CN102183940A - 大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球 - Google Patents

大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球，所述系统包括多台路由器、多台主控制站、多台伺服电机及与所述伺服电机匹配的伺服驱动器；所述多台路由器用于连接所述主控制站，实现主控制站之间的数据交互；所述主控制站中至少一台主控制站通过实时以太网总线发送控制信号至剩余主控制站；每个所述主控制站通过控制自动化技术以太网总线发送控制信号控制多台伺服驱动器，所述伺服驱动器驱动对应的伺服电机带动球体运动。本发明提供的大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球既具良好的同步性能又具备定位准确响应快的动态性能。

Description

大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球
技术领域
本发明涉及多轴同步控制领域，更具体地说，涉及一种大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球。
背景技术
目前，多轴同步控制已经存在一些典型应用，例如世博中中国民营企业联合馆的“活力矩阵”，由1008轴组成，采用德国技术；世博会天津馆的792轴，为国内技术。然而，以往这些多轴同步控制系统应用中都存在轴数越多，同步效果越差，系统响应慢的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有多轴同步控制系统存在同步效果差、系统响应慢的缺陷，提供一种同步效果好响应快同步性不受轴数限制的大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供了一种大型魔球多轴同步控制系统，包括多台路由器、多台主控制站、多台伺服电机及与所述伺服电机匹配的伺服驱动器；所述多台路由器用于连接所述主控制站，实现主控制站之间的数据交互；所述主控制站中至少一台主控制站通过实时以太网总线发送控制信号至剩余主控制站；每个所述主控制站通过控制自动化技术以太网总线发送控制信号控制多台伺服驱动器，所述伺服驱动器驱动对应的伺服电机带动球体运动。
在本发明优选实施例所述的大型魔球多轴同步控制系统中，每个所述伺服电机配有实现调速定位的编码器。
在本发明优选实施例所述的大型魔球多轴同步控制系统中，每个所述伺服驱动器配有用于实现快速制动的制动电阻。
在本发明优选实施例所述的大型魔球多轴同步控制系统中，每个所述伺服电机配有启动停止时防止负载滑动的抱闸。
在本发明优选实施例所述的大型魔球多轴同步控制系统中，每个所述伺服驱动器包括与伺服电机相连的过载过流保护装置。
在本发明优选实施例所述的大型魔球多轴同步控制系统中，所述大型魔球多轴同步控制系统还包括配备在所述每台伺服电机的负载端的两个安全限位开关，与所述主控制站连接以在负载超行程时发送停止信号给所述主控制站停止伺服电机。
在本发明优选实施例所述的大型魔球多轴同步控制系统中，所述主控制站中至少一台主控制站包括内嵌实时多任务处理系统的装置，用于在规定的扫描周期内程序同步控制和数据同步刷新。
本发明还提供了一种大型魔球多轴同步控制方法，包括以下步骤：多台主控制站中至少一台主控制站通过实时以太网总线发送控制信号至剩余主控制站；每个所述主控制站通过控制自动化技术以太网总线发送控制信号控制多台伺服驱动器；每个所述伺服驱动器驱动对应的伺服电机带动球体运动。
本发明还提供了一种魔球，包括了上述的大型魔球多轴同步控制系统。
实施本发明的大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球，具有以下有益效果：本发明解决了现有大型多轴控制系统同步效果差，系统响应慢的控制问题，本发明提供的大型魔球多轴同步控制系统、方法及魔球既具良好的同步性能又具备定位准确响应快的动态性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明较佳实施例的大型魔球多轴控制系统的结构示意图；
图2为本发明较佳实施例的大型魔球多轴控制系统的功能模块图。
图3为本发明优选实施例中第一伺服定位控制模式的速度位移曲线图；
图4a为本发明优选实施例中第二伺服定位控制模式的速度时间曲线图；
图4b为本发明优选实施例中第二伺服定位控制模式的位移时间曲线图；
