CN102819242A

CN102819242A - 一种多轴伺服控制系统及魔力球矩阵

Info

Publication number: CN102819242A
Application number: CN2011101509481A
Authority: CN
Inventors: 李明; 戎志刚; 刘道强; 丁亮; 刘辉
Original assignee: SHENZHEN HYVISION DIGITAL FILM Inc
Current assignee: Huaqiang infante (Shenzhen) Film Co. Ltd.
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: CN102819242B

Abstract

本发明公开了一种多轴伺服控制系统及魔力球矩阵，该多轴伺服控制系统包括多个伺服电机、主控制器和至少一个从控制器，主控制器通过以太网总线实时控制至少一个从控制器，且主控制器和至少一个从控制器均通过CAN总线来同步控制与其相连的伺服电机。本发明还构造一种魔力球矩阵。实施本发明的技术方案，基于CAN总线技术的多轴伺服控制系统，相比现有技术中使用的现场总线，其同步效果好、响应快，且不受轴数限制。

Description

一种多轴伺服控制系统及魔力球矩阵

技术领域

本发明涉及电机控制技术，尤其涉及一种多轴伺服控制系统及魔力球矩阵。

背景技术

在工业控制领域的一些伺服电机控制的多轴协同联动装置中，通常采用现场总线来控制多轴伺服电机，但现场总线的传输速度有限，且在传输过程中会出现数据帧丢失的情况，因此，如果轴数很多（如，中国民营企业联合馆的“活力矩阵”由1008轴组成，世博天津馆的矩阵有792轴），这样就有可能出现第一根轴与最后一根轴之间存在延时的现象，所以，多轴（1000轴以上）伺服控制系统中轴数越多，数据传输越慢，同步效果越差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述多轴伺服控制系统中轴数越多，数据传输越慢，同步效果越差的缺陷，提供一种多轴伺服控制系统，同步效果好、响应快，且不受轴数限制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多轴伺服控制系统，包括多个伺服电机，所述多轴伺服控制系统还包括主控制器和至少一个从控制器，主控制器通过以太网总线实时控制至少一个从控制器，且主控制器和至少一个从控制器均通过CAN总线来同步控制与其相连的伺服电机。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，每个伺服电机都匹配有伺服驱动器，主控制器和至少一个从控制器均将其所控制的伺服电机的运行参数数据下载到相应的伺服驱动器中，然后利用同步控制帧协议通过广播的方式分别向相应的伺服驱动器发送相应参数数据的运行指令，以控制相应伺服电机的运行。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，所述运行参数数据包括多个运动曲线，且每个运动曲线包括多个点，每个点包括组号、初始速度、目标速度、加减速时间、目标位置。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，所发送的相应参数数据的运行指令包括开始运行的组号和结束运行的组号。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，每个伺服电机都匹配有用于实现定位的编码器。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，每个伺服电机都匹配有用于实现稳定控速的制动电阻。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，每个伺服电机都匹配有用于在启动停止时防止伺服电机的负载滑动的抱闸。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，每个伺服电机都匹配有用于实现过载过流保护的过载过流保护模块。

