CN103246253A - 无线网络下的多电机分布式控制系统及多电机分布式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络下多电机分布式控制系统，工控机系统通过无线网络与各电机驱动系统进行信息交换，每个电机驱动系统皆由DSP模块、FPGA模块和EtherCAT接口组成，EtherCAT接口辅助实现工控机系统与电机驱动系统之间和各电机驱动系统相互之间的快速信息交换。本发明还公开了一种多电机分布式控制方法，即工控机系统启动后激活各个电机驱动系统，FPGA模块和DSP模块分析控制信息后使电机实现所需的运转。本发明的电机驱动系统通过无线网络交换控制命令和电机状态等信息，针对复杂的多电机大系统可以有效地降低系统构建的复杂程度、提高系统稳态精度和鲁棒性，并根据实际需要动态匹配、优化系统结构和控制性能。

Description

无线网络下的多电机分布式控制系统及多电机分布式控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统和电极控制方法，特别是涉及一种多电机分布式控制的系统和方法，应用于电机控制技术领域。

背景技术

电动机控制技术是伺服驱动控制的核心。从发展的历程来看，电动机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、微型计算机以及控制理论的发展密切相关。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。

近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的DSP和FPGA芯片，能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制。 同时，现场总线技术和工业以太网技术快速发展，并因其具有灵活的控制方式、信息共享和低成本等特点，被广泛应用于复杂的控制系统中，构成网络化运动控制系统结构。

传统的运动控制系统运动自由度有限，一般由一个控制器控制有限多个驱动器和电机即可满足要求，一般一般由一个控制器控制的电机数目小于8个，且运动控制系统结构固定，因此通常采用有线连接方式进行系统测控信息传递。但随着运动控制系统复杂程度增加、运动部件增多，复杂系统的控制轴数目可能非常多，甚至达到上百个,并且当运动控制系统的拓扑结构存在经常变动的可能性时，传统运动控制系统很难适应上述要求，即使采用总线方式，其系统仍会过于复杂而难以保证系统可靠性。

而集中式的网络化控制结构可靠性高，但具有固定的网络结构使其不易扩展，并且对网络带宽也有较高的要求。与之相反，采用分布式网络控制结构而可方便扩展，控制系统灵活性增强，对网络带宽的要求也有所降低。而且在多轴运动控制场合，比如印刷机械、包装机械等领域，随着轴数的增多，集中式的控制结构己经不能适应控制要求。

目前，将运动控制技术、嵌入式技术与网络技术结合还未见文献报道，基于无线网络的嵌入式运动控制技术研究，在国内外尚处于研究阶段，各方面的性能尚不够稳定和成熟。对于运动控制系统所采用的主流技术一般是基于DSP+FPGA结构，充分利用DSP在实现复杂运动控制算法的强大能力和FPGA高速的逻辑处理能力，还主要是单纯构建运动控制系统的运动控制器。EtherCAT作为一种高速高实时性的工业以太网协议技术，目前己成为工控领域的主流，深入研究EtherCAT网络通信技术并将其引进运动控制系统并构建新一代无线网络运动控制系统具有重要的研究意义和实用价值，但当前在多电机分布式控制系统中还未引入。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种无线网络下的多电机分布式控制系统及多电机分布式控制方法，电机驱动系统通过无线网络交换控制命令和电机状态等信息，针对复杂的多电机大系统可以有效地降低系统构建的复杂程度、提高系统稳态精度和鲁棒性，并且易于在线修改系统拓扑结构，并可以根据实际需要动态匹配、优化系统结构和控制性能。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种无线网络下的多电机分布式控制系统，包括工控机系统、电机驱动系统和电机系统，工控机系统分别通过控制独立的电机驱动系统，对各自独立的电机系统进行驱动控制，电机系统包括电机和电机监测系统，工控机系统通过无线网络与各电机驱动系统进行信息交换，每个电机驱动系统皆由DSP模块、FPGA模块和EtherCAT接口依次串联组成信道系统，并形成DSP+FPGA的运动控制系统结构，EtherCAT接口辅助实现工控机系统与电机驱动系统之间和各电机驱动系统相互之间的快速信息交换，工控机系统通过无线网络分别与各电机驱动系统的EtherCAT接口信号连通，在独立的电机驱动系统中，EtherCAT接口与FPGA模块之间、FPGA模块与DSP模块之间的信息交换皆为双工模式，DSP模块与电机系统直接进行信息交换，工控机系统发出的指令信息经过无线网络传递至各个电机驱动系统的EtherCAT接口，EtherCAT接口将指令信息传递至FPGA模块进行分析，在传递至DSP模块进行分析解释后，形成针对电机的启动暂停请求和任务的控制信息，直接向电机系统发送，使电机实现所需的运转，或者使各个电机互相协调共同完成目标运动，各电机监测系统将对应测量采集各个电机的实时运转信息向电机驱动系统反馈信息，再依次经过DSP模块和FPGA模块，从EtherCAT接口通过无线网络汇集反馈到工控机系统，工控机系统对反馈信息进行审核和判断，在工控机系统确认错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环，或在工控机系统否认错误控制信息后发送控制信息审核报告使各个电机驱动系统继续传递控制信息完成控制循环。

