CN111740643B - 基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统及方法 - Google Patents

基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统及控制方法，该电机控制系统包括通过EtherCAT P总线连接的一个运动控制器以及若干个伺服驱动系统，每个伺服驱动系统包括电连接的伺服驱动器和电机。本系统通过在EtherCAT通讯网口处增加电源处理电路，从而在一根EtherCAT通讯线缆上实现2路隔离的电源的传输，在保证系统高通讯速率和高同步性能的基础上，还能减少系统线缆数量，提高系统的可靠性。

Description

基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统及方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统及方法。
背景技术
近年来，多轴伺服控制系统得到了快速的发展，广泛应用于智能机器人、高数控机床、柔性制造等领域。随着这些应用领域复杂程度越来越高，功能越来越强，对伺服控制系统通讯接口提出了新的需求。传统多轴伺服控制系统大多是基于串行通信特征的总线，存在通讯速率低、同步性能差的问题。同时这些复杂控制设备的电源和通讯的线缆很多，存在安装维护成本高、可靠性较差等问题。
随着现场总线、工业以太网等技术发展，将这些技术应用于伺服电机控制系统引起了广泛的关注。中国专利号CN104820403B、CN204650244U、CN109308030A通过将EtherCAT总线技术应用于机器人、数控机床、伺服电机控制系统中，可提高系统通讯接口的速率和同步性能，但依然无法解决系统线缆复杂的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统及控制方法，具体技术方案如下：
一种基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统，其包括一个运动控制器以及若干个伺服驱动系统，所述的运动控制器与所述的伺服驱动系统通过EtherCAT P总线连接；每个伺服驱动系统包括电连接的伺服驱动器和电机；所述的电机内嵌有位置传感器，用于感应电机转子位置；
所述的EtherCAT P总线用于传递各个电机的控制及反馈信号，进而实现多电机控制；所述EtherCAT P总线还用于传递每个伺服驱动系统所需的2路隔离的电源；所述的2路隔离的电源分别用于伺服驱动器的控制供电和驱动供电。
进一步地，所述的运动控制器包括第一处理器模块、第一电源模块、N个标准以太网适配器、N个EtherCAT P网口和N个电源处理模块；所述的第一处理器模块与N个标准以太网适配器相连，一个标准以太网适配器对应一个EtherCAT P网口，所述的第一电源模块一端与所述的第一处理器模块连接，另一端与N个电源处理模块连接，电源处理模块与其对应的EtherCAT P网口连接；
所述的第一处理器模块运行EtherCAT主站协议，并执行多轴运动控制算法，计算得到各个电机的控制指令，并通过EtherCAT P总线发送给各个伺服驱动系统；
所述的第一电源模块为所述的第一处理器模块供电，并经过电源处理模块后传给对应的EtherCAT P网口；
所述的电源处理模块包括实现限流保护、反向保护和冲击电流保护的电路，以及LC滤波电路；
所述的EtherCAT P网口包含TX+/-、RX+/-四个信号引脚，在传输EtherCAT信号的同时传输2路隔离的电源。
进一步地，所述的限流保护使用保险丝来实现，所述的反向保护采用二极管来实现；所述的冲击电流保护采用浪涌电流控制芯片来实现，所述的第一处理器模块采用的处理器为Intel I7系列CPU。
进一步地，所述的伺服驱动器包括微控制器模块、隔离模块、驱动模块、检测模块、伺服驱动电源处理模块，还具有EtherCAT从站接口控制模块，以及EtherCAT P输入网口、EtherCAT P输出网口；
所述的微控制器模块、隔离模块、驱动模块、检测模块、微控制器模块依次连接，所述的驱动模块、检测模块还与电机相连；所述的伺服驱动电源处理模块接收外部的电源输入及EtherCAT P输入网口的电源输入，用于给其他模块和EtherCAT P输出网口供电；所述的EtherCAT从站接口控制模块还与EtherCAT P输入网口、微控制器模块、EtherCAT P输出网口相连；
所述的EtherCAT从站接口控制模块以EtherCAT从站控制芯片为核心，用于实现EtherCAT数据帧处理，并与所述微控制器模块进行数据交互；所述微控制器模块通过EtherCAT从站接口控制模块得到运动控制器发来的控制信号，根据所述的检测模块采集的信号，执行伺服电机控制算法，输出PWM信号经所述的隔离模块处理后传递给所述的驱动模块来驱动电机；或者所述微控制器模块根据所述的检测模块采集的电机的运行信息，并通过所述的EtherCAT从站接口控制模块反馈给运动控制器；
所述的伺服驱动电源处理模块包括LC滤波电路和反向保护电路，传递2路隔离的电源，分别用于伺服驱动器的控制供电和驱动供电；所述EtherCAT P输入网口的TX+、TX-线路用于传输伺服驱动器的控制电源，而RX+、RX-用于传输伺服驱动器的驱动电源。
