CN107425757B - 一种网络化多电机同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络化多电机同步控制系统及方法，该系统包括基于SOPC的多轴同步控制模块、PLC控制器、上位机、人机界面、现场IO设备、脉冲采集模块和伺服电机驱动模块；通过脉冲采集模块采集主令电机编码器输出的编码脉冲信号经过磁耦隔离处理后发送到多轴同步控制模块，多轴同步控制模块对接收到的脉冲信号进行周期性的计数采样，同时也接收来自上位机和人机界面传来的控制命令，最终将控制命令转化为PWM控制信号，经过伺服电机驱动模块后控制从电机转动；本发明提供的系统结构简单，具有良好的可扩展性，集成了工业以太网接口，并实现了通过网络对各从电机之间的高精度同步控制，并可以在远程方便地监控调试现场数据。

Description

一种网络化多电机同步控制系统及方法

技术领域

本发明属于多电机同步控制技术领域，更具体地，涉及一种网络化多电机同步控制系统及方法。

背景技术

随着“工业4.0”的提出，实现工业生产控制系统的信息化、网络化、分散化，成为未来的发展方向。工业以太网不仅将以太网技术融入到底层网络，使得现场层，控制层和管理层在垂直层面可以很方便的集成，而且实时性较高，将会促使自动化与信息化的融合。另外，电子技术的发展使得半导体工艺水平不断革新，导致集成电路器件越来越小，集成电路的集成度越来越高，一个芯片上可以集成数百万门级电路，这促使了片上系统(System onChip，SOC)技术的产生。它可以将控制器和一些功能模块集成在一个芯片内，成为一个功能完整的SOC。由于SOC是一种专用集成系统，设计周期长，灵活性差，因此产生了一种可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程的片上可编程系统(System-on-a-Programmable-Chip，SOPC)技术。它实质上就是以FPGA为代表的可编程逻辑器件取代专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，一种更加灵活、高效的SOC。

在电机同步控制应用领域，由于单轴系统驱动大型对称负载，往往会导致两端负载的驱动力不一致，从而对产品的质量和设备的使用寿命产生不利的影响。所以目前的电机同步控制多采用一个核心控制器和与其相连的若干个子单元构成，每一个子单元都有一个独立电机来控制对应运动轴。在控制器的控制下，各个子单元的运动轴能够并行同步运行，而每个轴都是独立的电机驱动，使得该轴的负载能力得到显著提升，同时也大大简化了设备的机械结构，实现更高的精度和同步性控制。然而上述同步电机控制系统结构较复杂，也无法满足实现信息化和网络化的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供了一种网络化多电机同步控制系统及方法，由此解决现有的多轴同步控制系统结构较复杂，并且无法满足实现信息化和网络化要求的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种网络化多电机同步控制系统，包括：若干个多轴同步控制模块、PLC控制器、脉冲采集模块以及若干个伺服电机驱动模块；

所述脉冲采集模块的输入端与外部主令电机编码器的输出端相连；每个所述多轴同步控制模块的第一端均与所述脉冲采集模块的输出端相连，每个所述多轴同步控制模块的第二端用作与工业以太网相连的接口，通过所述接口与所述PLC控制器进行通信，每个所述多轴同步控制模块的第三端均与多个所述伺服电机驱动模块相连；

所述脉冲采集模块用于采集所述主令电机编码器输出的脉冲编码信号，并对所述脉冲编码信号进行差分处理和磁耦隔离处理得到目标脉冲编码信号；

每个所述多轴同步控制模块用于对所述目标脉冲编码信号进行周期采样得到离散脉冲编码信号，同时接收所述PLC控制器发送的控制命令，根据所述控制命令以及所述离散脉冲编码信号得到在所述周期内的控制从电机的位置信息以及方向信息，其中，所述位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，所述方向信息包括控制从电机转动的方向；