图5a为本发明优选实施例中第三伺服定位控制模式的速度时间曲线图；
图5b为本发明优选实施例中第三伺服定位控制模式的位移时间曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1和图2，分别为本发明较佳实施例的大型魔球多轴控制系统的结构示意图和功能模块图。如图1和图2所示，该魔球多轴同步控制系统，包括多台路由器、多台主控制站、n*n台伺服电机及与伺服电机配合的伺服驱动器。其中，伺服驱动器优选带有EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology，自动化技术以太网)总线功能。
其中，路由器用来连接主控制站，实现主控制站之间的数据交互。
主控制站之间通过实时以太网(Real-time Ethernet)总线来实现控制信号的传送，多个节点的扫描时间为1ms，普通以太网的扫描周期大于10ms。
每个主控制站通过EtherCAT总线来同步控制多台伺服电机，扫描周期为4ms，实现高速通讯，达到精确控制的要求。
优选地，每台伺服电机配有编码器，可以实现准确定位功能；
优选地，伺服驱动器配有匹配的制动电阻，可以快速制动；
优选地，伺服电机配有抱闸，防止启动停止时负载滑动；
优选地，该系统还包括多个限位保护开关，主控制站上有数字I/O接口，用于在负载超行程时及时停止电机以保护机械结构。
优选地，每个所述伺服驱动器包括与伺服电机相连的过载过流保护装置。
主电源向所有设备提供电源，每台主控制器控制多台伺服驱动器，例如主控制站1#控制与其相连的伺服驱动器1#至伺服驱动器n#，以此类推，主控制站n#控制与其相连的另外n个伺服驱动器1#至伺服驱动器n#。每台伺服驱动器控制一台伺服电机和相对应的电机抱闸，主控制器通过EtherCAT总线控制伺服驱动器，扫描周期为4ms。每台电机都配有编码器，以实现准确定位功能。每台伺服驱动器有各自独立的制动电阻，当电机处于制动或减速状态时，整流电压增高，能量消耗在制动电阻上，达到稳定控速。电机抱闸由伺服驱动器控制，当伺服驱动器输出给电机的转矩达到预设值时伺服驱动器打开电机抱闸，可以防止负载滑动。每个轴两端都配有限位保护开关，负载超行程后，开关信号反馈给主控制站，主控制站控制伺服电机及时停机。
定位方式灵活，主要采用的伺服定位控制模式有三种：
1)位置和速度控制模式
请参阅图3，为本发明优选实施例中第一伺服定位控制模式的速度位移曲线图。在该情况下，给定目标位置、目标恒定速度、加速、初始速度为0。
2)位置、速度和时间点控制模式
在该第二伺服定位控制模式下，给定初始速度、目标恒定速度、加速、目标位置，V/T、S/T曲线如图4a和图4b所示。
3)终点位置、速度和时间点控制模式
在该第三伺服定位控制模式下，给定初始速度、目标恒定速度、加速、单程终点位置，V/T、S/T曲线如图5a和图5b所示。
上述三种控制模式可根据需要灵活选择。
再参阅图2，在该实施例中采用多台IPC C6920主控制站中的任意一台都可作为该系统的主控制器，但只能有一台为主控制器。主程序安装在主控制器上，主控制器通过实时以太网总线来控制其它主控制站，并读取实时状态，扫描周期为1ms，实现准确控制整个系统。主控制站包括内嵌实时多任务处理系统的装置。即主控制站在Windows操作系统中内嵌一个实时多任务处理系统-Twin CAT可以保证在规定的扫描周期内程序同步控制和数据同步刷新。
如图所示，所有主控制站接收到主控制器的命令后，通过EtherCAT总线控制伺服驱动器。主控制站在Windows操作系统中内嵌一个实时多任务处理系统-Twin CAT保证在规定的扫描周期内程序同步控制和数据同步刷新；一个主控制站扫描多个伺服驱动器的扫描周期为4ms；主控制站可以同时运行4个任务，最小任务周期为50μs，数据处理功能强大。
伺服驱动器接收到来自主控制站的信号后，会迅速执行该命令，并将状态信号及时发送给主控制站。当电机转矩达到预设值时，驱动器迅速打开电机抱闸，并根据编码器的反馈信号，准确控制电机转速与位置。当有过载过流发生时，驱动器会启动保护功能，停止运行，并将报警信号上传给主控制站。
当出现球体超行程时，主控制站会根据安全限位开关信号停止该电机运行，并发出报警信号提醒工作人员。
上述控制系统在魔球应用中，工作时，主控制器通过Real-time Ethernet总线向其它主控制站发出控制指令，多台主控制站的响应时间为1ms，各主控制站接收到指令后通过EtherCAT总线将指令发送给各自控制的多台伺服驱动器，此响应时间为4ms，伺服驱动器根据指令控制伺服电机执行相关动作。主控制站在Windows操作系统中内嵌的实时多任务处理系统-Twin CAT可以保证整个系统的同步性。经过测试，该系统的响应时间小于10ms，系统响应快，同步效果良好。
