CN101907882A - 基于epa现场总线的多轴直流伺服电机控制系统及方法 - Google Patents

基于epa现场总线的多轴直流伺服电机控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统及方法，该系统包括：主控上位机和若干直流伺服驱动器，主控上位机与直流伺服驱动器通过EPA通信网络连接，主控上位机包括用以与直流伺服驱动器进行数据交换的EPA主站通信模块，该EPA主站通信模块进一步包括若干第一数据发送区和若干第一数据接收区；每个直流伺服驱动器包括与EPA主站通信模块进行数据交换的EPA从站通信模块，该EPA从站通信模块进一步包括第二数据发送区和第二数据接收区。本发明实现了高速通信、高精度同步和高可靠性通信，并且可扩展性良好。

Description

基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统及方法
技术领域
本发明涉及伺服电机控制领域，特别涉及一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统及方法。
背景技术
多轴直流伺服电机控制系统在实际生产过程中的应用日益广泛，在配料、传动等生产过程中和仿人机器人上，都需要多台直流伺服电机来驱动，多台伺服电机之间的协调控制直接影响生产过程的质量和机器人的运动性能。针对这类运动轴的控制，传统的多轴直流伺服电机运动控制系统依靠机械凸轮和齿轮来实现，但是，这种控制系统需要通过复杂的机械设计才能实现多轴协调运动，机械损耗大，维护不方便。因此，基于各种现场总线技术的多轴直流伺服电机控制系统应运而生。
基于现场总线技术的多轴直流伺服电机控制系统能够有效地节约安装和维护费用，为多轴直流伺服电机控制系统的应用开拓了更为广阔的领域。但是，现有基于各种现场总线技术的多轴直流伺服电机控制系统在传递信息的过程中无法避免碰撞，不能保证通信的确定性和实时性，无法实现高速高精度的同步通信。另外，制造企业的信息化必须建立包含从工业现场设备层到控制层、管理层等各个层次的综合自动化网络平台。在企业的不同网络层次间传递信息变得越来越复杂，这对工业现场总线技术的开放性、互连性和带宽提出了更高要求。而现有各种基于现场总线技术的多轴直流伺服电机控制系统无法实现直接集中监控和无缝接入到工厂信息化以太网中，从而无法实现工业企业综合自动化智能工厂系统中从底层的现场设备层到上层的控制层、管理层的通信网络平台基于以太网技术的统一，使得系统扩展性差。因此，如何实现多轴直流伺服电机控制系统高速同步、实时可靠通信且提高系统可扩展性，更好地控制多轴直流伺服电机系统成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速同步、实时可靠且可扩展性良好的基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种高速同步、实时可靠且可扩展性良好的基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制方法。
为达到上述目的，本发明提供一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统，包括：一主控上位机和至少一个直流伺服驱动器，主控上位机与直流伺服驱动器通过EPA通信网络连接，其中，
主控上位机包括一EPA主站通信模块，EPA主站通信模块与EPA通信网络同步，用以与直流伺服驱动器进行数据交换，其进一步包括：
若干第一数据发送区：用以对主控上位机的控制数据进行存储，并将数据发送至相应的直流伺服驱动器；
若干第一数据接收区：用以接收并存储直流伺服驱动器发送给主控上位机的数据；
每个直流伺服驱动器包括一EPA从站通信模块，EPA从站通信模块与EPA通信网络同步，用以与EPA主站通信模块进行数据交换，其进一步包括：
第二数据发送区：用以存储直流伺服驱动器发送给主控上位机的数据，并将数据发送至相应的第一数据接收区；
第二数据接收区：用以接收并存储第一数据发送区发送来的数据。
依照本发明较佳实施例所述的系统，其直流伺服驱动器还包括控制板和电源板，控制板上设置有DSP，EPA从站通信模块设置在电源板上，且通过SPI接口与DSP连接。
依照本发明较佳实施例所述的系统，其电源板上设置有EPA通信接口、CAN接口和232接口。
依照本发明较佳实施例所述的系统，其EPA主站通信模块和EPA从站通信模块均采用双绞线方式与EPA网络连接。
依照本发明较佳实施例所述的系统，其第一数据发送区和第一数据接收 区的数量与直流伺服驱动器的数量相同。
本发明还提供一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制方法，包括以下步骤：
(1)将主控上位机与各直流伺服驱动器连接，构成EPA通信网络，并设置EPA主站通信模块和各个EPA从站通信模块的IP地址为同一网段；