每个所述伺服电机驱动模块用于对所述方向信息和所述位置信息进行磁耦隔离处理和差分转换，生成相应的差分方向信号和差分脉冲数信号；通过所述差分方向信号和所述差分脉冲数信号并行驱动控制外部从电机。

优选地，每个所述多轴同步控制模块包括：正交编码脉冲模块、多个脉冲发送模块、双口RAM、第一处理器、第二处理器以及第三处理器；

所述正交编码脉冲模块，用于对所述脉冲采集模块发送的所述目标脉冲编码信号进行周期采样得到离散脉冲编码信号；

所述第一处理器，用于根据接收的所述PLC控制器发送的控制命令以及所述离散脉冲编码信号得到在所述周期内的控制从电机的位置信息以及控制从电机的方向信息，其中，所述位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，所述方向信息包括控制从电机转动的方向；

所述第二处理器，用于接收所述第三处理器传来的工业以太网数据，将所述工业以太网数据中的一部分的参数配置数据传入所述双口RAM，以使所述第一处理器取得所述双口RAM中的数据进行运算同步控制脉冲，所述工业以太网数据中的另一部分进行应用程序开发，将相关现场信息反映在WEB页面上，供远程人员监控；并从所述双口RAM取得所述第一处理器运算所得的参数信息，然后经所述第三处理器转化为工业以太网数据帧传给上位机；

每个所述脉冲发送模块，用于向对应的所述伺服电机驱动模块发送所述位置信息以及所述方向信息。

优选地，所述位置信息中包括的控制从电机转动的脉冲数的获取方法为：将一个控制周期分为第一时间段与第二时间段之和，并获取所述第一时间段以及所述第二时间段内的整数的脉冲数，将所述第一时间段以及所述第二时间段内的整数的脉冲数进行相加得到控制从电机转动的脉冲数。

优选地，所述位置信息中包括的控制从电机转动的脉冲数的具体实现方法为：

由n_f＝f*T得到控制周期内的基频脉冲数n_f，其中，f表示晶振频率，T表示控制周期；

由C_f＝n_f/P得到控制周期的分频数C_f，其中，P表示控制周期内的控制脉冲数；

对C_f进行取整得到C₁＝[C_f]，令C₂＝C₁+N，T＝T₁+T₂，P＝P₁+P₂，则P₁＝f*T₁/C₁，P₂＝f*T₂/C₂，其中，C₁、C₂分别表示在T₁、T₂周期内所取的分频数，P₁、P₂分别表示在晶振频率f下，在T₁、T₂周期内发送的脉冲数，N为正整数。

优选地，所述系统还包括：上位机、人机界面以及现场IO设备；

所述上位机、所述人机界面以及所述现场IO设备之间通过工业以太网中的标准以太网通道与所述PLC控制器进行通信；

所述上位机用于访问所述PLC控制器内的WEB服务器所包含的网页信息，并根据所述网页信息进行同步监控调试，其中，所述WEB服务器通过网关与Internet进行信息交互；

所述人机界面用于周期性的与所述PLC控制器交换数据以获取系统的状态和参数信息，并将获取的系统的状态和参数信息进行显示；

所述现场IO设备用于将现场的控制命令传给所述PLC控制器，由所述PLC控制器将所述控制命令传给每个所述多轴同步控制模块，由每个所述多轴同步控制模块在所述控制命令下改变系统的状态，并根据系统状态得到从电机的控制脉冲数。

优选地，所述PLC控制器模块与每个所述多轴同步控制模块之间采用实时工业以太网通道进行通信。

按照本发明的另一方面，提供了一种网络化多电机同步控制方法，应用于本发明实施例提供的任意一项所述的网络化多电机同步控制系统，所述方法包括：

(1)脉冲采集模块采集外部主令电机编码器输出的脉冲编码信号，并对所述脉冲编码信号进行差分处理和磁耦隔离处理得到目标脉冲编码信号；

(2)每个多轴同步控制模块内的QEP模块对所述脉冲采集模块输出的所述目标脉冲编码信号进行计数，由每个所述多轴同步控制模块内的处理器周期采样，根据系统状态配置，得到在所述周期内的控制从电机的位置信息以及方向信息，其中，所述位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，所述方向信息包括控制从电机转动的方向；

