CN109742981A - 二维扫描电机系统及扫描的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维扫描电机系统及扫描的方法，包括外部框架、横梁、Z轴电机、滚珠丝杠、Z轴伺服单元、X轴电机、X轴伺服单元、载物平台上设有天线，X轴伺服单元和Z轴伺服单元受FPGA主控板控制，FPGA主控板作为主控单元发送控制X轴电机和Z轴电机动作的控制脉冲信号；缓冲模块用于将来自FPGA主控板的单端控制脉冲信号转换为差分信号，并将差分送入X轴伺服单元和Z轴伺服单元，伺服单元根据差分信号去控制相应电机运动；本发明可以实现平面内的二维扫描，系统集成度高且成本低，运输便利，占地面积小，可维护性高，运动控制精确度高。
Description
技术领域
本发明专利涉及运动控制领域，特别涉及一种二维扫描电机系统及扫描的方法。
背景技术
随着现代工业的发展，电机的应用越来越广泛，成为各行各业不可或缺的动力输出装置。目前，常用的反馈控制电机包括步进电机、伺服电机等类型，满足不同的应用需要。控制电机时需准确、及时、灵活。伺服电机系统因其实现了闭环控制，克服了步进电机失步的问题，而得到广泛应用。目前有越来越多的伺服电机系统提出了高精度、高动态性、高稳定性要求。
发明内容
本发明专利解决此问题所采用的技术方案是：
一种二维扫描电机系统，包括外部框架、外部框架上沿X轴延伸的横梁、横梁上设置有Z轴电机，Z轴电机的输出轴沿Z轴设置并驱动纵向滚珠丝杠的螺杆，纵向滚珠丝杠的螺母固定整个X轴运动部分，Z轴伺服单元控制Z轴电机通过纵向滚珠丝杠带动整个X轴运动部分沿Z轴移动，X轴运动部分包括沿X轴设置的X轴电机与横向滚珠丝杠，载物平台固定在横向滚珠丝杠螺母上方，X轴电机的输出轴驱动横向滚珠丝杠的螺杆转动从而带动载物平台沿X轴移动，X轴电机由X轴伺服单元控制；载物平台上设有天线，天线用于发射信号至扫描对象、以及接收扫描对象返回的信号，通过X轴和Z轴电机的配合带动载物平台，进而带动天线完成二维平面内的连续扫描过程；X轴伺服单元和Z轴伺服单元受FPGA主控板控制，FPGA主控板作为主控单元发送控制X轴电机和Z轴电机动作的控制脉冲信号；缓冲模块用于将来自FPGA主控板的单端控制脉冲信号转换为差分信号，并将差分信号送入X轴伺服单元和Z轴伺服单元，伺服单元根据差分信号去控制相应电机运动；
FGPA主控板通过发出的PLUS信号的个数来控制电机拖动载物平台移动的距离，此为期望位移，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，通过电机本身返回的脉冲数量获得电机实际带动载物平台移动的距离，对期望位移和实际位移进行比较，获得期望位移和实际位移之间的偏差即位置误差，通过伺服单元对该位置误差进行校正，实现对伺服系统的闭环控制，从而精确的控制电机的转动。
作为优选方式，所述的缓冲模块独立安装在电路板上，没有集成在主控模块上。所述的缓冲模块之所以独立做一个缓冲模块，而不是集成在主控模块上，目的：一是匹配伺服单元需要的控制信号电平要求，保护主控FPGA板免受损坏，二是避免较强驱动信号对主控板上的高速信号的干扰，三是保护主控板的通用性。
作为优选方式，X轴伺服单元和Z轴伺服单元包括主回路电路和CPU控制电路，主回路电路用于给电机供电，CPU控制电路用于对电机进行运行、正反转的动作控制。
作为优选方式，所述的FPGA主控板连接伺服单元的CN1接口，输出控制信号完成对伺服电机动作的控制和对伺服电机状态的检测。
作为优选方式，外部框架的左下角和左上角设安全限位器，用于防止载物平台冲顶或坐底。
作为优选方式，X轴伺服单元和Z轴伺服单元采用位置控制方式，输入脉冲形态选用符号+脉冲序列。
作为优选方式，伺服电机为：SGM7J-04AFC6S，伺服单元为：SGD7S-2R8A00A002。
作为优选方式，所述的FPGA主控板输出的控制信号PULS与SIGN为单端信号，而伺服电机所接收的为差分信号，故在FPGA主控板与伺服电机之间连接一个差分线路驱动器SN75ALS174ADW，将单端信号转化为差分信号，SN75ALS174ADW与伺服电机的驱动信号由FPGA主控板给出。
作为优选方式，伺服电机发出警报信号时，通过继电器，将警报信号传入FPGA主控板，FPGA主控板将进行断电保护。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述系统进行二维扫描的方法，包括如下步骤：
(1)在上位机操作界面，设置扫描参数：扫描平面大小，电机扫描速度；
(2)上位机向FPGA主控板发送初始化命令，FPGA主控板接收命令并对电机系统进行初始化；
(3)初始化成功进入步骤(4)，若未初始化成功，则返回步骤(1)重新设置；
(4)上位机发送电机使能命令，FPGA主控板接收命令后，首先发出启动信号到X轴和Z轴伺服电机上，使伺服电机通电；