在本发明所述的多轴伺服控制系统中，每个伺服电机的负载两端分别设置有上限位行程开关和下限位行程开关。

本发明还构造一种魔力球矩阵，用于节目舞台，所述魔力球矩阵包括使用多个伺服电机控制的多个球体，所述魔力球矩阵魔力球矩阵还包括以上所述的多轴伺服控制系统。

实施本发明的技术方案，基于CAN总线技术的多轴伺服控制系统，相比现有技术中使用的现场总线，其同步效果好、响应快，且不受轴数限制。

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是本发明多轴伺服控制系统实施例一的逻辑结构图；

图2是本发明多轴伺服控制系统实施例二的逻辑结构图；

图3是本发明实现多轴伺服定位控制的控制模式实施例一的速度/位移曲线图；

图4A是本发明实现多轴伺服定位控制的控制模式实施例二的速度/时间曲线图；

图4B是本发明实现多轴伺服定位控制的控制模式实施例二的位移/时间曲线图；

图5A是本发明实现多轴伺服定位控制的控制模式实施例三的速度/时间曲线图；

图5B是本发明实现多轴伺服定位控制的控制模式实施例三的位移/时间曲线图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明多轴伺服控制系统实施例一的逻辑结构图中，该多轴伺服控制系统包括主控制器100和至少一个从控制器200（图1中仅示出了一个，其它的未示出），主控制器100通过以太网总线来实时控制至少一个从控制器200，且主控制器100和至少一个从控制器200均通过CAN总线来同步控制与其相连的伺服电机M1至M2000。下面举例说明，主控制器100和从控制器200可分别为PC机，在实际应用中，假设共有5台PC机，任意一台PC机都可作为主控制器，但只能有一台主控制器，其它PC机为从控制器。主控制器和从控制器之间的程序都安装在主控制器上，主控制器通过以太网总线实时控制从控制器，并实时读取从控制器的状态，例如5个节点（PC机）的扫描周期为0.5ms，相比普通以太网扫描周期大于10ms，能实现准确控制。在该实施例中，每个PC机分别连接有两个CAN卡，如，主控制器100连接有CAN卡101、102，从控制器200连接有CAN卡201、202。应当说明的是，这只是本发明的一个实施例，一般PC机的PCI插槽提供了4个CAN卡插口，且在这个基础上还可以进行扩展，所以本发明并不限定所连接的CAN卡的数量。另外，在该实施例中，每个CAN卡连接有两条CAN总线，每条CAN总线控制100台伺服电机，这样，5个PC机总共可控制2000台伺服电机M1至M2000。同样需要说明的是，这只是本发明的一个实施例，理论上，一条CAN总线可以控制127台伺服电机，所以挂在一条CAN总线上的伺服电机的数量只要不超过127都是可以的。由于CAN总线的通信速率为1Mbit/s，因此可实现高速通讯，达到精确同步控制的要求。

在上述实施例中，优选地，每个伺服电机都匹配有伺服驱动器，主控制器100和至少一个从控制器200（每个PC机）均将其所控制的伺服电机的运行参数数据下载到相应的伺服驱动器中，运行参数数据包括多个运动曲线，且每个运动曲线包括多个点，每个点包括组号、初始速度、目标速度、加减速时间、目标位置。然后主控制器100和至少一个从控制器200利用同步控制帧协议通过广播的方式分别向相应的伺服驱动器发送相应参数数据的运行指令，以控制相应伺服电机的运行。下面以运动曲线为正弦曲线作为例子进行说明，将该正弦曲线分成1028个点，一个点即为一个组，每个点都包括组号、初始速度、目标速度、加减速时间、目标位置。当伺服驱动器所接收的开始组号为1，结束组号为1028时，伺服电机就开始读取正弦曲线里的1到1028个点的数据，从而控制相应伺服电机的运行。

图2是本发明多轴伺服控制系统实施例二的逻辑结构图，该多轴伺服控制系统包括主控制器100和至少一个从控制器200（图2中仅示出了一个，其它的未示出），主控制器100通过以太网总线来实时控制至少一个从控制器200，且主控制器100和至少一个从控制器200均通过CAN总线来同步控制与其相连的伺服电机。应当说明的是，虽然图2中仅示出了一个伺服电机，但本领域技术人员应理解，其它伺服电机也匹配有相同的器件。下面仅以伺服电机M1为例进行说明。伺服电机M1匹配有伺服驱动器301、编码器401、制动电阻501、抱闸601、上限位行程开关701、下限位行程开关801和过载过流保护模块（未示出）。其中，编码器401用于实现定位。当伺服电机处于制动或减速状态时，整流电压增高，能量就可消耗在制动电阻501上，因此制动电阻501可实现稳定控速。抱闸601由伺服驱动器301控制，当伺服驱动器301输出给伺服电机M1的转矩达到预设值时伺服驱动器打开包闸601，可防止伺服电机的负载滑动。过载过流保护模块用于实现过载过流保护。上限位行程开关701和下限位行程开关801设置在伺服电机的负载的两端，用于在负载超行程时及时停止电机以保护机械结构。

在本发明的实施例中，可采用以下三种控制模式来实现多轴伺服定位控制：

1）位置+速度控制模式

在该控制模式中，伺服电机的运行参数数据包括：目标位置、目标速度、加速、初始速度为0，该控制模式的速度（V）/位移（S）曲线如图3所示。

2）位置+速度+时间点控制模式

在该控制模式中，伺服电机的运行参数数据包括：初始速度、目标速度、加速、目标位置，该控制模式的V/T曲线、S/T曲线分别如图4A、4B所示。

3）终点位置+速度+时间点控制模式

在该控制模式中，伺服电机的运行参数数据包括：初始速度、目标速度、加速、单程终点位置，该控制模式的V/T曲线、S/T曲线分别如图5A和图5B所示。

下面说明该多轴伺服控制系统的工作原理：首先，主控制器和从控制器（每个PC机）基于CAN总线协议，将伺服电机的运行参数数据下载到相应的伺服驱动器的存储器中，例如，伺服驱动器的存储器配置100,000组运行参数数据的存储空间，每组数据占用10个字节的长度。然后相应的PC机对该参数数据进行累加和校验。在启动伺服驱动器之前还需要首先查找原点，例如，启动伺服驱动器运行程序，发送查找原点数据帧，伺服电机向上或向下缓慢运行，确定原点位置后，通过触摸开关使电机停止运行，并把原点位置通过数据帧反馈回伺服驱动器；然后，选择相应的曲线号，例如，曲线号1是一条由1028个点组成正弦曲线，选择了曲线号1就选择了该正弦曲线。当这些准备就绪后，就可等待接收相应PC机所发送的参数数据的组号。当伺服驱动器接收到来自相应PC机所发送的开始组号和结束组号，会读取伺服驱动器的存储器中所存储的相应的运行参数数据，以控制伺服电机运行，并将伺服电机的状态实时发送给相应的PC机。当伺服电机的转矩达到预设值时，伺服驱动器控制抱闸打开，并根据编码器的反馈信号，准确控制伺服电机的转速与位置。当有过载过流发生时，伺服驱动器会启动过载过流保护模块，以停止运行，并将报警信号上传给相应的PC机。当伺服电机的负载超行程时，相应的PC机会根据上限位行程开关或下限位行程开关信号停止伺服电机的运行，并发出报警信号提醒工作人员。下面是实现多轴伺服控制的部分代码：