(3)现场IO设备将现场的控制命令传给PLC控制器，由所述PLC控制器将所述控制命令传给每个所述多轴同步控制模块，由所述多轴同步控制模块根据所述控制命令对系统的状态进行改变，并根据改变后的系统状态得到新的位置信息；

(4)每个所述多轴同步控制模块将所述新的位置信息以及所述方向信息传递给对应的伺服电机驱动模块，由每个所述伺服电机驱动模块对所述方向信息以及所述新的位置信息进行磁耦隔离处理和差分转换，生成相应的差分方向信号和差分脉冲数信号；通过所述差分方向信号和差分脉冲信号并行驱动控制外部从电机。

总体而言，本发明方法与现有技术方案相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的网络化多电机同步控制系统及方法，通过多轴同步控制模块实现了脉冲计数、产生从电机控制脉冲、并行控制从电机脉冲和集成工业以太网接口的功能，通过网络化结构实现了各从电机之间的高精度同步控制；

(2)本发明提供的网络化多电机同步控制系统及方法，通过工业以太网总线实现该同步控制系统、外部PLC控制器、上位机和人机界面之间的通信；PLC控制器通过网关接入Internet，实现任何地方均能通过Internet远程访问现场信息，随时随地监控调试相关参数。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种网络化多电机同步控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种网络化多电机同步控制系统中多轴同步控制模块的结构示意图。

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。

如图1所示为本发明实施例公开的一种网络化多电机同步控制系统的结构示意图；在图1所示的系统中包括：若干个多轴同步控制模块、PLC控制器、脉冲采集模块以及若干个伺服电机驱动模块；

脉冲采集模块的输入端与外部主令电机编码器的输出端相连；每个多轴同步控制模块的第一端均与脉冲采集模块的输出端相连，每个多轴同步控制模块的第二端用作与工业以太网相连的接口，通过该接口与PLC控制器进行通信，每个多轴同步控制模块的第三端均与多个伺服电机驱动模块相连；

脉冲采集模块用于采集主令电机编码器输出的脉冲编码信号，并对脉冲编码信号进行差分处理和磁耦隔离处理得到目标脉冲编码信号；

每个多轴同步控制模块用于对目标脉冲编码信号进行周期采样得到离散脉冲编码信号，同时接收PLC控制器发送的控制命令，根据控制命令以及离散脉冲编码信号得到在该周期内的控制从电机的位置信息以及方向信息，其中，位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，方向信息包括控制从电机转动的方向；

其中，转动方向是由后一个采样周期的脉冲数与前一个采样周期的脉冲数相减，根据所得差值的正负来判断电机的转动方向，差值为正，则是顺时针方向，反之，则是逆时针方向。

每个伺服电机驱动模块用于对方向信息和位置信息进行磁耦隔离处理和差分转换，生成相应的差分方向信号和差分脉冲数信号；通过差分方向信号和差分脉冲数信号并行驱动控制外部从电机。

在一个可选的实施方式中，上述系统还包括：上位机、人机界面以及现场IO设备；其中，上位机、人机界面以及现场IO设备之间通过工业以太网中的标准以太网通道与PLC控制器进行通信；

上位机用于访问PLC控制器内的WEB服务器所包含的网页信息，并根据网页信息进行同步监控调试，其中，WEB服务器通过网关与Internet进行信息交互；

人机界面用于周期性的与PLC控制器交换数据以获取系统的状态和参数信息，并将获取的系统的状态和参数信息进行显示；

现场IO设备用于将现场的控制命令传给PLC控制器，由PLC控制器将控制命令传给每个多轴同步控制模块，由每个多轴同步控制模块在控制命令下改变系统的状态，并根据系统状态得到从电机的控制脉冲数。

