CN106411184B - 一种网络化的多轴电机同步控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络化的多轴电机同步控制装置及方法，其装置包括脉冲采集模块、控制器模块、同步串行差分总线、多轴模块、伺服电机驱动模块和人机交互模块；通过包括脉冲采集模块采集主令电机输出的脉冲信号经过光电隔离处理后发送到控制器模块，控制器模块对接收到的脉冲信号进行周期性的采样计数，将脉冲数通过同步串行差分总线发送给多轴模块，多轴模块根据当前的数据帧以及从动电机的反馈脉冲信号生成PWM控制信号；本发明提供的网络化的多轴电机同步控制装置结构简单，实现了通过网络对多轴电机的高精度同步控制，以及现场数据的远程监控。

Description

一种网络化的多轴电机同步控制装置及方法

技术领域

本发明属于电机同步技术领域，更具体地，涉及一种网络化的多轴电机同步控制装置及方法。

背景技术

工业控制系统逐渐由连续控制系统过渡到离散的控制系统；离散控制系统能够进行精确快速的计算，而且通用性较连续控制系统好，使用简单，便于修改。现有的电机同步控制技术为了保证电机的同步性多采用本地控制，在现场进行控制系统的相关信息处理和显示，不能满足通过网络实现管理层远程对现场信息进行监视和控制的需求；并且在电机的同步控制中只考虑了主令电机与从动电机之间的高精度同步而未涉及从动电机组内部各从动电机之间的同步。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种网络化的多轴电机同步控制装置及方法，其目的在于实现网络化的多轴电机同步控制，由此解决无法远程同步监控的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种网络化的多轴电机同步控制装置，包括脉冲采集模块、控制器模块、多轴模块和伺服电机驱动模块；所述控制器模块与多轴模块之间通过同步串行差分总线连接；

脉冲采集模块的输入端用于连接外部主令电机；控制器模块的第一端与脉冲采集模块的输出端相连，第二端用作该网络化的多轴电机同步控制装置与工业以太网相连的接口，第三端与同步串行差分总线相连；多轴模块的一端通过同步串行差分总线接口与同步串行差分总线相连，另一端通过I/O接口与伺服电机驱动模块相连；

其中，脉冲采集模块用于采集主令电机运转过程中的主令电机转子角度信息，并对该角度信号进行数字滤波、光电隔离，生成角度编码信号；

控制器模块用于根据系统状态配置对角度编码信号进行采样、运算，获多轴控制信号；其中，运算是指将当前控制周期采样获得的脉冲数减去前一控制周期采样获得的脉冲数，将的到的差值乘上比例因子后加上系统的修正量，获得多轴控制信号；

多轴模块用于根据多轴控制信号生成方向信号和脉冲数信号；

伺服驱动模块用于对方向信号和脉冲数信号进行转换，生成子方向信号和子脉冲数信号；通过该子方向信号和子脉冲数信号，驱动控制外部从动电机组，实现主令电机与从动电机组的同步，以及从动电机组内各从动电机间的同步；

外部从动电机组在子方向信号和子脉冲数信号的作用下控制其各从动电机转子的运动；多轴模块根据各从动电机转子的角度信息获取从动电机的位置反馈信息并发送到控制器模块，在控制器模块编码形成以太网数据包；用户可根据该以太网数据包解析获取系统的状态和参数。

优选的，上述网络化的多轴电机同步控制装置，还包括人机交互模块，人机交互模块与控制器模块通过标准工业以太网进行通信；外部远程PC机监视模块、外部PLC控制器均可通过标准工业以太网与该网络化的多轴电机同步控制装置进行通信；

人机交互模块用于周期性的查询外部PLC控制器，获取系统的状态信息和参数信息并显示；用户通过人机交互模块监控系统状态和参数，并在输入的脉冲数和多轴模块的产生脉冲数不相等时调整主令电机的减速比参数和前馈参数，以提高系统对交流伺服电机组的同步控制精度。

优选的，上述网络化的多轴电机同步控制装置，其控制器模块与多轴模块之间采用主从式通讯，每次通讯由控制器模块发起，由多轴模块响应结束；控制器模块与多轴模块间通信的数据帧包括8比特的地址位、8比特的命令位、16比特的数据位，16比特的帧校验位；