本发明实施例进一步提供了一种大型魔球多轴同步控制方法，包括以下步骤：首先，由多台主控制站中至少一台主控制站通过实时以太网总线发送控制信号至剩余主控制站。随后，每个所述主控制站通过控制自动化技术以太网总线发送控制信号控制多台伺服驱动器。最后，每个所述伺服驱动器驱动对应的伺服电机带动球体运动。
本发明实施例进一步提供一种魔球，包括采用上述的大型魔球多轴控制系统控制的球体。该魔球解决了大型多轴同步控制的同步性、快速动态响应性能等方面的问题。
综上所述，本发明公开一种大型魔球多轴同步控制系统、方法，本发明属多轴控制领域。本发明可以适用于2000轴以上的大型魔球多轴同步控制。该系统涉及Real-time Ethernet总线和EtherCAT总线技术，多台伺服电机驱动的同步控制方法。该系统包括多台路由器(Real-time Ethernet port multiplier)，多台主控制站，n*n台伺服电机(优选带抱闸和编码器)及与电机匹配的伺服驱动器(优选带EtherCAT总线功能)、制动电阻，多个限位保护开关；所述路由器用来连接所述主控制站，实现所述主控制站之间的数据交互；所述主控制站之间通过Real-time Ethernet总线来实现控制信号的传送；所述每台主控制站通过EtherCAT总线来实现多台所述伺服驱动器的同步控制；所述伺服驱动器控制电机抱闸和电机旋转；所述限位保护开关在负载超行程时及时停止电机工作以保护系统。该控制系统解决了现有大型多轴控制系统同步效果不理想，系统响应慢的问题。
本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (9)

1.一种大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，包括多台路由器、多台主控制站、多台伺服电机及与所述伺服电机匹配的伺服驱动器；
所述多台路由器用于连接所述主控制站，实现主控制站之间的数据交互；
所述主控制站中至少一台主控制站通过实时以太网总线发送控制信号至剩余主控制站；
每个所述主控制站通过控制自动化技术以太网总线发送控制信号控制多台伺服驱动器，所述伺服驱动器驱动对应的伺服电机带动球体运动。
2.根据权利要求1所述的大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，每个所述伺服电机配有实现调速定位的编码器。
3.根据权利要求1所述的大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，每个所述伺服驱动器配有用于实现快速制动的制动电阻。
4.根据权利要求1所述的大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，每个所述伺服电机配有启动停止时防止负载滑动的抱闸。
5.根据权利要求1所述的大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，每个所述伺服驱动器包括与伺服电机相连的过载过流保护装置。
6.根据权利要求1所述的大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，所述大型魔球多轴同步控制系统还包括配备在所述每台伺服电机的负载端的两个安全限位开关，与所述主控制站连接以在负载超行程时发送停止信号给所述主控制站停止伺服电机。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的大型魔球多轴同步控制系统，其特征在于，所述主控制站中包括内嵌实时多任务处理系统的装置，用于在规定的扫描周期内程序同步控制和数据同步刷新。
8.一种大型魔球多轴同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
多台主控制站中至少一台主控制站通过实时以太网总线发送控制信号至剩余主控制站；
每个所述主控制站通过控制自动化技术以太网总线发送控制信号控制多台伺服驱动器；
每个所述伺服驱动器驱动对应的伺服电机带动球体运动。
9.一种魔球，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一项所述的大型魔球多轴同步控制系统。
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