(2)系统上电，EPA主站通信模块和EPA从站通信模块分别自动快速与EPA通信网络完成同步，并分别输出同步信号给主控上位机和DSP；
(3)主控上位机和直流伺服驱动器通过EPA主站通信模块和EPA从站通信模块按照EPA应用层的数据协议进行通信，具体为：
主控上位机或DSP在第N个宏通信周期内将需要发送的数据写入到EPA主站通信模块或EPA从站通信模块中；EPA主站通信模块或各EPA从站通信模块在第N+1个宏通信周期内将数据发送到EPA通信网络上，并接收EPA通信网络中的数据；主控上位机或DSP在第N+2个宏通信周期内读出EPA主站通信模块或EPA从站通信模块中接收的数据并进行处理。
依照本发明较佳实施例所述的方法，上述的通信宏周期包括周期时间和非周期时间，其中，周期时间内传输实时数据，非周期时间内传输非实时数据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用EPA现场总线进行通信，通信速率可达100Mbps，同步精度小于1us，实现了高速通信和高精度同步。
2、本发明采用EPA现场总线进行通信，通讯误码率小于10E-12，并且，EPA现场总线采用确定性通信技术，把通信宏周期划分为周期报文传输阶段和非周期报文传输阶段，有效避免了碰撞，保证了通信的确定性和实时性，实现了高可靠性通信。
3、本发明采用EPA现场总线进行通信，多轴直流伺服电机控制系统通过EPA现场总线二级网段可直接集中监控和无缝接入到工厂信息化工业以太网中，可扩展性好。
附图说明
图1为本发明基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统的架构示意图；
图2为本发明实施例的直流伺服驱动器的结构示意图；
图3为本发明基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制方法的流程原理图；
图4为本发明实施例的网络同步信号波形图；
图5为本发明实施例的数据传送顺序示意图；
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
本发明的核心是：采用EPA现场总线连接多轴直流伺服电机控制系统中的主控上位机和直流伺服驱动器，使得它们之间以EPA现场总线的通信方式进行数据交互。从而使得多轴直流伺服电机控制系统具有高速同步和高可靠性的通信性能，并且可以简易地集成到工厂自动化信息网络中。
请参阅图1，一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统，包括主控上位机10和多个直流伺服驱动器20，主控上位机10与直流伺服驱动器20通过EPA通信网络30连接。
主控上位机10包括EPA主站通信模块101，EPA主站通信模块101采用双绞线方式与EPA网络连接30，与EPA通信网络30同步，用以与直流伺服驱动器20进行数据交换，其进一步包括若干第一数据发送区102和若干第一数据接收区103。其中，第一数据发送区102用以对主控上位机10的控制数据进行存储，并将数据发送至相应的直流伺服驱动器20。第一数据接收区103用以接收并存储直流伺服驱动器20发送给主控上位机10的数据。
每个直流伺服驱动器20包括EPA从站通信模块201，EPA从站通信模块201采用双绞线方式与EPA网络30连接，与EPA通信网络30同步，用以与EPA主站通信模块101进行数据交换，其进一步包括第二数据发送区202和第二数据接收区203。第二数据发送区202用以存储直流伺服驱动器20发送给主控上位机10的数据，并将数据发送至相应的第一数据接收区103。第二 数据接收区203用以接收并存储第一数据发送区102发送来的数据。
每个EPA从站通信模块201只有一个第二数据发送区202和第二数据接收区203。EPA主站通信模块101则包含了多个第一数据发送区102和第一数据接收区103，假设有N个直流伺服驱动器20连接到EPA通信网络30上，那么在EPA主站通信模块101就有N个第一数据发送区102和第一数据接收区103，第一数据发送区102和第一数据接收区103的数量与直流伺服驱动器20的数量相同，每个数据第一数据发送区102及第一数据接收区103对应一个直流伺服驱动器20。
请参阅图2，其为本发明实施例的直流伺服驱动器的结构示意图。直流伺服驱动器20包括控制板204、电源板205和功率驱动板206。其中，控制板204主要完成接收并处理命令和发出命令的功能，其上设置有DSP207。上述的EPA从站通信模块202设置在电源板205上，通过SPI接口与DSP207连接。电源板205上还设置有电源管理模块、电源接口、电机接口和各种通信接口，在本实例中，通信接口包括EPA通信接口、CAN接口和232接口，该直流伺服驱动器可支持EPA通信、CAN通信以及RS232通信。功率驱动板206包括驱动电路和过流检测电路，该直流伺服驱动器可以驱动有刷直流电机和无刷直流电机。