其中，地址位用于指示多轴模块的地址，它定义了一个广播地址用于对所有的多轴模块进行广播；广播地址中所有的位为二进制的全1；当地址位不为全1时表示一个多轴模块的地址；命令位用于区分帧的类型，控制系统的数据帧包括两类：参数设置帧和控制命令帧；当命令位表示数据位为参数设置帧，则表示数据位内容为初始化多轴模块的参数，当命令位表示数据位为控制命令帧，则表示数据位内容为控制从动电机的控制信号；数据位填充的内容是与命令位相对应的控制数据，表示从动电机的控制信号或者拟设置参数的初始值；帧校验位是对整个数据帧的校验码，该校验码在控制器模块中生成，通过同步串行差分总线传输后在多轴模块中校验，以消除网络传输错误的干扰。优选的，上述网络化的多轴电机同步控制装置，其控制器模块与多轴模块之间的通信协议具体为：

控制器模块发送参数设置帧到多轴模块，多轴模块根据所述参数设置帧进行参数设置并向控制器模块反馈响应参数设置帧，实现对多轴模块的参数初始化；所述参数设置帧的命令位填充的是参数的类型，数据位填充的是参数的值，地址位和数据帧校验位分别填入地址和帧校验值；所述响应参数设置帧中，命令位填充的是参数类型，数据位填充的是参数是否设置成功的标识，地址位和数据帧校验位分别填写地址和数据帧校验值；

初始化之后，控制器模块发送控制命令帧到多轴模块；多轴模块根据所述控制命令帧控制伺服电机运转并向控制器模块反馈响应控制命令帧；所述控制命令帧的命令位填充的是系统状态，数据位填充的是控制量，地址位和校验位填充的是地址和校验值；所述响应控制命令帧中，命令位填充的是系统状态，数据帧中数据位填充的是标志位，所述标志位指示控制量设置是否成功。

按照本发明的另一方面，基于上述网络化的多轴电机同步控制装置，提供了一种网络化的多轴电机同步控制方法，包括如下步骤：

(1)采集主令电机的转子角度信息，并对该角度信息进行数字滤波、光电隔离处理，生成角度编码信号；

(2)对上述角度编码信号进行周期性的计数，并在每个计数周期内进行差值修正运算获得多轴控制信号；

(3)通过多轴模块根据多轴控制信号生成PWM信号控制伺服电机的运转，通过伺服电机驱动从动电机组。

优选地，上述网络化的多轴电机同步控制方法，其差值修正运算是指将当前控制周期的脉冲数减去前一控制周期的脉冲数，将得到的差值乘上比例因子后加上修正值，获得多轴控制信号。

优选地，上述网络化的多轴电机同步控制方法，根据从动电机组内各从动电机转子的角度信息获取各交流伺服电机的位置信息，将该位置信息与多轴控制信号相减获得修正值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的网络化的多轴电机同步控制装置及方法，采用控制器模块加多轴模块的硬件架构，控制器模块根据主令电机角度信号以及当前的系统的状态，计算获取多轴控制信号；由多轴模块根据多轴控制信号生成相应的脉冲；控制器模块与多轴模块分离、两者之间通过同步串行差分总线通信实现了对主令电机与从动电机组、以及从动电机组内部电机之间的同步控制；

(2)本发明提供的网络化的多轴电机同步控制装置及方法，通过对控制器模块与多轴模块间通信的信息进行编码获得以太网数据帧、设置通信协议，并通过工业以太网总线实现该同步控制装置与外部PLC控制器、远端PC机监控模块的通信；可对系统状态以及系统参数进行远程获取和设置，实现了网络化的同步控制；

(3)本发明提供的网络化的多轴电机同步控制装置及方法，其控制器模块采用前馈算法获取修正值，根据该修正值对来自主令电机的脉冲数进行修正，生成多轴控制信号，实现了电机同步控制、系统状态信息监视和从动电机组内部电机间的高精度同步。

附图说明

图1是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置的总体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置的控制器模块的功能与接口结构示意图；

图3是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置的多轴模块的接口结构示意图；

图4是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置的控制器模块与多轴模块间通讯的数据帧格式示意图；

图5是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置同步串行差分总线上的通讯协议示意图；其中，图5(a)是参数设置帧，图5(b)是控制命令帧；

图6是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制方法的流程；其中，图6(a)是同步控制主流程，图6(b)是中断流程。

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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置，其系统框图如图1所示意的，具体包括脉冲采集模块、控制器模块、多轴模块、伺服电机驱动模块和人机交互模块；

