CN107317529B - 基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统 - Google Patents
基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，包括共享内存以及分别与共享内存连接的基于ARM的EtherCAT通信子系统和基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统；所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统接收EtherCAT主站的数据，并按照应用层协议解析命令，发送给电机驱动全闭环控制子系统，或者从电机驱动全闭环控制子系统中获取电机状态信息，并打包成EtherCAT通信数据帧传输回EtherCAT主站；所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统检测共享内存中通过EtherCAT通信子系统的控制命令，根据得到的反馈信息并结合用户的配置，闭环或者全闭环伺服控制步进电机。与现有技术相比，本发明具有低成本、高通信速率、高精度、高性能、高可靠性、全速率等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进电机伺服控制系统，尤其是涉及一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统。
背景技术
目前，工业现场对于现场总线的需求越来越频繁，对于总线的功能和性能也要求越来越高。
传统的工业现场总线，如RS485，CAN等总线，速率低，数据量传输小，特别是在远距离传输时更加的需要降低速率来实现传输的可靠性，否者需要额外增加中继器来减小信号的衰减，从而提高速率，但同时增加布线难度和繁琐，并增加成本。另外，传统的工业实时以太网协议Modbus/TCP、EtherNet/IP等，由于未修改以太网协议并通过软件协议栈来实现通信，数据包的打包和解析必然会导致一定意义上的延时，所以也未能达到真正意义上的实时性。
另外，基于高性能高速率的现场总线动作执行机构，目前大多数为交流伺服驱动器，但在某些应用场合，如测量仪、雕刻机、木工加工等，需要低功率大力矩，高精度，且多轴联动和多轴同步控制的设备，如果使用伺服系统，则需要配备减速器等，大大增加了成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，基于响应时间小于1ms的硬实时工业以太网EtherCAT实时工业以太网现场总线，基于自定义协议或者标准CoE协议，采用高精度编码器位置反馈，配备第二编码器输入接口，实现真正意义上的低成本、高通信速率、高精度、高性能、高可靠性、全速率的全闭环步进伺服控制驱动系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，该系统与EtherCAT主站通信连接，其特征在于，所述的控制系统包括共享内存以及分别与共享内存连接的基于ARM的EtherCAT通信子系统和基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统；
所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统接收EtherCAT主站的数据，并按照应用层协议解析命令，发送给电机驱动全闭环控制子系统，或者从电机驱动全闭环控制子系统中获取电机状态信息，并打包成EtherCAT通信数据帧传输回EtherCAT主站；
所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统检测共享内存中通过EtherCAT通信子系统的控制命令，根据得到的反馈信息并结合用户的配置，闭环或者全闭环伺服控制步进电机。
所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统包括依次连接的EtherCAT通信模块和EtherCAT应用层协议模块，所述的EtherCAT通信模块与EtherCAT主站通信连接，所述的EtherCAT应用层协议模块与电机驱动全闭环控制子系统连接；
所述的EtherCAT通信模块，用于基于EtherCAT协议的数据帧发送和接收，根据协议规定和用户配置，处理并解析相应的数据块，并存储至通信模块所对应的存储内存；
所述的EtherCAT应用层协议模块，从EtherCAT通信模块的存储内存中，获取数据，根据不同的输入定义，处理EtherCAT通信协议状态机的运行以及数据包的解析和打包，并在此基础上，处理用户应用层协议包。
所述的EtherCAT通信模块设有用于实现多轴同步控制的DC同步信号输出端。
所述的应用层协议包括用户自定义协议或标准协议。
所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统包括电机控制驱动模块、功率放大器模块、步进电机模块、以及检测与反馈模块，所述的电机控制驱动模块、功率放大器模块、步进电机模块依次连接，所述的检测与反馈模块分别与步进电机模块、电机控制驱动模块连接；
所述的电机控制驱动模块根据电机位置信息、电机电流反馈信息、驱动输入电压信息，结合用户通过EtherCAT通信子系统的参考命令，实时计算输出控制信号；
所述的功率放大器模块对电机控制驱动模块输入的控制信号进行放大，并输入至步进电机模块；
所述的步进电机模块根据功率放大器的输出信号，控制电机新的位置；
所述的检测与反馈模块检测电机的电流电压信号、位置信息和执行机构位置信息，计算电机的速度、位置或者执行机构的位置，反馈给电机控制驱动模块。
所述的电机控制驱动模块根据不同用户使用不同模式：
力矩模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流环闭环算法、模数转换算法、滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；