本发明还定义了多轴直流伺服电机控制系统的EPA通信的应用层数据协议。主控系统与各从控系统按应用层数据协议规范进行通信。上位机通过以太网口访问EPA主站通信模块，各直流伺服驱动器上的DSP通过SPI接口访问EPA从站通信模块。各EPA通信模块中一块连续的RAM区划分为发送数据区和接收数据区，上位机和DSP可以在通信宏周期内对该片RAM区进行读写操作。
基于上述系统，本发明还提供一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制方法，包括以下步骤：
S11：将主控上位机与各直流伺服驱动器连接，构成EPA通信网络，并设置EPA主站通信模块和各个EPA从站通信模块的IP地址为同一网段。
S12：系统上电，EPA主站通信模块和EPA从站通信模块分别自动快速与 EPA通信网络完成同步，并分别输出同步信号给主控上位机和DSP。
S13：主控上位机和直流伺服驱动器通过EPA主站通信模块和EPA从站通信模块按照EPA应用层的数据协议进行通信，具体为：
主控上位机或DSP在第N个宏通信周期内将需要发送的数据写入到EPA主站通信模块或EPA从站通信模块中；EPA主站通信模块或各EPA从站通信模块在第N+1个宏通信周期内将数据发送到EPA通信网络上，并接收EPA通信网络中的数据；主控上位机或DSP在第N+2个宏通信周期内读出EPA主站通信模块或EPA从站通信模块中接收的数据并进行处理。通信宏周期包括周期时间和非周期时间，其中，周期时间内传输实时数据，非周期时间内传输非实时数据。
在系统运行之前，要对系统中的EPA主站通信模块和各个EPA从站通信模块进行IP地址的设置，使各个EPA通信模块(EPA主站通信模块和各个EPA从站通信模块)的IP地址处在同一网段。EPA主站通信模块和EPA从站通信模块完成同步后，分别输出网络同步信号给上位机和DSP。网络同步信号波形如图4，其中T表示通信宏周期，Tp表示周期时间，Tn表示非周期时间。在通信宏周期T内，周期时间Tp开始时输出上升延，非周期时间Tn开始时输出下降延。对于已同步的网络，网络中所有的EPA通信模块将同时输出上升延和下降延。
上位机在每个EPA通信宏周期的周期时间内传输实时数据(如实时位置和实时速度)，在非周期时间内传输非实时数据(如伺服驱动器位置环、速度环和电流环的PID参数以及相关配置参数)给EPA主站通信模块，EPA主站通信模块同样的分别在通信宏周期的周期时间和非周期时间内将数据同步发送给各直流伺服驱动器上的EPA从站通信模块，并从各直流伺服驱动器上的EPA从站通信模块中获得实时数据(如绝对位置、绝对速度等)和非实时数据(如驱动器状态参数等)，分别在通信宏周期的周期时间和非周期时间内发送给上位机。具体数据传送的顺序如图5：
首先，主控上位机和DSP在第N个通信宏周期内把数据写入到EPA主站通信模块中和EPA从站通信模块。即在第N个通信宏周期的周期时间内，主控上 位机把实时数据写入EPA主站通信模块，DSP把实时数据写入EPA从站通信模块。在第N个通信宏周期的非周期时间内，DSP把非实时数据写入EPA从站通信模块。
之后，在第N+1个通信宏周期内，发送数据的EPA通信模块把数据发送到EPA通信网络上，并且接收数据的EPA通信模块完成接收数据。即EPA主站通信模块把需要发送给从控系统的实时数据在通信宏周期的周期时间内发送到EPA通信网络上，在非周期时间内发送非实时数据到EPA网络上；同时在周期时间接收从控系统发送的实时数据，在非周期时间接收从控系统发送的非实时数据。各EPA从站通信模块在通信宏周期的周期时间内发送实时数据到EPA通信网络上，在非周期时间内发送非实时数据到EPA通信网络上，同时在周期时间接收主控系统发送的实时数据，在非周期时间接收主控系统发送的非实时数据。
最后，在第N+2个通信宏周期内，接收数据的控制CPU把数据从EPA通信模块中读出并开始处理。即主控上位机在通信宏周期的周期时间内从EPA主站通信模块中读取实时数据，在非周期时间读取非实时数据。DSP在通信宏周期的周期时间内从EPA从站通信模块中读取实时数据，在非周期时间读取非实时数据。
以下，表1列出了上位机发送给伺服驱动器的命令和在EPA通信模块中对应的偏移地址，表2列出了伺服驱动器发送给上位机的命令和在EPA通信模块中对应的偏移地址。
表1
  命令含义   偏移地   址   参数内容
  电流环比例参  数   0x01-0  x02   16位无符号整数，表示电流环比例常  数
  电流环积分参  数   0x03-0  x04   16位无符号整数，表示电流环积分时  间常数
  速度环比例参  数   0x05-0  x06   16位无符号整数，表示速度环比例常  数
  速度环积分参  数   0x07-0  x08   16位无符号整数，表示速度环积分时  间常数
  位置环比例参  数   0x09-0  x10   16位无符号整数，表示位置环比例常  数
  JOG微动速度   0x11-0     x12   16位有符号整数，电机可按此速度旋   转
  加速时间常数   0x13-0     x14   16位有符号整数，让电机加速旋转达   到给定速度
