CN108762146A - 步进电机低延迟同步内组网运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开步进电机低延迟同步内组网运动控制系统。本发明通过无线通讯模块实现多轴运动系统中驱动器的无线化控制，上位机发送控制命令数据至中央控制器，由中央控制器解析命令通过无线通讯模块发送给次级步进电机控制器，当命令为电机运动控制命令时使用同步仲裁算法对命令进行应答处理，在系统内组网实现低延迟同步化。将传统的多轴运动系统实现广域无线化，避免了广域多轴运动系统装置过程中长线缆布置以及外界电磁干扰的引入。同时在系统内组网实现同步指令并发与回收，有效避免了信道阻塞以及运动假点现象，最大限度保证了系统运行的同步性以及系统精度。

Description

步进电机低延迟同步内组网运动控制系统

技术领域

本发明涉及数控与自动化领域，具体涉及一种广域多轴步进电机运动系统的低延迟同步无线内组网系统，通过同步仲裁算法实现系统的低延迟同步化，保证系统中各次级电机的运动同步，保证了系统精度，实现多轴运动系统的无线化，从而实现广域多轴步进电机运动系统。

背景技术

运动控制系统是一种利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度、和动作顺序等实现自动控制的控制系统，广泛应用于机器人、智能化加工技术和CAD技术，包括各类数控检测设备、数控技工设备、串并联机器人等自动化设备。运动控制系统的实现，目前多采用嵌入式控制器和基于PC的控制器的形式。

目前针对运动控制系统，为了保证高可靠度，驱动器与主控制器仍然是采用板上连接和有线连接。但是针对广域多轴运动系统，主控制器与驱动器之间若采用有线的方式连接，则限制了系统的广域实现，另一方面随着主控制器与驱动器之间的距离变远，线缆所受到的干扰也会增加，使用无线内组网的方式可以解决系统广域的局限，但其对无线组网系统则有着较高的要求，除了要满足系统的实时性，也要满足的电机运动的同步性。本系统设计了一种基于命令同步仲裁的低延迟同步通信协议，保证了运动的同步性，系统的延迟则由无线通讯的收发延迟所决定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于低延迟同步无线组网所实现的广域多轴步进电机运动系统。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于无线组通信的低延迟同步多轴步进电机运动控制器系统，包括独立且唯一的上位机，用于接收上位机控制命令并反馈信息给上位机的唯一中央控制器，n个用于接收中央控制器控制命令并反馈信息给中央控制器的次级步进电机控制器(1≤n≤8)，上位机与中央控制器之间通过usb协议的接口实现通信和连接，中央控制器与次级步进电机控制器之间通过无线信号通讯。

所述的中央控制器包括arm处理器、无线通讯模块以及以控制器为核心的外围模块；中央控制器通过usb接口接收上位机发送的控制命令，处理后通过无线通讯模块发送给所有次级步进电机控制器；接收应答次级步进电机控制器通过无线通讯模块传送的同步应答信息后触发第二次控制命令，同时中央控制器将当前应答次级步进电机的位置信息反馈给上位机；

所述的控制命令为运动系统的配置参数、电机控制命令、查询命令或急停命令；所述的中央控制器接收上位机发送的控制命令(G代码)后进行处理，若解析数据为运动系统配置参数、查询命令或急停命令，中央控制器直接将其处理打包成固定格式数据包，通过无线通讯模块发送给次级步进电机控制器；若解析数据为电机控制命令，具体为解析出控制电机的一系列命令，中央控制器通过同步仲裁算法处理打包成固定格式数据包，通过无线通讯模块发送给次级步进电机控制器；上述中央控制器发送给次级步进电机控制器的运动系统配置参数包含且不局限于以下：无线通讯模块收发切换时间参数、步进电机驱动模块芯片细分数、步进电机运行的最大最小以及默认频率或速度。

所述的同步仲裁算法具体为中央控制器根据解析出的一系列电机控制命令数据在打包数据前，根据所需发送的所有电机控制命令的时间特性仲裁决定组网系统中唯一应答的应答次级步进电机控制器；所述时间特性为步进电机运行的频率与脉冲数乘积,若多个电机控制命令的时间特性一致，则使用仲裁过程中按照ID号最后一组电机控制命令所对应的次级步进电机驱动器作为应答级步进电机控制器；该应答次级步进电机控制器具有保证控制命令同步的特性，能够确保中央控制器在每一次发送控制命令的时间节点上所有应答次级步进电机控制器控制的步进电机运动同步，中央控制器将同步应答信息与需应答的次级步进电机驱动器的ID号绑定连同电机控制命令信息打包成固定格式数据包；所述同步应答信息表示当前应答次级步进电机控制器已完成所有任务，以触发中央控制器发送第二次控制命令，具体可以以一位数据形式存在，例如bit1。由上可知该组由中央控制器通过无线通讯模块发送至各次级步进电机控制器的固定格式的电机控制命令数据包中有且仅有一组含有同步应答信息，因此在系统的步进电机控制过程应答设备有且仅有一个，由于电机控制数据具有随机不确定性，因此应答设备也具有不确定性；