(5)上位机发送命令到FPGA主控板控制X轴电机、Z轴电机带动载物平台运动回到设定原点位置即扫描平面左下角端点；
(6)上位机发送命令开始扫描；
(7)FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台从原点位置水平向右移动，X轴电机带动载物平台水平向右移动到扫描平面右侧端点并返回电机运动状态到FPGA主控板，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制Z轴电机带动整个X轴运动部分向上移动到下一行的位置；
(8)当Z轴电机拖动整个X轴运动部分移动到指定位置并返回电机运动状态之后，FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台水平向左移动，移动到指定位置并返回电机运动状态之后，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制X轴运动部分向上移动至下一行的位置；
(9)重复步骤(7)、(8)，直至扫描完最后一行、最后一列的位置点即扫描平面右上角端点，结束循环；
(10)至此完成一次平面扫描过程；
(11)上位机再一次发送开始扫描命令；
(12)FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台从扫描平面右上角端点水平向左移动；当X轴电机带动载物平台水平向左移动到平面左侧端点，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制整个X轴运动部分向下移动到下一行的位置；
(13)当Z轴电机拖动整个X轴运动部分移动到指定位置之后，FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台水平向右移动，到达指定位置并返回状态后，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制整个X轴运动部分向下移动至下一行的位置；
(14)重复步骤(12)、(13)，直至扫描完最后一行、最后一列的位置点即平面左下角的端点；
(15)后续扫描重复步骤(6)～(14)过程；
(16)伺服电机系统工作异常时，伺服系统会发出警报信号通过缓冲模块传递给FPGA主控板，FPGA主控板会对伺服电机进行断电保护；
(17)故障排除后，从步骤(1)重新开始；
(18)外部框架上设置有安全限位器，当电机异常运动超出正常运动范围时，会接触到设置在左上角和左下角安全限位器，安全限位器会发出警报信号通过缓冲模块传递给FPGA主控板，FPGA主控板会对伺服电机进行断电保护；
(19)故障排除后，从步骤(1)重新开始。
本发明的有益效果如下：
(1)可以实现平面内的二维扫描；
(2)具有高动态性，运动控制精确度高，稳定性能优异；
(3)系统集成度高且成本低，运输便利，占地面积小，可维护性高；
(4)FPGA运算速度快，引脚布置灵活。
(5)相对于采用皮带传动方式的扫描系统，因皮带在长时间使用下会造成形变，进而导致系统性能的下降，在工程应用上还存在问题。而本方案采用机械扫描，采用滚珠丝杠结构可以有效避免这个问题，有助于扫描系统的推广应用。
附图说明
图1二维扫描电机系统及装置结构图；
图2为电机通过滚珠丝杠带动载物平台运动的示意图；
图3为伺服系统内部框图；
图4为伺服单元对外接口；
1为外部框架、2为X轴电机，3为横梁、4为Z轴电机、5为螺杆、6为螺母、7为旋转电机、8为载物平台，9为联轴节，10为滚珠丝杠。
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，以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。
如图1所示，一种二维扫描电机系统，包括外部框架1、外部框架上沿X轴延伸的横梁3、横梁上设置有Z轴电机4，Z轴电机的输出轴沿Z轴设置并驱动纵向滚珠丝杠的螺杆5，纵向滚珠丝杠的螺母6固定整个X轴运动部分，Z轴伺服单元控制Z轴电机通过纵向滚珠丝杠带动整个X轴运动部分沿Z轴移动，X轴运动部分包括沿X轴设置的X轴电机2与横向滚珠丝杠，载物平台8固定在横向滚珠丝杠螺母上方，X轴电机的输出轴驱动横向滚珠丝杠的螺杆转动从而带动载物平台沿X轴移动，X轴电机由X轴伺服单元控制；载物平台上设有天线，天线用于发射信号至扫描对象、以及接收扫描对象返回的信号，通过X轴和Z轴电机的配合带动载物平台，进而带动天线完成二维平面内的连续扫描过程；X轴伺服单元和Z轴伺服单元受FPGA主控板控制，FPGA主控板作为主控单元发送控制X轴电机和Z轴电机动作的控制脉冲信号；缓冲模块用于将来自FPGA主控板的单端控制脉冲信号转换为差分信号，并将差分信号送入X轴伺服单元和Z轴伺服单元，伺服单元根据差分信号去控制相应电机运动；