其中，PLC控制器、上位机、人机界面和现场IO设备之间是通过工业以太网中的标准以太网通道进行通信的；多轴同步控制模块与PLC控制器之间的通信是通过工业以太网中的实时通道，以保证实时性；

其中，多轴同步控制模块一方面接收来自脉冲采集模块的输出信号，并对其周期性计数采样，另一方面根据系统状态配置，得到该周期内的控制从电机的位置信息和控制从电机的方向信息，并将控制从电机的位置信息和方向信息发给伺服电机驱动模块，从而控制从电机的运行状态；当多轴同步控制模块与PLC控制器的通信周期到达时，两者将对相关的参数信息进行交换；一旦需要改变系统状态时，现场IO设备将控制命令传给PLC控制器，从而传给多轴同步控制模块改变系统状态；PLC控制器、上位机和人机界面之间也是以一定周期通信；

PLC控制器内的WEB服务器中的网页信息通过网关传入Internet，实现任何地方均能通过Internet远程访问网页信息，随时随地监控调试相关参数；

如图2所示是本发明实施例公开的一种网络化多电机同步控制系统中多轴同步控制模块的结构示意图，多轴同步控制模块包括正交编码脉冲电路(Quadrature EncoderPulse，QEP)模块、多个脉冲发送模块、双口RAM、第一处理器、第二处理器以及第三处理器。

多轴同步控制模块利用SOPC内部处理器完成同步控制和实现工业以太网接口，内部硬件资源完成QEP模块和脉冲发送模块功能；SOPC内部处理器分工不同，第一个处理器用作运算同步控制脉冲，第二个处理器用作应用程序开发，第三个处理器用作工业以太网协议栈开发；应用程序与控制程序之间的相关参数信息通过双口RAM进行交换。

其中，正交编码脉冲模块，用于对脉冲采集模块发送的目标脉冲编码信号进行周期采样得到离散脉冲编码信号；

第一处理器，用于根据接收的PLC控制器发送的控制命令以及离散脉冲编码信号得到在该周期内的控制从电机的位置信息以及控制从电机的方向信息，其中，位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，方向信息包括控制从电机转动的方向；

第二处理器，用于接收第三处理器传来的工业以太网数据，将工业以太网数据中的一部分的参数配置数据传入双口RAM，以使第一处理器取得双口RAM中的数据进行运算同步控制脉冲，工业以太网数据中的另一部分进行应用程序开发，将相关现场信息反映在WEB页面上，供远程人员监控；并从双口RAM取得第一处理器运算所得的参数信息，然后经第三处理器转化为工业以太网数据帧传给上位机；

每个脉冲发送模块，用于向对应的所述伺服电机驱动模块发送位置信息以及方向信息。

多轴同步控制模块内集成的脉冲发送模块是并行控制从电机的转动；脉冲发送模块发出的控制从电机脉冲数是将一个控制周期(即采样周期)分为两个时间段之和，这两个时间段内分别取整数的脉冲数，从电机的控制脉冲数就由这两个时间段内发出的脉冲数相加而得，具体实现方法如下：

控制周期内的基频脉冲数n_f为：n_f＝f*T，其中f表示晶振频率，T表示控制周期。

控制周期的分频数C_f为：C_f＝n_f/P，其中，P表示控制周期内的控制脉冲数。此时C_f不一定为整数，会导致控制出现误差。现作如下处理，令

C₁＝[C_f]，

C₂＝C₁+N，

T＝T₁+T₂，

P＝P₁+P₂，

P₁＝f*T₁/C₁，

P₂＝f*T₂/C₂；

其中，C₁、C₂分别表示在T₁、T₂周期内所取的分频数，P₁、P₂分别表示在晶振频率f下，在T₁、T₂周期内发送的脉冲数，N为正整数。

由以上所述公式可得：

P₁＝[P(C₁+N)-fT]/N；

P₂＝(fT-PC₁)/N

为使P₁与P₂均为正整数，可取N为1。

通过上述同步控制方法处理后，可以精准同步并行控制多个从电机的运行状态。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种网络化多电机同步控制方法，应用于本发明实施例提供的任意一项所述的网络化多电机同步控制系统，该方法包括：