所述的固定格式数据包，其格式为一组固定长度的16进制数据，如0xff 0xaa0x010x00 0xff 0xff0xff，其携带信息为：数据识别帧头1，数据识别帧头2，命令识别帧，设备ID识别帧，数据位1，数据位2，校验位。其中命令识别帧分为运动系统配置参数、电机控制命令、查询命令、急停命令，设备ID识别帧对应具体的次级步进电机控制器ID；

所述的次级步进电机控制器包括arm处理器、无线通讯模块、步进电机驱动模块，参数设置拨码开关以及外围必要模块；次级步进电机控制器通过无线通讯模块接收中央控制器发送的控制命令；若接收的控制命令为查询命令，则次级步进电机控制器通过无线通讯模块向中央控制器发送当前次级步进电机控制器以及对应步进电机的状态(例如无线通讯模块收发切换时间参数、步进电机驱动模块芯片细分数、步进电机运行的最大最小以及默认频率或速度、步进电机是否工作)；若接收的控制命令为运动系统配置参数，则将其存储在arm控制器并内置flash中，非修改配置状态下永久有效，作为后续使用；如接收的控制命令为电机控制命令，则通过步进电机驱动模块控制所对应步进电机做相应运动，其中若电机控制命令中含有同步应答信息，则在步进电机执行结束命令时通过无线通讯模块向中央控制器发送同步应答指令；若接收的控制命令为急停命令，则立刻停止该步进电机驱动模块所有任务，锁定对应步进电机；

所述的所有次级步进电机控制器通过参数设置拨码开关设置唯一且不同的ID号；

所述的所有次级步进电机控制器分别连接等数量型号相同的步进电机，步进电机驱动模块用于驱动对应连接的步进电机，控制相对应步进电机的运行速度、方向与定位；

所述的各组步进电机控制器的ID号唯一且不同；所对应的步进电机具有各自位置信息，以及运行的频率与脉冲数，可以相同也可以不同。

所述的中央控制器和次级步进电机控制器使用的无线通讯模块芯片为si4432，其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)，因其发射功率大，接收灵敏度高，可以传输到上千米的距离，穿墙性能优越。

本发明通过无线通讯模块实现多轴运动系统中驱动器的无线化控制，上位机发送G代码数据至(下位机)中央控制器，由中央控制器解析命令通过无线通讯模块发送给次级步进电机控制器，当命令为电机运动控制命令时使用同步仲裁算法对命令进行应答处理，在系统内组网实现低延迟同步化。将传统的多轴运动系统实现广域无线化，避免了广域多轴运动系统装置过程中长线缆布置以及外界电磁干扰的引入。同时在系统内组网实现同步指令并发与回收，有效避免了信道阻塞以及运动假点现象，最大限度保证了系统运行的同步性以及系统精度。本发明具体包括以下几个优点：

(1)便于广域多轴运动系统的实现；

(2)有利于多轴无线控制系统中步进电机无线缆化安装；

(3)对于同步多轴系统使用本装置进行组网可实现低延迟同步控制，减小设备控制的时延误差以及系统精度误差；

(4)本发明系统可配置性强灵活度高便于装置。

附图说明

图1是本发明控制器节点设置示意图；

图2是本发明低延迟同步仲裁通信实现协议；

图3是本发明运动控制系统的无线控制流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述实施方式，然而实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人。附图仅为本发明的示意图解，并非一定是按比例绘制，图中相同的附图标记表示相同或类似部分，因而将省略对他们的重复描述。

如图1，本发明提出了一种基于无线内组网通信的低延迟同步多轴步进电机运动控制器系统，包括独立设置的上位机S101，用于接收上位机控制命令并反馈信息给上位机的中央控制器S102，n个用于接收中央控制器控制命令并反馈信息给中央控制器的次级步进电机控制器S103，次级步进电机控制器连接的对应步进电机S104，上位机与中央控制器之间通过usb协议实现通信和连接，中央控制器与次级步进电机控制器之间通过无线信号通讯。中央控制器包括arm处理器、无线通讯模块以及以控制器为核心的外围模块；次级步进电机控制器包括arm处理器、无线通讯模块、步进电机驱动模块，参数设置拨码开关以及外围必要模块。