FGPA主控板通过发出的PLUS信号的个数来控制电机拖动载物平台移动的距离，此为期望位移，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，通过电机本身返回的脉冲数量获得电机实际带动载物平台移动的距离，对期望位移和实际位移进行比较，获得期望位移和实际位移之间的偏差即位置误差，通过伺服单元对该位置误差进行校正，实现对伺服系统的闭环控制，从而精确的控制电机的转动。
X轴电机和Y轴电机的供电线缆接220V市电，X轴电机和Z轴电机通过控制线缆分别连接至对应的伺服单元；X/Z轴伺服单元通过控制线缆接入缓冲模块；缓冲模块通过板对板连接件与FPGA主控板进行连接；FPGA主控板通过板上的USB单元与PC端进行通信；X轴电机和Y轴电机配合，实现二维扫描。
所述的缓冲模块作为FPGA主控板与伺服系统的沟通桥梁，通过控制线缆与伺服系统连接，通过板对板连接件与FPGA主控板连接。它的作用：一是匹配伺服单元需要的控制信号电平要求，保护主控FPGA板免受损坏，二是避免较强驱动信号对主控板上的高速信号的干扰。三是保护主控板的通用性。
所述的缓冲模块独立安装在电路板上，没有集成在主控模块上。
外部框架的左上角和左下角设安全限位器，用于防止载物平台冲顶或坐底。
伺服电机为：SGM7J-04AFC6S，伺服单元为：SGD7S-2R8A00A002。
所述的FPGA主控板输出的控制信号PULS与SIGN为单端信号，而伺服电机所接收的为差分信号，故在FPGA主控板与伺服电机之间连接一个差分线路驱动器SN75ALS174ADW，将单端信号转化为差分信号，SN75ALS174ADW与伺服电机的驱动信号由FPGA主控板给出。
伺服电机发出警报信号时，通过继电器，将警报信号传入FPGA主控板，FPGA主控板将进行断电保护。
如图2所示，为旋转电机通过滚珠丝杠带动载物平台以一定的速度VL运动的示意图；旋转电机7通过联轴节9和滚珠丝杠10带动载物平台8进行直线运动。二维扫描电机系统采用位置控制方式(在此种控制方式下，VL的数值不固定)，输入脉冲形态选用符号+脉冲序列。位置控制是通过FPGA将脉冲串指令输入伺服单元，控制电机移动到目标位置的控制。以输入脉冲数来控制位置，以输入脉冲的频率来控制速度。SIGN信号为符号指令信号，为高电平时，电机正转，带动载物平台向右移动；为低电平时，电机反转，带动载物平台向左移动。通过改变SIGN电平高低来控制运动方向。PULS信号为脉冲指令输入信号，伺服电机每收到一个脉冲指令信号，就会拖动载物平台移动一定的距离，载物平台的移动距离取决于伺服电机接收到的脉冲指令的个数。脉冲指令的频率越高，直线运动部分的运动速度就越快。
如图3所示，为伺服系统内部框图，伺服单元主要由主回路电路和CPU控制电路构成。主回路电路主要用于给伺服电机供电，CPU控制电路接收FPGA主控板下发的脉冲信号用于对伺服电机进行运行、正反转等动作控制。
如图4所示，为伺服单元对外接口图。与控制相关的连接为CN1(输入输出信号)。其主要用于伺服电机的控制，如运行、正反转、速度、位移等动作的控制。伺服电机还需要进行参数设置，所谓参数设置，就是配置伺服电机的默认工作状态，比如是工作在位移控制模式还是速度控制模式。如果是位移控制模式，那么用户就需要通过CN1来进行位移控制；如果是设置为速度模式，那么用户就需要通过CN1来进行速度控制。伺服电机的参数设置有三种方式：
(1)伺服单元面板直接设置；
(2)伺服单元通过CN3RS422接口连接数字操作进行参数设置；
(3)伺服单元通过CN7USB接口连接电脑，在电脑上运行SigmaWin+软件进行参数设置。
本实施例选用第三种参数设置方式。
本实施例中上述扫描系统的工作过程为：
上位机通过FPGA主控板上的USB通信单元与FPGA主控板进行通信。FPGA主控板通过缓冲模块与伺服系统进行通信。
利用上述系统进行二维扫描的方法，包括如下步骤：
(1)在上位机操作界面，设置扫描参数：扫描平面大小，电机扫描速度；
(2)上位机向FPGA主控板发送初始化命令，FPGA主控板接收命令并对电机系统进行初始化；
(3)初始化成功进入步骤(4)，若未初始化成功，则返回步骤(1)重新设置；
(4)上位机发送电机使能命令，FPGA主控板接收命令后，首先发出启动信号到X轴和Z轴伺服电机上，使伺服电机通电；
(5)上位机发送命令到FPGA主控板控制X轴电机、Z轴电机带动载物平台运动回到设定原点位置即扫描平面左下角端点；
(6)上位机发送命令开始扫描；