速度模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流闭环算法、速度闭环算法、模数转换算法、各个环路的滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；
位置模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流闭环算法、速度闭环算法、位置闭环算法、模数转换算法、运动轨迹生成算法、各个环路的滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能。
所述的步进电机模块中设有用于反映电机位置信息的编码器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)通信速率高，基于EtherCAT通信总线，数据的收发速率快，且高有效；
2)布线灵活简单，支持各种网路拓扑结构，布线简单，几乎无距离限制；
3)多轴同步性高，EtherCAT的同步信号输出可以实现很高的多轴同步性；
4)高精度、高响应性能，配备高精度的编码器位置信号部件，采用闭环或者全闭环控制系统，可以达到很高的定位精度和高响应性能；
5)电机温升低寿命长，步进电机采用伺服控制算法，实时根据负载信息动态调整电机电流输出，从而可以实现电机的低温升，加长电机的寿命；
6)低速大力矩，驱动本体为步进电机，相对于伺服电机系统，在低速本身有大力矩特性。另外，本系统伺服控制算法，在boost情况下，加大电机过载能力，实现短时大力矩的输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明详细的结构示意图；
图3为本发明后台运行程序流程图；
图4为本发明中断流程图。
其中1为基于ARM的EtherCAT通信子系统，2为基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统，3为共享内存，4为EtherCAT主站，5为机械系统执行机构，11为EtherCAT通信模块，12为EtherCAT应用层协议模块，21电机控制驱动模块，22为功率放大器模块，23为步进电机模块，24为检测与反馈模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，该系统与EtherCAT主站4通信连接，所述的控制系统包括共享内存3以及分别与共享内存连接的基于ARM的EtherCAT通信子系统1和基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统2；
所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统1接收EtherCAT主站的数据，并按照应用层协议解析命令，发送给电机驱动全闭环控制子系统，或者从电机驱动全闭环控制子系统中获取电机状态信息，并打包成EtherCAT通信数据帧传输回EtherCAT主站；
所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统2检测共享内存中通过EtherCAT通信子系统的控制命令，根据得到的反馈信息并结合用户的配置，闭环或者全闭环伺服控制步进电机。此外，本子系统还包含I/O控制模块、系统保护模块，如过温、过流、过压等异常保护。
如图2所示，所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统1包括依次连接的EtherCAT通信模块11和EtherCAT应用层协议模块12，所述的EtherCAT通信模块11与EtherCAT主站4通信连接，所述的EtherCAT应用层协议模块与12电机驱动全闭环控制子系统2连接；
所述的EtherCAT通信模块11，用于基于EtherCAT协议的数据帧发送和接收，根据协议规定和用户配置，处理并解析相应的数据块，并存储至通信模块所对应的存储内存；
所述的EtherCAT应用层协议模块12，从EtherCAT通信模块的存储内存中，获取数据，根据不同的输入定义，处理EtherCAT通信协议状态机的运行以及数据包的解析和打包，并在此基础上，处理用户应用层协议包。
所述的EtherCAT通信模块11设有用于实现多轴同步控制的DC同步信号输出端。
所述的应用层协议包括用户自定义协议或标准协议，譬如CoE、SoE、FoE、EoE等，最后形成有效的控制命令数据，如位置控制命令、速度控制命令、力矩控制命令等。
所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统2包括电机控制驱动模块21、功率放大器模块22、步进电机模块23、以及检测与反馈模块24，所述的电机控制驱动模块21、功率放大器模块22、步进电机模块23依次连接，所述的检测与反馈模块24分别与步进电机模块21、电机控制驱动模块23连接；
所述的电机控制驱动模块21根据电机位置信息、电机电流反馈信息、驱动输入电压信息，结合用户通过EtherCAT通信子系统的参考命令，实时计算输出控制信号；如果用户配置启用全闭环控制模式，则还需输入机械系统执行机构的位置信息，全闭环控制输入控制信号。
所述的功率放大器模块22对电机控制驱动模块输入的控制信号进行放大，并输入至步进电机模块；
所述的步进电机模块23根据功率放大器的的输出信号，控制电机新的位置；步进电机包含2相、3相和5相电机。
所述的检测与反馈模块24检测电机的电流电压信号、位置信息和执行机构位置信息，计算电机的速度、位置或者执行机构的位置，反馈给电机控制驱动模块。
所述的电机控制驱动模块根据不同用户使用不同模式：
力矩模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流环闭环算法、模数转换算法、滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；
速度模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流闭环算法、速度闭环算法、模数转换算法、各个环路的滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；
位置模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流闭环算法、速度闭环算法、位置闭环算法、模数转换算法、运动轨迹生成算法、各个环路的滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能。
所述的步进电机模块中设有用于反映电机位置信息的编码器。
本发明系统采用双核DSP/ARM架构，通信系统和驱动系统独立在不同的平台运行，DSP进行闭环电机控制，而ARM核做EtherCAT通信系统，通过共享内存形式进行数据交互。也可以采用DSP+ARM双处理器架构，同样的DSP为电机控制，而ARM核可以做EtherCAT通信系统。本系统所采用的架构包括但不限于此设计方案，其它如单核系统机构也在此发明保护之中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，该系统与EtherCAT主站通信连接，其特征在于，所述的控制系统包括共享内存以及分别与共享内存连接的基于ARM的EtherCAT通信子系统和基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统；
所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统接收EtherCAT主站的数据，并按照应用层协议解析命令，发送给电机驱动全闭环控制子系统，或者从电机驱动全闭环控制子系统中获取电机状态信息，并打包成EtherCAT通信数据帧传输回EtherCAT主站；
所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统检测共享内存中通过EtherCAT通信子系统的控制命令，根据得到的反馈信息并结合用户的配置，闭环或者全闭环伺服控制步进电机；
所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统包括电机控制驱动模块、功率放大器模块、步进电机模块、以及检测与反馈模块，所述的电机控制驱动模块、功率放大器模块、步进电机模块依次连接，所述的检测与反馈模块分别与步进电机模块、电机控制驱动模块连接；
所述的电机控制驱动模块根据电机位置信息、电机电流反馈信息、驱动输入电压信息，结合用户通过EtherCAT通信子系统的参考命令，实时计算输出控制信号；
所述的功率放大器模块对电机控制驱动模块输入的控制信号进行放大，并输入至步进电机模块；
所述的步进电机模块根据功率放大器的输出信号，控制电机新的位置；
所述的检测与反馈模块检测电机的电流电压信号、位置信息和执行机构位置信息，计算电机的速度、位置或者执行机构的位置，反馈给电机控制驱动模块；
所述的步进电机模块中设有用于反映电机位置信息的编码器。
2.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，其特征在于，所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统包括依次连接的EtherCAT通信模块和EtherCAT应用层协议模块，所述的EtherCAT通信模块与EtherCAT主站通信连接，所述的EtherCAT应用层协议模块与电机驱动全闭环控制子系统连接；
所述的EtherCAT通信模块，用于基于EtherCAT协议的数据帧发送和接收，根据协议规定和用户配置，处理并解析相应的数据块，并存储至通信模块所对应的存储内存；
所述的EtherCAT应用层协议模块，从EtherCAT通信模块的存储内存中，获取数据，根据不同的输入定义，处理EtherCAT通信协议状态机的运行以及数据包的解析和打包，并在此基础上，处理用户应用层协议包。
3.根据权利要求2所述的一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，其特征在于，所述的EtherCAT通信模块设有用于实现多轴同步控制的DC同步信号输出端。
4.根据权利要求2所述的一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，其特征在于，所述的应用层协议包括用户自定义协议或标准协议。
5.根据权利要求1所述的一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，其特征在于，所述的电机控制驱动模块根据不同用户使用不同模式：
力矩模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流环闭环算法、模数转换算法、滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；
速度模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流闭环算法、速度闭环算法、模数转换算法、各个环路的滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；
位置模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流闭环算法、速度闭环算法、位置闭环算法、模数转换算法、运动轨迹生成算法、各个环路的滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能。
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