如图2，是本发明所提供的内组网通信低延迟同步仲裁方式的实现图解，S201为中央控制器通过无线发送的固定格式数据包，S204为无线通信模块之间进行数据收发的时延间隔，S202为非应答对象的次级步进电机控制器接收到控制命令数据包后解析出的控制步进电机参数后完成任务时长，S205为同步应答对象的次级步进电机控制器接收到控制命令数据包后解析出的步进电机参数后完成任务时长，S205和S202满足条件(S202<S205),意即S205命令所属的控制器在执行完步进电机控制命令后通过无线通讯模块立即向中央控制器返回应答命令S203，此时所有次级步进电机控制器及其所属的步进电机完全执行结束命令完成同步，中央控制器在接收到应答信号后发出下一组命令，可以看出整个系统中最大的延迟来自于无线通信模块的收发响应时间t；

如图3所示是本发明所提供的一种基于无线内组网通信的低延迟同步多轴步进电机运动控制器系统中中央控制器以及次级步进电机控制器的控制方法流程图，具体为中央控制器初始化然后接收来自上位机的G代码指令后进行数据解析处理然后打包成固定格式的数据包经由无线通讯模块发送；次级步进电机控制器加载存储于flash中的数据进行初始化配置等待来自中央控制器发送的数据包，接收到数据包后判别数据包的种类，如果是参数配置指令则将相应的配置参数写入flash中然后加载；如果是紧急停止命令则立即锁定步进电机，如果数据包中的命令为控制步进电机的指令则继续判断是否为应答设备，如果是应答设备则需要在步进电机执行完命令后通过无线返回应答数据包，否则执行结束后等待下一次命令接收预处理。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.步进电机低延迟同步内组网运动控制系统，其特征在于包括上位机，用于接收上位机控制命令并反馈信息给上位机的中央控制器，n个用于接收中央控制器控制命令并反馈信息给中央控制器的次级步进电机控制器；

所述的中央控制器接收上位机发送的控制命令，处理后通过无线通讯模块发送给所有次级步进电机控制器；接收应答次级步进电机控制器通过无线通讯模块传送的同步应答信息后触发下次控制命令，同时中央控制器将当前应答次级步进电机的位置信息反馈给上位机；

所述的控制命令为运动系统的配置参数、电机控制命令、查询命令或急停命令；所述的中央控制器接收上位机发送的控制命令后进行处理，若解析数据为运动系统配置参数、查询命令或急停命令，中央控制器直接将其处理打包成固定格式数据包，通过无线通讯模块发送给次级步进电机控制器；若解析数据为电机控制命令，具体为解析出控制电机的一系列命令，中央控制器通过同步仲裁算法处理打包成固定格式数据包，通过无线通讯模块发送给次级步进电机控制器；

所述的同步仲裁算法具体为中央控制器根据解析出的一系列电机控制命令数据在打包数据前，根据所需发送的所有电机控制命令的时间特性仲裁决定组网系统中唯一应答的应答次级步进电机控制器；所述时间特性为步进电机运行的频率与脉冲数乘积,若多个电机控制命令的时间特性一致，则仲裁过程中根据ID号最后一组电机控制命令所对应的次级步进电机驱动器作为应答级步进电机控制器；所述同步应答信息表示当前应答次级步进电机控制器已完成所有任务，以触发中央控制器发送下次控制命令；

所述的次级步进电机控制器通过无线通讯模块接收中央控制器发送的控制命令；若接收的控制命令为查询命令，则次级步进电机控制器通过无线通讯模块向中央控制器发送当前次级步进电机控制器以及对应步进电机的状态；若接收的控制命令为运动系统配置参数，则将其存储作为后续使用；如接收的控制命令为电机控制命令，则通过步进电机驱动模块控制所对应步进电机做相应运动，其中若电机控制命令中含有同步应答信息，则在步进电机执行结束命令时通过无线通讯模块向中央控制器发送同步应答指令；若接收的控制命令为急停命令，则立刻停止该步进电机驱动模块所有任务，锁定对应步进电机；

所述的所有次级步进电机控制器分别连接等数量型号相同的步进电机，步进电机驱动模块用于驱动对应连接的步进电机，控制相对应步进电机的运行速度、方向与定位；

所述的各组步进电机控制器具有唯一且不同的ID号；所对应的步进电机具有各自的位置信息，以及运行的频率与脉冲数。

2.如权利要求1所述的步进电机低延迟同步内组网运动控制系统，其特征在于中央控制器发送给次级步进电机控制器的运动系统配置参数包含且不局限于以下：无线通讯模块收发切换时间参数、步进电机驱动模块芯片细分数、步进电机运行的最大最小以及默认频率或速度。