本发明还通过一种利用本发明的无线网络下的多电机分布式控制系统的多电机分布式控制方法，具体为：工控机系统启动后激活各个电机驱动系统，使各个电机驱动系统进入等待命令状态，各个电机系统将电机的等待状态反馈至电机驱动系统，电机驱动系统再将获得信息反馈至工控机系统和已连接的其他驱动系统，工控机系统处理并呈现、存储所获得信息，电机驱动系统处理并选择性储存获得信息；当电机运转的目标控制方案由工控机系统规划成功后，工控机系统将各个电机的控制信息通过无线网络再经由EtherCAT接口发送至各个电机驱动系统，在电机驱动系统中，FPGA模块分析并分享获得的控制信息；当各个电机驱动系统中的FPGA模块分析显示控制信息完整、可靠后， FPGA模块传达控制信息至所在电机驱动系统中的DSP模块，DSP模块分析解释控制信息后，直接向与之连接的电机系统发送控制命令，使电机实现所需的运转，或者驱动各个电机共同完成目标运动；当电机驱动系统中的FPGA模块分析显示控制信息不完整或错误后，FPGA模块通过对应的EtherCAT接口经由无线网络向工控机系统发送控制信息报告，并等待工控机系统给予确认或否认，在工控机系统确认错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环；而在工控机系统否认错误控制信息后，工控机系统经由无线网络，再通过EtherCAT接口向对应的FPGA模块发送控制信息审核报告，继续传递控制信息完成控制循环。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 易于组网，对于电机数量多、结构复杂的多电机系统和拓扑结构变动频繁的复杂运动控制系统，基于无线网络的实时控制系统易于实现，可以有效降低系统构建的复杂程度，提高系统可靠性；

2. 运算迅速，实时性好，控制系统的各个部分之间均通过EtherCAT协议工业标准以太网连接，该通讯技术在数据链路层采用了实时调度的软件核，并采用了过程数据传输的独立通道，提高了整个控制系统的实时性，并且该通讯技术具有灵活的拓扑结构选择；

3. 并行控制，协调性好，控制系统的各个驱动系统之间在进行高速信息交换的前提下对各个负责的电机进行独立控制，这样既保证了独立控制过程中稳定性和有效性，又充分发挥了各个驱动系统的实时控制作用实现更好更有效的协调运作；

4. 模块封装，互换性好，控制系统的各个部分可以相互通讯但是独立运行，当其中的某个或者某些子控制系统失效或故障时不影响控制系统中其他子系统的正常运转。同时，该互换性允许根据实际需要调整控制系统中子系统的性能与数量。