  减速时间常数   0x15-0     x16   16位有符号整数，让电机减速旋转达   到给定速度
  实时位置命令   0x17-0     x20   32位有符号整数，指定电机旋转角度
  实时速度命令   0x21-0     x24   32位有符号整数，指定电机旋转速度
  实时运动时间   0x25-0     x26   16位无符号整数，指定到达指定位置   和速度的时间间隔
表2
  命令含义   偏移地  址   参数内容
  反馈给上位机的实时  位置   0x17-0x2  0   32位有符号整数，反馈给上  位机电机当前的位置
  反馈给上位机的实时  速度   0x21-0x2  4   32位有符号整数，反馈给上  位机电机当前旋转速度
  反馈给上位机的实时  运动时间   0x25-0x2  6   16位无符号整数，反馈给上  位机当前运动的时间间隔
  报警代码   0x27-0x2  8   16位无符号整数，显示电机  故障状态
在上述表1、表2中，偏移地址为0x01-0x16以及0x27-0x28上的数据为非实时数据，在EPA通信宏周期的非周期时间传输，而偏移地址为0x17-0x26上的数据为实时数据，在EPA通信宏周期的周期时间内传输。上位机发送给直流伺服驱动器的非实时数据用于配置驱动器参数，在驱动器第一次上电初始化的时候由DSP通过I2C接口写入外接EEPROM模块，下一次上电直接从EEPROM中读取这些参数，如果不做修改不需要再次由上位机来发送给直流伺服驱动器。
本发明的基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统充分发挥了EPA现场总线的一系列优点，从而使得多轴直流伺服电机控制系统具备高速同步通信、高可靠性通信和可扩展性等优点。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制系统，其特征在于，包括：一主控上位机和至少一个直流伺服驱动器，所述主控上位机与所述直流伺服驱动器通过EPA通信网络连接，其中，
所述主控上位机包括一EPA主站通信模块，所述EPA主站通信模块与所述EPA通信网络同步，用以与所述直流伺服驱动器进行数据交换，其进一步包括：
若干第一数据发送区：用以对主控上位机的控制数据进行存储，并将数据发送至相应的直流伺服驱动器；
若干第一数据接收区：用以接收并存储所述直流伺服驱动器发送给主控上位机的数据；
每个所述直流伺服驱动器包括一EPA从站通信模块，所述EPA从站通信模块与所述EPA通信网络同步，用以与所述EPA主站通信模块进行数据交换，其进一步包括：
第二数据发送区：用以存储直流伺服驱动器发送给主控上位机的数据，并将数据发送至相应的第一数据接收区；
第二数据接收区：用以接收并存储第一数据发送区发送来的数据。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流伺服驱动器还包括控制板和电源板，所述控制板上设置有DSP，所述EPA从站通信模块设置在所述电源板上，且通过SPI接口与所述DSP连接。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电源板上设置有EPA通信接口、CAN接口和232接口。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述EPA主站通信模块和EPA从站通信模块均采用双绞线方式与所述EPA网络连接。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一数据发送区和第一数据接收区的数量与直流伺服驱动器的数量相同。
6.一种基于EPA现场总线的多轴直流伺服电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将主控上位机与各直流伺服驱动器连接，构成EPA通信网络，并设置EPA主站通信模块和各个EPA从站通信模块的IP地址为同一网段；
(2)系统上电，EPA主站通信模块和EPA从站通信模块分别自动快速与EPA通信网络完成同步，并分别输出同步信号给主控上位机和DSP；
(3)主控上位机和直流伺服驱动器通过EPA主站通信模块和EPA从站通信模块按照EPA应用层的数据协议进行通信，具体为：
主控上位机或DSP在第N个宏通信周期内将需要发送的数据写入到EPA主站通信模块或EPA从站通信模块中；EPA主站通信模块或各EPA从站通信模块在第N+1个宏通信周期内将数据发送到EPA通信网络上，并接收EPA通信网络中的数据；主控上位机或DSP在第N+2个宏通信周期内读出EPA主站通信模块或EPA从站通信模块中接收的数据并进行处理。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通信宏周期包括周期时间和非周期时间，其中，周期时间内传输实时数据，非周期时间内传输非实时数据。
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