//读取文本文档数据

CFileDialog dlg(TRUE,_T(".txt"),NULL,OFN_HIDEREADONLY | OFN_OVERWRITEPROMPT,"Data Files (*.txt)|*.txt|All Files (*.*)|*.*||")；

//数据下载到伺服驱动器内配置的存储器

for(int i = 0 ; i < datalen/8 ; i++)//一次发8字节

{

CopyMemory(sndMsg[0].data, pData+i*8,8);

for(int j = 0; j < 8; j++)//计算校验和

{

sum += sndMsg[0].data[j];

}

DelayUs(250);//延迟250us.

ret = CanSendMsg(handle[0], &sndMsg[0]);//发送数据帧

m_ProgressCtrl.StepIt(); //进度条控制

}

//运行同步数据

m_FirstIndex = m_CurArray[m_SelectGroupIndex].FirstIndex;

m_LastIndex = m_CurArray[m_SelectGroupIndex].LastIndex;

//选择的开始数据组和结束组赋值

sndMsg[0].CAN_ID = 0x80%0x7FF; //同步控制帧接收邮箱ID号

sndMsg[0].rtr = 0; // CAN卡 RTR位

sndMsg[0].len = 7; //数据帧的长度

ZeroMemory(sndMsg[0].data,8); //数据帧清零

sndMsg[0].data[0] = 0xe0;//自动循环运动模式

sndMsg[0].data[1] =(m_FirstIndex & 0x000000ff);//开始组低8位

sndMsg[0].data[2] =((m_FirstIndex & 0x0000ff00) >> 8);//开始组中8位

sndMsg[0].data[3] =((m_FirstIndex & 0x00ff0000) >> 16); //开始组高8位

sndMsg[0].data[4] = (m_LastIndex & 0x000000ff); //结束组低8位

sndMsg[0].data[5] = ((m_LastIndex & 0x0000ff00) >> 8); //结束组中8位

sndMsg[0].data[6] = ((m_LastIndex & 0x00ff0000) >> 16); //结束组高8位

int ret = CanSendMsg(handle[0], &sndMsg[0]);//启动自动运动模式控制。

本发明还构造一种魔力球矩阵，用于大型节目舞台，所述魔力球矩阵包括使用多个伺服电机控制的多个球体，例如2000个直径为15cm球体。该魔力球矩阵魔力球矩阵还包括上面任一实施例所描述的多轴伺服控制系统，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种多轴伺服控制系统，包括多个伺服电机，其特征在于，所述多轴伺服控制系统还包括主控制器和至少一个从控制器，主控制器通过以太网总线实时控制至少一个从控制器，且主控制器和至少一个从控制器均通过CAN总线来同步控制与其相连的伺服电机。

2.根据权利要求1所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，每个伺服电机都匹配有伺服驱动器，主控制器和至少一个从控制器均将其所控制的伺服电机的运行参数数据下载到相应的伺服驱动器中，然后利用同步控制帧协议通过广播的方式分别向相应的伺服驱动器发送相应参数数据的运行指令，以控制相应伺服电机的运行。

3.根据权利要求2所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，所述运行参数数据包括多个运动曲线，且每个运动曲线包括多个点，每个点包括组号、初始速度、目标速度、加减速时间、目标位置。

4.根据权利要求3所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，所发送的相应参数数据的运行指令包括开始运行的组号和结束运行的组号。

5.根据权利要求1至4任一项所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，每个伺服电机都匹配有用于实现定位的编码器。

6.根据权利要求1至4任一项所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，每个伺服电机都匹配有用于实现稳定控速的制动电阻。

7.根据权利要求1至4任一项所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，每个伺服电机都匹配有用于在启动停止时防止伺服电机的负载滑动的抱闸。

8.根据权利要求1至4任一项所述的多轴伺服控制系统，其特征在于，每个伺服电机都匹配有用于实现过载过流保护的过载过流保护模块。

9.根据权利要求1至4任一项所述的多轴伺服控制系统，其特征在于, 每个伺服电机的负载两端分别设置有上限位行程开关和下限位行程开关。

10.一种魔力球矩阵，用于节目舞台，所述魔力球矩阵包括使用多个伺服电机控制的多个球体，其特征在于，所述魔力球矩阵魔力球矩阵还包括权利要求1-9任一项所述的多轴伺服控制系统。