附图说明

图1为本发明优选实施例无线网络下的多电机分布式控制系统结构示意图。

图2为本发明优选实施例的独立的电机驱动系统的控制系统原理图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

在本实施例中，参见图1和图2，1. 一种无线网络下的多电机分布式控制系统，包括工控机系统1、电机驱动系统2和电机系统3，工控机系统1分别通过控制独立的电机驱动系统2，对各自独立的电机系统3进行驱动控制，电机系统3包括电机和电机监测系统，工控机系统1通过无线网络与各电机驱动系统2进行信息交换，每个电机驱动系统2皆由DSP模块5、FPGA模块4和EtherCAT接口6依次串联组成信道系统和组成的硬件平台和置于硬件平台上的软件部分，并形成DSP+FPGA的运动控制系统结构，EtherCAT接口6辅助实现工控机系统1与电机驱动系统2之间和各电机驱动系统2相互之间的快速信息交换，工控机系统1通过无线网络分别与各电机驱动系统2的EtherCAT接口6信号连通，在独立的电机驱动系统2中，EtherCAT接口6与FPGA模块4之间、FPGA模块4与DSP模块5之间的信息交换皆为双工模式，DSP模块5与电机系统3直接进行信息交换，工控机系统1发出的指令信息经过无线网络传递至各个电机驱动系统2的EtherCAT接口6，EtherCAT接口6将指令信息传递至FPGA模块4进行分析，在传递至DSP模块5进行分析解释后，形成针对电机的启动暂停请求和任务的控制信息，直接向电机系统3发送，使电机实现所需的运转，或者使各个电机互相协调共同完成目标运动，各电机监测系统将对应测量采集各个电机的实时运转信息向电机驱动系统2反馈信息，再依次经过DSP模块5和FPGA模块4，从EtherCAT接口6通过无线网络汇集反馈到工控机系统1，工控机系统1对反馈信息进行审核和判断，在工控机系统1确认错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环，或在工控机系统1否认错误控制信息后发送控制信息审核报告使各个电机驱动系统2继续传递控制信息完成控制循环。

在本实施例中，驱动系统使用无线网络和EtherCAT实时以太网通讯协议作为信息交换途径。采用分布式系统控制方法以确保各个控制单元之间、控制单元和设备之间通讯的可靠性与实时性，并具备时间驱动机制和事件驱动机制等多种驱动机制协同工作的特点。工控机系统1为配备有便捷的输入终端和监视终端的高级人机接口，工控机系统1可以通过无线网络连接至各个电机驱动系统2，工控机系统1可以直接通过无线网络向各个电机驱动系统2发送控制命令、实时搜集反馈信息并整理处理获得信息，工控机系统1直接通过无线网络与电机驱动系统2进行信息交换。在本实施例中，电机驱动系统2主要由DSP模块5和FPGA模块4组成，并包括多个用于无线网络连接的EtherCAT接口6；FPGA模块4主要负责与工控机系统之间进行信息交换，实时收集并反馈各个电机驱动系统2之间的信息交换，以及进行与DSP模块5之间的信息交换；DSP模块5主要负责与FPGA模块4的信息交换并直接向电机发送控制命令；DSP模块5和FPGA模块4之间通过并口直接连接以实现高速信息交换。各个硬件都配有EtherCAT接口6并且相互之间通过工业标准以太网连接；EtherCAT接口6可以辅助实现工控机系统1与电机驱动系统2之间和各电机驱动系统2相互之间的快速信息交换。电机与监测系统直接接收来自驱动系统中DSP的控制命令；电机系统3实时监测电机的实际运转情况，并通过EtherCAT接口6将获得信息实时反馈至所连接电机驱动系统2。在本实施例中，采用无线网络构建测控信息传递通道,并采用分布式网络控制结构构建多电机控制系统,可以降低控制系统硬件组成难度，而可方便扩展，控制系统灵活性增强，使用分布式无线网络控制结构成为多轴控制系统的重要发展方向和必然趋势。