控制器模块与多轴模块之间通过同步串行差分总线连接，保证控制器模块与多轴模块之间数据交互的实时性，实现同步控制；

外部PLC控制器与网络化的多轴电机同步控制装置通过标准工业以太网连接；人机交互模块和外部远程PC机监视模块也挂在该工业以太网上；

通过工业以太网技术将外部远程PC机监视模块，外部PLC控制器、人机界面模块与网络化的多轴电机同步控制装置的控制器模块连接起来，实现上述模块之间的数据通讯，以实现对网络化的多轴电机同步控制装置的系统参数的配置、用户对系统参数的监控；控制器模块在对主令电机脉冲进行计数时，通过工业以太网将控制器模块和多轴模块的状态信息上传到远程PC监视模块、本地的PLC控制器和人机交互模块；其中，状态信息包括电机的运转状态比如停止、基速和跟踪的状态，以及电机运转的周数。

脉冲采集模块的输入端用于连接主令电机；控制器模块的第一端与脉冲采集模块的输出端相连，第二端用作该网络化的多轴电机同步控制装置与工业以太网相连的接口，第三端与同步串行差分总线相连；多轴模块的一端通过同步串行差分总线接口与同步串行差分总线相连，另一端通过I/O接口与伺服电机驱动模块相连。

通过上述网络化的多轴电机同步控制装置，实现对主令电机与从动电机组间精准的同步控制，以及从动电机组内从动电机1、从动电机2、…、从动电机n间的高精度同步控制。

本实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置，其系统状态和参数可通过外部PLC控制器进行灵活配置；外部PLC控制器通过工业以太网控制主令电机的运转；脉冲采集模块用于采集主令电机运转过程中的主令电机转子角度信息，并对该角度信号进行数字滤波、光电隔离处理，生成角度编码信号；

控制器模块作为逻辑控制与数据运算核心，用于根据外部PLC控制器配置的系统状态对角度编码信号进行采样，将采样获得的当前控制周期得到的脉冲数根据前馈算法进行修正，生成多轴控制信号；

其中，修正处理具体是指用当前控制周期的脉冲数减去前控制一周期的脉冲数的差值乘上比例因子，再加上修正值的运算；

多轴模块根据多轴控制信号生成方向信号和脉冲数信号；

伺服驱动模块对方向信号和脉冲数信号进行转换，生成子方向信号和子脉冲数信号；通过该子方向信号和子脉冲数信号，驱动控制外部从动电机组。

本实施例中，从动电机组由交流伺服电机1、交流伺服电机2、…、交流伺服电机n构成；从动电机组在子方向信号和子脉冲数信号的作用下控制各交流伺服电机转子的运动；多轴模块根据各交流伺服电机转子的角度信息获取各交流伺服电机的位置反馈信息并发送到控制器模块，在控制器模块编码形成以太网数据包；通过工业以太网发送到外部PLC控制器；外部远程PC机监视模块从PLC控制器获取以太网数据包并解析，获取系统的状态和参数；通过人机界面模块周期性的查询PLC控制器，获取系统的状态信息和参数信息并显示；用户通过人机交互模块监控系统状态和参数，并在输入的脉冲数和多轴模块的产生脉冲数不相等时对减速比参数和前馈参数进行调整；以提高系统对交流伺服电机组的同步控制精度。

实施例中，主令电机和从动电机组的电机转子的角度信息，均通过角度传感器获取。

图2所示是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置的控制器模块的结构示意图；控制器模块包括位置捕获单元、指示电路和参数存储单元；

其中，位置捕获单元用于对脉冲采集模块输出的脉冲进行计数；指示电路用于指示系统的状态，控制器模块根据系统的状态设置相应的I/O的信号，指示电路根据接收到的I/O信号进行相应的状态的指示，比如停止、基速和运行状态；参数存储单元用于存储系统的参数信息，当系统初次上电时，控制器模块直接从外部PLC控制器中读取参数并将这些参数通过I²C协议写入到参数存储单元，后续上电时则直接从参数存储单元读取系统的参数。

图3是本发明实施例提供的网络化的多轴电机同步控制装置的多轴模块的接口结构示意图；本发明提供的网络化的多轴电机同步控制装置中，同步串行差分总线上可以挂多个多轴模块；各同步差分多轴模块通过其同步串行差分总线接口与同步串行差分总线相连；

