD产生各轴所需的相应脉宽信号或频率信号，经由各电机驱动器驱动各轴电机的运动；通过FPGA处理安装在各轴机构上的光电码盘或光栅尺信号，作为反馈信号送至ARM处理器实现多轴伺服控制；通过限位开关传感器检测机构的机械到位情况，通过过载传感器检测电机的运行状态，由ARM处理器对电机过载、机械限位的情况及时停车控制，以保护执行机构的安全运行。

2.如权利要求1所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其特征在于：所述传感器信号在接入系统后分为两路，一路接入到ARM控制器上由ARM处理器读取其状态，另一路接入到CPLD脉冲发生器的控制信号输入端，由CPLD脉冲发生器的内部逻辑直接控制限位、过载的情况下执行机构停车。

3.如权利要求1所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其特征在于：所述FPGA加减计数器上含有备用锂电池，在整个控制系统断电时保证光电码盘或光栅尺的反馈信号不丢失，实时记录执行机构的绝对位置。

4.如权利要求1所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其特征在于：所述ARM控制器含有ARM9处理器，由两个10位BDC码拨盘开关构成地址选择开关，通过手动拨动来设定该ARM控制器在CAN总线通讯系统中的ID地址。

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