(1)脉冲采集模块采集外部主令电机编码器输出的脉冲编码信号，并对脉冲编码信号进行差分处理和磁耦隔离处理得到目标脉冲编码信号；

(2)每个多轴同步控制模块内的QEP模块对脉冲采集模块输出的目标脉冲编码信号进行计数，由每个多轴同步控制模块内的处理器周期采样，根据系统状态配置，得到在该周期内的控制从电机的位置信息以及方向信息，其中，位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，方向信息包括控制从电机转动的方向；

(3)现场IO设备将现场的控制命令传给PLC控制器，由PLC控制器将控制命令传给每个多轴同步控制模块，由多轴同步控制模块根据控制命令对系统的状态进行改变，并根据改变后的系统状态得到新的位置信息；

(4)每个多轴同步控制模块将新的位置信息以及方向信息传递给对应的伺服电机驱动模块，由每个伺服电机驱动模块对方向信号以及新的位置信息进行磁耦隔离处理和差分转换，生成相应的差分方向信号和差分脉冲数信号；通过差分方向信号和差分脉冲信号并行驱动控制外部从电机。

在上述实施例中验证了本发明提供的基于SOPC的网络化多电机同步控制系统及方法的可靠性；本发明提供的这种网络化的同步控制系统具有结构简单、精度高的特点，并完成了对现场参数的远程监视和调试。

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)

1.一种网络化多电机同步控制系统，其特征在于，包括：若干个多轴同步控制模块、PLC控制器、脉冲采集模块以及若干个伺服电机驱动模块；

所述脉冲采集模块的输入端与外部主令电机编码器的输出端相连；每个所述多轴同步控制模块的第一端均与所述脉冲采集模块的输出端相连，每个所述多轴同步控制模块的第二端用作与工业以太网相连的接口，通过所述接口与所述PLC控制器进行通信，每个所述多轴同步控制模块的第三端均与多个所述伺服电机驱动模块相连；

所述脉冲采集模块用于采集所述主令电机编码器输出的脉冲编码信号，并对所述脉冲编码信号进行差分处理和磁耦隔离处理得到目标脉冲编码信号；

每个所述多轴同步控制模块用于对所述目标脉冲编码信号进行周期采样得到离散脉冲编码信号，同时接收所述PLC控制器发送的控制命令，根据所述控制命令以及所述离散脉冲编码信号得到在所述周期内的控制从电机的位置信息以及方向信息，其中，所述位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，所述方向信息包括控制从电机转动的方向；

每个所述伺服电机驱动模块用于对所述方向信息和所述位置信息进行磁耦隔离处理和差分转换，生成相应的差分方向信号和差分脉冲数信号；通过所述差分方向信号和所述差分脉冲数信号并行驱动控制外部从电机；

其中，每个所述多轴同步控制模块包括：正交编码脉冲模块、多个脉冲发送模块、双口RAM、第一处理器、第二处理器以及第三处理器；

所述正交编码脉冲模块，用于对所述脉冲采集模块发送的所述目标脉冲编码信号进行周期采样得到离散脉冲编码信号；

所述第一处理器，用于根据接收的所述PLC控制器发送的控制命令以及所述离散脉冲编码信号得到在所述周期内的控制从电机的位置信息以及控制从电机的方向信息，其中，所述位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，所述方向信息包括控制从电机转动的方向；

所述第二处理器，用于接收所述第三处理器传来的工业以太网数据，将所述工业以太网数据中的一部分的参数配置数据传入所述双口RAM，以使所述第一处理器取得所述双口RAM中的数据进行运算同步控制脉冲，所述工业以太网数据中的另一部分进行应用程序开发，将相关现场信息反映在WEB页面上，供远程人员监控；并从所述双口RAM取得所述第一处理器运算所得的参数信息，然后经所述第三处理器转化为工业以太网数据帧传给上位机；