各多轴模块具有多个I/O接口，通过一部分I/O接口与各伺服电机驱动模块相连；通过另一部分I/O接口与从动电机组内各从动电机相连。

控制器模块与多轴模块之间采用主从式通讯，每次通讯由控制器模块发起，由多轴模块响应结束；控制器模块与多轴模块间通过图4所示的数据帧的格式进行数据交互；一个数据帧包括48个二进制比特位，具体的，包括8比特的地址、8比特的命令、16比特的数据，16比特的帧校验位。

其中，地址位用于指示多轴模块的地址；本实施例中，定义了一个广播地址用于对所有的多轴模块进行广播；广播地址中所有的位为二进制的全1；当地址位不为全1时表示一个多轴模块的地址；命令位用于区分帧的类型，当命令位表示数据位为参数设置帧，则数据位内容为初始化多轴模块的参数，当命令位表示数据位为控制命令帧，则数据位内容为控制从动电机的控制信号；数据位填充的内容是与命令位相对应的控制数据，表示从动电机的控制信号或者拟设置参数的初始值；帧校验位是对整个数据帧的校验码，该校验码在控制器模块中生成，通过同步串行差分总线传输后在多轴模块中校验，以消除网络传输错误的干扰。

本实施例中，同步串行差分总线上的通讯数据帧包括参数设置帧和控制命令帧；参数设置帧用于初始化系统的参数，在系统上电时，首先由控制器模块发送参数设置帧以初始化多轴模块的参数，多轴模块根据该参数设置帧进行参数设置并反馈响应信号；控制命令帧用于对各从动电机进行同步控制。

图6是控制器模块和多轴模块间的同步串行差分总线上的通讯协议示意图；系统上电初始化时，控制器模块通过同步串行差分总线发送参数设置帧到多轴模块，多轴模块根据该参数设置帧进行参数设置并向控制器模块反馈多轴模块的响应参数设置帧，实现对多轴模块的参数初始化；参数设置帧的命令位填充的是参数的类型，数据位填充的是参数的值，地址位和数据帧校验位分别填入地址和帧校验值；多轴模块反馈的响应参数设置帧格式中，命令位填充的是参数类型，数据位填充的是参数是否设置成功的标识，地址位和数据帧校验位分别填写地址和数据帧校验值。

控制命令帧实现控制信息的传递，初始化之后，向多轴模块发送控制命令帧，控制命令帧的命令位填充的是系统状态，数据位填充的是控制量，地址位和校验位填充的是地址和校验值；多轴模块的响应控制命令帧格式中，命令位填充的是系统状态，数据帧中数据位填充的是标志位，表示控制量是否设置成功；本发明中，通过上述的通讯协议实现控制器模块对多轴模块的可靠控制。

图6所示，是基于上述网络化的多轴电机同步控制装置实现网络化的多轴电机同步控制的主流程示意图，具体包括如下步骤：

(1)初始化系统时钟和外设时钟并中断向量表，开启位置捕获模块中断；

(2)初始化GPIO(General Purpose Input Output，通用输入输出接口)、系统定时器、捕获模块、通讯模块和轻量级TCP/IP协议栈；实施例中所初始化的GPIO接口包括位置捕获模块的接口、以太网接口、同步串行差分总线接口以及指示电路和参数存储模块的接口；

(3)通过外部PLC控制器读取系统参数；

(4)根据系统参数对多轴模块进行初始化并且对通过位置捕获模块使能进行定时中断；

(5)获取系统的状态信息，根据系统状态信息对系统参数进行微调；

(6)延时后进入步骤(5)，直至完成本次控制任务后结束；

其中，中断的流程如图6(b)所示意的，第一步是捕获当前伺服电机1的位置信息，第二步判断系统的当前状态是否为停止状态，当系统状态为停止状态时向所述的多轴模块发送停止命令否则就向所述的多轴模块发送控制交流伺服电机组的控制信息；第三步退出中断服务；上述的捕获模块中断以恒定的周期执行；由此精确的获取主令电机的角度编码信息；当系统处于停止状态此时指示电路将会指示停止状态，当系统处于运行状态此时指示电路将指示为运行状态。

在上述实施例中验证了本发明提供的网络化的同步控制装置及方法的可靠性；本发明提供的这种网络化的同步控制装置具有结构简单、稳定好的特点，实现了对现场数据的远程监视。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种网络化的多轴电机同步控制装置，其特征在于，包括脉冲采集模块、控制器模块、多轴模块和伺服电机驱动模块；所述控制器模块与多轴模块之间通过同步串行差分总线相连；