在本实施例中，无线网络下的多电机分布式控制系统采用性能与稳定性兼备的高级工业计算机或控制器；在条件有限的情况下，使用一个带有标准网卡的PC机或独立开发的控制器亦可。

本实施例的工作原理是：

工控机系统1启动后激活驱动系统2，各个电机驱动系统2进入等待命令状态，各个电机系统3将电机的等待状态反馈至电机驱动系统2，电机驱动系统2将获得信息反馈至工控机系统1和已连接的其他电机驱动系统2，工控机系统1处理并呈现、存储所获得信息，电机驱动系统2处理并选择性储存获得信息；当目标控制方案由工控机系统1规划成功后，工控机系统1将各个电机的控制信息通过EtherCAT接口6连接实现的EtherCAT工业标准以太网发送至各个电机驱动系统2，在电机驱动系统2中，FPGA模块4分析并分享获得的控制信息至已连接的电机驱动系统2；当各个电机驱动系统2的FPGA模块4分析显示控制信息完整、可靠后，各个FPGA模块4传达控制信息至所在电机驱动系统2的DSP模块5，DSP模块5分析解释控制信息后直接向连接的电机系统3发送控制命令，使电机实现所需的运转，各个电机共同完成目标运动；当各个电机驱动系统2的FPGA模块4分析显示控制信息不完整或错误后，FPGA模块4通过EtherCAT工业标准以太网向工控机系统1发送控制信息报告并等待工控机系统1给予确认或否认，在工控机系统1确认错误控制信息后重新发送控制信息重复以上控制循环；工控机系统1否认错误控制信息后通过EtherCAT工业标准以太网向各个电机驱动系统2发送控制信息审核报告使各个FPGA模块4继续传递控制信息完成控制循环。

具体地，在本实施例中，无线网络下的多电机分布式控制系统的电机驱动系统2采用DSP+FPGA的形式，利用DSP具有软件的灵活性和FPGA具有硬件的高速性，DSP作为主处理器，实现复杂的运动控制算法，而FPGA作为协处理器，主要实现运动控制接口扩展和部分控制算法，其中，DSP选用TI公司定点型DSP TMS320F2812，FPGA选用Altera公司的CYCLONE Ⅱ EP2C8处理器，整个电机驱动系统2完成全部的运动控制功能，包括脉冲量输出、模拟量输出、编码器信号输入、专用IO和通用IO。驱动系统利用德国BECKHOFF公司的ET1100芯片设计EtherCAT工业标准以太网接口。

在系统启动阶段，工控机系统1启动，并发出信号激活控制系统，各个电机驱动系统2接收信号后进入等待命令状态，同时各个电机系统3将电机的等待状态反馈至电机驱动系统2，电机驱动系统2将获得信息反馈至工控机系统1和已连接的其他驱动系统；在工控机系统1端可以呈现启动状态时各个电机驱动系统2和电机的等待状态。

在系统运行阶段，工控机系统1计算并规划控制方案，工控机系统1将各个电机的控制信息通过ET1100发送至各个电机驱动系统2，CYCLONE Ⅱ EP2C8分析并分享获得的控制信息至已连接的电机驱动系统2，CYCLONE Ⅱ EP2C8分析显示控制信息完整、可靠后传达控制信息至所在电机驱动系统2的TMS320F2812，TMS320F2812分析解释控制信息后直接向连接的电机系统3发送控制命令使电机实现所需的运转，或者各个电机共同完成目标运动。CYCLONE Ⅱ EP2C8分析显示控制信息不完整或错误后，通过ET1100向工控机系统1发送控制信息报告并等待工控机系统1给予确认或否认，在工控机系统1确认错误控制信息后重新发送控制信息重复以上控制循环；工控机系统1否认错误控制信息后通过EtherCAT工业标准以太网向各个电机驱动系统2发送控制信息审核报告，使各个CYCLONE Ⅱ EP2C8继续传递控制信息完成控制循环。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明无线网络下的多电机分布式控制系统及多电机分布式控制方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无线网络下的多电机分布式控制系统，包括工控机系统（1）、电机驱动系统（2）和电机系统（3），其特征在于：所述工控机系统（1）分别通过控制独立的所述电机驱动系统（2），对各自独立的所述电机系统（3）进行驱动控制，所述电机系统（3）包括电机和电机监测系统，所述工控机系统（1）通过无线网络与各所述电机驱动系统（2）进行信息交换，每个所述电机驱动系统（2）皆由DSP模块（5）、FPGA模块（4）和EtherCAT接口（6）依次串联组成信道系统，并形成DSP+FPGA的运动控制系统结构，所述EtherCAT接口（6）辅助实现工控机系统（1）与电机驱动系统（2）之间和各电机驱动系统（2）相互之间的快速信息交换，所述工控机系统（1）通过无线网络分别与各所述电机驱动系统（2）的所述EtherCAT接口（6）信号连通，在独立的所述电机驱动系统（2）中，所述EtherCAT接口（6）与所述FPGA模块（4）之间、所述FPGA模块（4）与所述DSP模块（5）之间的信息交换皆为双工模式，所述DSP模块（5）与所述电机系统（3）直接进行信息交换，所述工控机系统（1）发出的指令信息经过无线网络传递至各个所述电机驱动系统（2）的所述EtherCAT接口（6），所述EtherCAT接口（6）将指令信息传递至所述FPGA模块（4）进行分析，在传递至所述DSP模块（5）进行分析解释后，形成针对电机的启动暂停请求和任务的控制信息，直接向电机系统（3）发送，使电机实现所需的运转，或者使各个电机互相协调共同完成目标运动，各所述电机监测系统将对应测量采集各个所述电机的实时运转信息向所述电机驱动系统（2）反馈信息，再依次经过所述DSP模块（5）和所述FPGA模块（4），从所述EtherCAT接口（6）通过无线网络汇集反馈到所述工控机系统（1），所述工控机系统（1）对反馈信息进行审核和判断，在所述工控机系统（1）确认错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环，或在所述工控机系统（1）否认错误控制信息后发送控制信息审核报告使各个所述电机驱动系统（2）继续传递控制信息完成控制循环。

2.一种利用权利要求1所述的无线网络下的多电机分布式控制系统的多电机分布式控制方法，其特征在于：

工控机系统启动后激活各个电机驱动系统，使各个电机驱动系统进入等待命令状态，各个电机系统将电机的等待状态反馈至电机驱动系统，电机驱动系统再将获得信息反馈至工控机系统和已连接的其他驱动系统，工控机系统处理并呈现、存储所获得信息，电机驱动系统处理并选择性储存获得信息；

当电机运转的目标控制方案由工控机系统规划成功后，工控机系统将各个电机的控制信息通过无线网络再经由EtherCAT接口发送至各个电机驱动系统，在电机驱动系统中，FPGA模块分析并分享获得的控制信息；

当各个电机驱动系统中的FPGA模块分析显示控制信息完整、可靠后， FPGA模块传达控制信息至所在电机驱动系统中的DSP模块，DSP模块分析解释控制信息后，直接向与之连接的电机系统发送控制命令，使电机实现所需的运转，或者驱动各个电机共同完成目标运动；

当电机驱动系统中的FPGA模块分析显示控制信息不完整或错误后，FPGA模块通过对应的EtherCAT接口经由无线网络向工控机系统发送控制信息报告，并等待工控机系统给予确认或否认，在工控机系统确认错误控制信息后重新发送控制信息重复控制循环；

而在工控机系统否认错误控制信息后，工控机系统经由无线网络，再通过EtherCAT接口向对应的FPGA模块发送控制信息审核报告，继续传递控制信息完成控制循环。

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