(7)FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台从原点位置水平向右移动，X轴电机带动载物平台水平向右移动到扫描平面右侧端点并返回电机运动状态到FPGA主控板，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制Z轴电机带动整个X轴运动部分向上移动到下一行的位置；
(8)当Z轴电机拖动整个X轴运动部分移动到指定位置并返回电机运动状态之后，FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台水平向左移动，移动到指定位置并返回电机运动状态之后，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制X轴运动部分向上移动至下一行的位置；
(9)重复步骤(7)、(8)，直至扫描完最后一行、最后一列的位置点即扫描平面右上角端点，结束循环；
(10)至此完成一次平面扫描过程；
(11)上位机再一次发送开始扫描命令；
(12)FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台从扫描平面右上角端点水平向左移动；当X轴电机带动载物平台水平向左移动到平面左侧端点，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制整个X轴运动部分向下移动到下一行的位置；
(13)当Z轴电机拖动整个X轴运动部分移动到指定位置之后，FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台水平向右移动，到达指定位置并返回状态后，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制整个X轴运动部分向下移动至下一行的位置；
(14)重复步骤(12)、(13)，直至扫描完最后一行、最后一列的位置点即平面左下角的端点；
(15)后续扫描重复步骤(6)～(14)过程；
(16)伺服电机系统工作异常时，伺服系统会发出警报信号通过缓冲模块传递给FPGA主控板，FPGA主控板会对伺服电机进行断电保护；
(17)故障排除后，从步骤(1)重新开始；
(18)外部框架上设置有安全限位器，当电机异常运动超出正常运动范围时，会接触到设置在左上角和左下角安全限位器，安全限位器会发出警报信号通过缓冲模块传递给FPGA主控板，FPGA主控板会对伺服电机进行断电保护；
(19)故障排除后，从步骤(1)重新开始。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种二维扫描电机系统，其特征在于：包括外部框架、外部框架上沿X轴延伸的横梁、横梁上设置有Z轴电机，Z轴电机的输出轴沿Z轴设置并驱动纵向滚珠丝杠的螺杆，纵向滚珠丝杠的螺母固定整个X轴运动部分，Z轴伺服单元控制Z轴电机通过纵向滚珠丝杠带动整个X轴运动部分沿Z轴移动，X轴运动部分包括沿X轴设置的X轴电机与横向滚珠丝杠，载物平台固定在横向滚珠丝杠螺母上方，X轴电机的输出轴驱动横向滚珠丝杠的螺杆转动从而带动载物平台沿X轴移动，X轴电机由X轴伺服单元控制；载物平台上设有天线，天线用于发射信号至扫描对象、以及接收扫描对象返回的信号，通过X轴和Z轴电机的配合带动载物平台，进而带动天线完成二维平面内的连续扫描过程；X轴伺服单元和Z轴伺服单元受FPGA主控板控制，FPGA主控板作为主控单元发送控制X轴电机和Z轴电机动作的控制脉冲信号；缓冲模块用于将来自FPGA主控板的单端控制脉冲信号转换为差分信号，并将差分信号送入X轴伺服单元和Z轴伺服单元，伺服单元根据差分信号去控制相应电机运动；
FGPA主控板通过发出的PLUS信号的个数来控制电机拖动载物平台移动的距离，此为期望位移，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，通过电机本身返回的脉冲数量获得电机实际带动载物平台移动的距离，对期望位移和实际位移进行比较，获得期望位移和实际位移之间的偏差即位置误差，通过伺服单元对该位置误差进行校正，实现对伺服系统的闭环控制，从而精确的控制电机的转动。
2.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：所述的缓冲模块独立安装在电路板上，没有集成在主控模块上。
3.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：X轴伺服单元和Z轴伺服单元包括主回路电路和CPU控制电路，主回路电路用于给电机供电，CPU控制电路用于对电机进行运行、正反转的动作控制。
4.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：所述的FPGA主控板连接伺服单元的CN1接口，输出控制信号完成对伺服电机动作的控制和对伺服电机状态的检测。