每个所述脉冲发送模块，用于向对应的所述伺服电机驱动模块发送所述位置信息以及所述方向信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置信息中包括的控制从电机转动的脉冲数的获取方法为：将一个控制周期分为第一时间段与第二时间段之和，并获取所述第一时间段以及所述第二时间段内的整数的脉冲数，将所述第一时间段以及所述第二时间段内的整数的脉冲数进行相加得到控制从电机转动的脉冲数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述位置信息中包括的控制从电机转动的脉冲数的具体实现方法为：

由n_f＝f*T得到控制周期内的基频脉冲数n_f，其中，f表示晶振频率，T表示控制周期；

由C_f＝n_f/P得到控制周期的分频数C_f，其中，P表示控制周期内的控制脉冲数；

对C_f进行取整得到C₁＝[C_f]，令C₂＝C₁+N，T＝T₁+T₂，P＝P₁+P₂，则P₁＝f*T₁/C₁，P₂＝f*T₂/C₂，其中，C₁、C₂分别表示在T₁、T₂周期内所取的分频数，P₁、P₂分别表示在晶振频率f下，在T₁、T₂周期内发送的脉冲数，N为正整数。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：上位机、人机界面以及现场IO设备；

所述上位机、所述人机界面以及所述现场IO设备之间通过工业以太网中的标准以太网通道与所述PLC控制器进行通信；

所述上位机用于访问所述PLC控制器内的WEB服务器所包含的网页信息，并根据所述网页信息进行同步监控调试，其中，所述WEB服务器通过网关与Internet进行信息交互；

所述人机界面用于周期性的与所述PLC控制器交换数据以获取系统的状态和参数信息，并将获取的系统的状态和参数信息进行显示；

所述现场IO设备用于将现场的控制命令传给所述PLC控制器，由所述PLC控制器将所述控制命令传给每个所述多轴同步控制模块，由每个所述多轴同步控制模块在所述控制命令下改变系统的状态，并根据系统状态得到从电机的控制脉冲数。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述PLC控制器模块与每个所述多轴同步控制模块之间采用实时工业以太网通道进行通信。

6.一种网络化多电机同步控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任意一项所述的网络化多电机同步控制系统，所述方法包括：

(1)脉冲采集模块采集外部主令电机编码器输出的脉冲编码信号，并对所述脉冲编码信号进行差分处理和磁耦隔离处理得到目标脉冲编码信号；

(2)每个多轴同步控制模块内的QEP模块对所述脉冲采集模块输出的所述目标脉冲编码信号进行计数，由每个所述多轴同步控制模块内的处理器周期采样，根据系统状态配置，得到在所述周期内的控制从电机的位置信息以及方向信息，其中，所述位置信息包括控制从电机转动的脉冲数，所述方向信息包括控制从电机转动的方向，且所述位置信息中包括的控制从电机转动的脉冲数的获取方法为：将一个控制周期分为第一时间段与第二时间段之和，并获取所述第一时间段以及所述第二时间段内的整数的脉冲数，将所述第一时间段以及所述第二时间段内的整数的脉冲数进行相加得到控制从电机转动的脉冲数；

(3)现场IO设备将现场的控制命令传给PLC控制器，由所述PLC控制器将所述控制命令传给每个所述多轴同步控制模块，由所述多轴同步控制模块根据所述控制命令对系统的状态进行改变，并根据改变后的系统状态得到新的位置信息；

(4)每个所述多轴同步控制模块将所述新的位置信息以及所述方向信息传递给对应的伺服电机驱动模块，由每个所述伺服电机驱动模块对所述方向信息以及所述新的位置信息进行磁耦隔离处理和差分转换，生成相应的差分方向信号和差分脉冲数信号；通过所述差分方向信号和差分脉冲信号并行驱动控制外部从电机。