所述脉冲采集模块的输入端用于连接外部主令电机；控制器模块的第一端与脉冲采集模块的输出端相连，第二端用作所述多轴电机同步控制装置与工业以太网相连的接口，第三端与同步串行差分总线相连；多轴模块的一端通过同步串行差分总线接口与同步串行差分总线相连，另一端与伺服电机驱动模块相连；

所述脉冲采集模块用于采集主令电机转子角度信号，并对所述角度信号进行数字滤波、光电隔离处理，生成角度编码信号；

所述控制器模块用于根据系统状态配置对所述角度编码信号进行采样和差值修正运算获得多轴控制信号；所述差值修正运算具体是指将当前控制周期的脉冲数减去前一控制周期的脉冲数，将得到的差值乘上比例因子再加上修正值，其中，所述修正值通过将各从动电机的位置信息与多轴控制信号相减得到；

多轴模块用于根据多轴控制信号生成方向信号和脉冲数信号，并根据从动电机组各从动电机转子的角度信号获取从动电机的位置信息；

所述伺服驱动模块用于对所述方向信号和脉冲数信号进行转换，生成子方向信号和子脉冲数信号；通过所述子方向信号和子脉冲数信号驱动控制外部从动电机组。

2.如权利要求1所述的多轴电机同步控制装置，其特征在于，还包括人机交互模块；

所述人机交互模块与控制器模块通过标准工业以太网进行通信；所述人机交互模块用于周期性的查询外部PLC控制器以获取系统的状态信息和参数信息并显示，并用作参数设置界面。

3.如权利要求1所述的多轴电机同步控制装置，其特征在于，所述控制器模块与多轴模块之间采用主从式通讯，每次通讯由控制器模块发起，由多轴模块响应结束。

4.如权利要求3所述的多轴电机同步控制装置，其特征在于，所述控制器模块与多轴模块之间通信的数据帧包括8比特的地址位、8比特的命令位、16比特的数据位，16比特的数据帧校验位；

所述地址位用于指示多轴模块的地址；命令位用于区分帧的类型，包括参数设置帧和控制命令帧；数据位是与命令位相对应的控制信号；数据帧校验位是整个数据帧的校验码，所述校验码在控制器模块中生成，通过同步串行差分总线传输后在多轴模块中校验，以消除网络传输错误的干扰。

5.如权利要求4所述的多轴电机同步控制装置，其特征在于，所述控制器模块与多轴模块之间的通信协议具体为：

控制器模块发送参数设置帧到多轴模块，多轴模块根据所述参数设置帧进行参数设置并向控制器模块反馈响应参数设置帧，实现对多轴模块的参数初始化；所述参数设置帧的命令位填充的是参数的类型，数据位填充的是参数的值，地址位和数据帧校验位分别填入地址和数据帧校验值；所述响应参数设置帧中，命令位填充的是参数类型，数据位填充的是参数是否设置成功的标识，地址位和数据帧校验位分别填写地址和数据帧校验值；

初始化之后，控制器模块发送控制命令帧到多轴模块；多轴模块根据所述控制命令帧控制伺服电机运转并向控制器模块反馈响应控制命令帧；所述控制命令帧的命令位填充的是系统状态，数据位填充的是控制量，地址位和数据帧校验位填充的是地址和数据帧校验值；所述响应控制命令帧中，命令位填充的是系统状态，数据帧中数据位填充的是标志位，所述标志位指示控制量设置是否成功。

6.一种基于权利要求1～5任一项所述的多轴电机同步控制装置的网络化的多轴电机同步控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集主令电机的转子角度信号，并对所述角度信号进行数字滤波、光电隔离处理，生成角度编码信号；

(2)根据系统状态配置对所述角度编码信号进行采样和差值修正运算获得多轴控制信号，所述差值修正运算具体是指将当前控制周期的脉冲数减去前一控制周期的脉冲数，将得到的差值乘上比例因子再加上修正值，其中，所述修正值通过将各从动电机的位置信息与多轴控制信号相减得到；

(3)根据多轴控制信号生成方向信号和脉冲数信号，对所述方向信号和脉冲数信号进行转换，生成子方向信号和子脉冲数信号；通过所述子方向信号和子脉冲数信号驱动控制外部从动电机组。