5.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：外部框架的左下角和左上角设安全限位器，用于防止载物平台冲顶或坐底。
6.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：X轴伺服单元和Z轴伺服单元采用位置控制方式，输入脉冲形态选用符号+脉冲序列。
7.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：伺服电机为：SGM7J-04AFC6S，伺服单元为：SGD7S-2R8A00A002。
8.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：所述的FPGA主控板输出的控制信号PULS与SIGN为单端信号，而伺服电机所接收的为差分信号，故在FPGA主控板与伺服电机之间连接一个差分线路驱动器SN75ALS174ADW，将单端信号转化为差分信号，SN75ALS174ADW与伺服电机的驱动信号由FPGA主控板给出。
9.根据权利要求1所述的一种二维扫描电机系统，其特征在于：伺服电机发出警报信号时，通过继电器，将警报信号传入FPGA主控板，FPGA主控板将进行断电保护。
10.一种利用权利要求1至9任意一种系统进行二维扫描的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在上位机操作界面，设置扫描参数：扫描平面大小，电机扫描速度；
(2)上位机向FPGA主控板发送初始化命令，FPGA主控板接收命令并对电机系统进行初始化；
(3)初始化成功进入步骤(4)，若未初始化成功，则返回步骤(1)重新设置；
(4)上位机发送电机使能命令，FPGA主控板接收命令后，首先发出启动信号到X轴和Z轴伺服电机上，使伺服电机通电；
(5)上位机发送命令到FPGA主控板控制X轴电机、Z轴电机带动载物平台运动回到设定原点位置即扫描平面左下角端点；
(6)上位机发送命令开始扫描；
(7)FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台从原点位置水平向右移动，X轴电机带动载物平台水平向右移动到扫描平面右侧端点并返回电机运动状态到FPGA主控板，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制Z轴电机带动整个X轴运动部分向上移动到下一行的位置；
(8)当Z轴电机拖动整个X轴运动部分移动到指定位置并返回电机运动状态之后，FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台水平向左移动，移动到指定位置并返回电机运动状态之后，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制X轴运动部分向上移动至下一行的位置；
(9)重复步骤(7)、(8)，直至扫描完最后一行、最后一列的位置点即扫描平面右上角端点，结束循环；
(10)至此完成一次平面扫描过程；
(11)上位机再一次发送开始扫描命令；
(12)FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台从扫描平面右上角端点水平向左移动；当X轴电机带动载物平台水平向左移动到平面左侧端点，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制整个X轴运动部分向下移动到下一行的位置；
(13)当Z轴电机拖动整个X轴运动部分移动到指定位置之后，FPGA主控板发出X轴电机脉冲指令信号控制X轴电机带动载物平台水平向右移动，到达指定位置并返回状态后，FPGA主控板发出Z轴电机脉冲指令信号控制整个X轴运动部分向下移动至下一行的位置；
(14)重复步骤(12)、(13)，直至扫描完最后一行、最后一列的位置点即平面左下角的端点；
(15)后续扫描重复步骤(6)～(14)过程；
(16)伺服电机系统工作异常时，伺服系统会发出警报信号通过缓冲模块传递给FPGA主控板，FPGA主控板会对伺服电机进行断电保护；
(17)故障排除后，从步骤(1)重新开始；
(18)外部框架上设置有安全限位器，当电机异常运动超出正常运动范围时，会接触到设置在左上角和左下角安全限位器，安全限位器会发出警报信号通过缓冲模块传递给FPGA主控板，FPGA主控板会对伺服电机进行断电保护；
(19)故障排除后，从步骤(1)重新开始。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190510 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |