CN106227097A - 多总线多轴运动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多总线多轴运动控制器，具有与电源连接的MCU控制器；所述MCU控制器上接有若干双向通讯接口和总线接口；其特征在于：所述MCU控制器内嵌有单轴运动控制模块、多轴运动控制模块、电子凸轮运动控制模块和电子齿轮运动控制模块，MCU控制器与SRAM存储器、NorFlash存储器、Fram存储器双向通讯连接，MCU控制器的两个输入端上分别连接一个高速计数器，MCU控制器上连接有I/O系统。本发明使用高性能低成本的双核CPU进行数据处理。

Description

多总线多轴运动控制器

技术领域

本发明涉及运动控制器制造技术领域，特别涉及一种多总线多轴运动控制器。

背景技术

运动控制是20世纪90年代在国际上兴起的结合现代电力电子技术、计算机技术、传感器技术等进行控制系统设计的一门多学科交叉的技术，在纺织、数控机床、汽车、轻工和军事等领域应用广泛。

目前，大多数的运动控制器是一种基于PC机或工业PC机的上位控制单元，多用于控制步进电机或伺服电机，在控制过程中，控制器可以完成运动控制的所有细节(包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等)。

市场上，可以看到的运动控制器依据不同的原则有不同的分类。按照运动控制器的核心技术方案，主要有基于模拟电路型、基于微控制单元型、基于可编程逻辑性等；按照运动控制器的系统结构，可分为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器以及混合型的运动控制器；按照位置控制原理，可以分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方案；按照被控量的性质和运动控制方式，可以分为位置控制、速度和加速度控制、同步控制、力和力矩控制。

而国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类：

(1)以51单片机作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。

(2)以专用芯片(ASIC)作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，大多数工作于开环控制方式，基本满足于对单轴的点位控制。但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能够提供连续插补功能，很难满足要求。

(3)基于各类告诉总线的ARM双核为核心处理器的开放式运动控制器。近年来，ARM双核处理器将协处理器用作通信，主处理器用作逻辑运算等有了越来越多的应用。功能上，通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时插补运算、误差补偿等控制。

第一类运动控制器由于其性能的限制，主要应用于一些单轴简单运动的场合。第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额，但由于其专用芯片(ASIC)仅能提供运动控制的基本功能，限制了这种运动控制器在复杂条件的使用。第三类运动控制器是目前国内运动控制器产品的主流，应用也从传统的机床数控扩展到了如机器人控制、激光加工、纺织、电子加工等多个领域。本说明书所探讨的控制器就属于第三类控制器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种使用高性能低成本的双核CPU进行数据处理的多总线多轴运动控制器。

实现本发明目的的技术方案是：一种多总线多轴运动控制器，具有与电源连接的MCU控制器；所述MCU控制器上接有若干双向通讯接口和总线接口；所述MCU控制器内嵌有单轴运动控制模块、多轴运动控制模块、电子凸轮运动控制模块和电子齿轮运动控制模块，MCU控制器与SRAM存储器、NorFlash存储器、Fram存储器双向通讯连接，MCU控制器的两个输入端上分别连接一个高速计数器，MCU控制器上连接有I/O系统。

上述技术方案所述总线接口包括隔离型CANOPEN总线接口、EtherCAT总线接口和可选总线接口。

上述技术方案所述可选总线接口为Rtex或M-III或SSCNET-III。

上述技术方案所述隔离型CANOPEN总线接口上连接有终端电阻。

上述技术方案所述双向通讯接口包括RS232通讯接口和RS485通讯接口

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明使用高性能低成本的双核CPU进行数据处理。

(2)本发明符合IEC61131－3编程语言的可视化模块化程序，用户可以定义自己的功能和功能块，可实现复杂多样的编程。

(3)本发明内嵌功能强大的单轴/多轴运动控制算法，且符合PLCopen标准，且具有电子凸轮、电子齿轮的功能。

(4)本发明包含RS-232C、RS-485、CAN、CANopen、USB通信和EtherCAT，应用灵活，使用广泛。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的软件系统结构示意图；

图3为本发明的单轴控制的流程图；

图4为本发明的多轴控制的直线插补流程图；

图5为本发明的多轴控制的圆弧插补流程图；

图6为本发明的电子凸轮控制的流程图；

图7为本发明的电子齿轮控制的流程图；

图8为本发明的电源接口的示意图；

图9为本发明的控制器接口使用示意图；

图10为本发明的DB9的端子定义图；

图11为本发明的高速计数器接口的示意图；

具体实施方式

(实施例1)

见图1至图3，本发明为一种多总线多轴运动控制器，具有与电源1连接的MCU控制器2；所述MCU控制器2上接有若干双向通讯接口和总线接口；所述MCU控制器2内嵌有单轴运动控制模块、多轴运动控制模块、电子凸轮运动控制模块和电子齿轮运动控制模块，MCU控制器2与SRAM存储器3、NorFlash存储器4、Fram存储器5双向通讯连接，MCU控制器2的两个输入端上分别连接一个高速计数器6，MCU控制器2上连接有I/O系统7。

所述总线接口包括隔离型CANOPEN总线接口8、EtherCAT总线接口9和可选总线接口10。

所述可选总线接口10为Rtex或M-III或SSCNET-III。

所述隔离型CANOPEN总线接口8上连接有终端电阻。

所述双向通讯接口包括RS232通讯接口11和RS485通讯接口12。

电源1请使用DC12V供电，建议使用储能设备，电源1接口为2位端子。具体连接方式如图8：

CAN接口使用的是隔离模块，可以用于通用CAN协议、CANopen协议，CANLINK协议，翔云定义协议以及客户自定义协议，根据CAN通信的特点，已加终端电阻(120欧姆)。

控制器接口使用如图9所示接口，CAN通信接口为3位端子。

RS232/RS485通信可以用于连接上位系统，且RS232用于PLC程序下载调试接口。其控制器接口使用的是DB9的端子。其定义如图10。

RS232通信

使用MODBUS_RTU通信协议进行通信，大端模式，通信配置如下：

使用DB9的2、3、5号引脚，其中2脚为接收，3脚为发送，5脚为地。

RS485通信

使用MODBUS_RTU通信协议进行通信，大端模式，通信配置如下：

使用DB9的7、8号引脚，其中7脚为485-B，8脚为485-A。

EtherCAT/MODBUS_TCP通信：EtherCAT通信，主要用于EtherCAT主站控制，使用控制器中RJ45接口。

MODBUS_TCP通信，大端模式，使用控制器中RJ45接口。

高速计数器接口：可以接收300K左右的AB相信号、正负脉冲信号以及脉冲+方向信号。具体的接口定义如图11：

本发明能支持多种现场总线通信协议：

(1)标配控制用网络EtherCAT

本发明的控制器标配EtherCAT通信主站功能端口。

EtherCAT是以Ethernet系统为基础，实现更高速、更高效通信的高性能工业网络系统。各节点以高速传送以太网帧，因此可实现较短固定周期的通信周期。

标配控制用网络EtherCAT，可在单一网络内连接控制器所需的I/O系统、伺服驱动器、变频器等设备。

(2)标配CANopen总线

本发明的控制器可配CANopen总线。

(3)标配RS232/RS485通信

可以通过RS232/RS485连接上位控制系统。

(4)可配三菱SSCNET3现场总线

本发明的控制器可以配置三菱公司的SSCNET3现场总线。

SSCNET3是三菱公司自己的现场总线，光纤通信，速度可以达到100M，通信速度快，稳定可靠。在使用三菱伺服驱动器的时候比较方便。

(5)可配安川MechatrolinkⅢ现场总线

本发明的控制器可以配置安川公司的MechatrolinkⅢ现场总线

MechatrolinkⅢ是安川公司自己开发的现场总线，速度可以达到100M，通信速度快，稳定可靠，可以连接所需的安川产品。

(6)可配松下RTEX现场总线

本发明的控制器可以配置松下公司的RTEX现场总线

RTEX是松下公司自己开发的现场总线，是基于以太网硬件的一种现场总线，速度可以达到100M，通信速度快，稳定可靠，可以连接所需的松下产品。

本发明的控制器符合PLCopen协会的IEC 61131-3编程语言标准和Part1、Part2运动控制标准：

(1)支持编程语言

支持IL、ST、LD、FBD、SFC五种语言编程。

多总线多轴运动控制器是以LPC43xx系列的处理器为控制单元核心，充分发挥了处理器实时数据采集能力和双核处理器的特征，即以Cortex-M4为核心的主处理器主要处理一些逻辑运算，以Cortex-M0为核心的协处理器主要处理一些通信事务。该控制器具备DSP以及浮点运算指令，主频可达204MHZ。同时，可以配置使用四种高速总线，从而适应多品牌的伺服电机。这四种总线的规格如下：EtherCAT总线，100MHZ；2、三菱SSCNET3H高速150MHZ；3、MECHATROLINK-III总线,100MHZ4、RTEX 100MHZ。上述四种总线在通信周期设定为1毫秒的情况下，都可以实现16个轴的高速、高精度的同步控制。

除此之外，控制器附带的CAN口可实现CANOPEN总线的控制。该产品属于经济型的一体化运动控制器，自带几十个点的数字量IO，并配有RS232接口、隔离型RS485接口、隔离型CAN接口，2路200KHZ高速计数器，1路1MHZ高速脉冲发生器，内嵌符合IEC61131-3的软PLC，可为客户提供定制化的功能模块，也适合客户应用的二次开发。

运动控制模块：判断运动控制方式，分为单轴控制、多轴控制、电子凸轮控制和电子齿轮控制。

单轴控制：只对一个轴进行控制，主要有按绝对位置进行运动控制，具体的流程图如图3：其步骤包括

步骤1：启动控制器运行，

步骤2：检测参数，规划曲线；

步骤3：根据规划加速运动；

步骤4：根据规划匀速运动；

步骤5：根据规划减速运动；

步骤6：到达设定位置后结束。

多轴控制：主要是对二个轴的控制，包括二轴的直线插补，圆弧插补。

直线插补时序图如图4；其步骤包括

步骤1：启动控制器运行，

步骤2：判断二轴参数，规划曲线；

步骤3：根据规划加速插补运动；

步骤4：根据规划匀速插补运动；

步骤5：根据规划减速插补运动；

步骤6：到达设定位置后结束。

圆弧插补时序图如图5；其步骤包括

步骤1：启动控制器运行，

步骤2：判断二轴参数，规划弧度及弧长；

步骤3：根据规划加速插补运动；

步骤4：根据规划匀速插补运动；

步骤5：根据规划减速插补运动；

步骤6：到达设定位置后结束。

电子凸轮：从轴跟随主轴，根据电子凸轮表进行运动控制，具体时序图如图6；其步骤包括

步骤1：启动控制器运行，

步骤2：判断主从轴参数，读取选择凸轮表数据，规划最优曲线；

步骤3：根据规划插补，进入凸轮运动；

步骤4：根据主轴香味，查表运动；

步骤5：到达凸轮表结束位置，是否重复；是，则返回步骤4，否则结束。

电子齿轮：从轴根据设置的齿轮比，跟随主轴运动，如图7，其步骤包括

步骤1：启动控制器运行，

步骤2：判断二轴参数，规划曲线；

步骤3：根据规划加速，进入齿轮运动；

步骤4：根据主轴速度等比运动；

步骤5：主轴停止结束运动后退出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多总线多轴运动控制器，具有与电源连接的MCU控制器；所述MCU控制器上接有若干双向通讯接口和总线接口；其特征在于：所述MCU控制器内嵌有单轴运动控制模块、多轴运动控制模块、电子凸轮运动控制模块和电子齿轮运动控制模块，MCU控制器与SRAM存储器、NorFlash存储器、Fram存储器双向通讯连接，MCU控制器的两个输入端上分别连接一个高速计数器，MCU控制器上连接有I/O系统。

2.根据权利要求1所述的多总线多轴运动控制器，其特征在于：所述总线接口包括隔离型CANOPEN总线接口、EtherCAT总线接口和可选总线接口。

3.根据权利要求2所述的多总线多轴运动控制器，其特征在于：所述可选总线接口为Rtex或M-III或SSCNET-III。

4.根据权利要求2所述的多总线多轴运动控制器，其特征在于：所述隔离型CANOPEN总线接口上连接有终端电阻。

5.根据权利要求1所述的多总线多轴运动控制器，其特征在于：所述双向通讯接口包括RS232通讯接口和RS485通讯接口。