进一步地，所述的EtherCAT从站接口控制模块包含EEPROM，用于存储EtherCAT从站设备的配置文件，并说明从站为EtherCAT P类型。
一种基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统的电机控制方法，该方法具体包括如下步骤：
S1：所述的运动控制器通过EtherCAT P总线得到各个电机的实际位置或速度，并根据实际应用需求，按照一定周期执行对应的多轴伺服控制算法，计算出各个电机位置或速度指令数据；
S2：所述的运动控制器将计算得到的各个电机位置或速度指令数据更新至EtherCAT数据帧中，并通过EtherCAT P总线发送给各个伺服驱动器；
S3：各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的位置或速度指令，微控制器模块执行电机控制算法，生成驱动信号，驱动伺服电机达到指定状态。
进一步地，所述的S3中，当各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的位置指令时，具体的控制步骤如下：
（1）判断是否接收到EtherCAT同步时钟信号，若接收到就进行下一步处理；
（2）通过EtherCAT通讯得到运动控制器发来的控制模式和位置指令，根据检测模块得到当前电机位置，微控制器执行位置控制算法后，输出给定转速；
（3）根据给定转速和检测模块测量的当前转速，微控制器执行转速控制算法后，输出给定电流信号；
（4）微控制器根据检测模块测量的当前电流，经过处理后得到当前的电流数据，执行电流控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（5）微控制器发送所述驱动信号至对应的电机，控制电机转动至指定位置；
当各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的转速指令时，具体的控制步骤如下：
（1）判断是否接收到EtherCAT同步时钟信号，若接收到就进行下一步处理；
（2）通过EtherCAT通讯得到运动控制器发来的控制模式和转速指令，根据检测模块得到当前电机转速，微控制器执行转速控制算法后，输出给定电流；
（3）微控制器根据检测模块测量的当前电流，经过处理后得到当前的电流数据，执行电流控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（4）微控制器发送所述驱动信号至对应的电机，控制电机转动至指定转速。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的基于EtherCAT P线技术的多轴伺服驱动系统能在一根网线上实现EtherCAT信号和2路隔离的电源传输。利用该发明的方法，在提供系统通讯速度和同步性能的同时，还降低了系统线缆复杂性，提高了系统可靠性。
附图说明
图1是本发明中多轴伺服控制系统的结构框图；
图2是本发明的多轴伺服电机控制系统其中一个实施例的结构框图；
图3是本发明的多轴伺服电机控制系统的另一实施例的结构框图；
图4是本发明的运动控制器的结构框图；
图5是本发明的运动控制器的EtherCAT P网口电源处理电路的其中一个实施例的示意图；
图6是本发明的伺服驱动器的结构框图；
图7是本发明的伺服驱动器的伺服驱动电源处理模块的电路示意图；
图8是本发明的多轴运动控制方法的流程示意图；
图9是本发明的伺服电机位置控制方法的流程示意图；
图10是本发明的伺服电机转速控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
本发明提供的多轴伺服控制系统的结构框图如图1所示，包括一个运动控制器以及若干个伺服驱动系统，所述的运动控制器与所述的伺服驱动系统通过EtherCAT P总线连接；每个伺服驱动系统包括电连接的伺服驱动器和电机；所述的电机内嵌有位置传感器，用于感应电机转子位置。所述的EtherCAT P总线用于传递各个电机的控制及反馈信号，进而实现多电机控制；所述EtherCAT P总线还用于传递每个伺服驱动系统所需的2路隔离的电源；所述的2路隔离的电源分别用于伺服驱动器的控制供电和驱动供电。
因EtherCAT总线接线的灵活性，运动控制器与多个伺服驱动系统之间连接很灵活。
图2是本发明的多轴伺服电机控制系统其中一个实施例的结构框图，各个伺服驱动系统直接与运动控制器相连；图3是本发明的多轴伺服电机控制系统的另一实施例的结构框图，部分伺服驱动系统直接与运动控制器相连，也可以与其他伺服驱动系统的EtherCAT P网口相连。
优选地，所述的电机采用永磁无刷伺服电机。
如图4所示，为本发明的运动控制器的结构框图，运动控制器包括第一处理器模块、第一电源模块、N个标准以太网适配器、N个EtherCAT P网口和N个电源处理模块；所述的第一处理器模块与N个标准以太网适配器相连，一个标准以太网适配器对应一个EtherCATP网口，所述的第一电源模块一端与所述的第一处理器模块连接，另一端与N个电源处理模块连接，电源处理模块与其对应的EtherCAT P网口连接。
所述的第一处理器模块运行EtherCAT主站协议，并执行多轴运动控制算法，计算得到各个电机的控制指令，并通过EtherCAT P总线发送给各个伺服驱动系统。
所述的第一电源模块为所述的第一处理器模块供电，并经过电源处理模块后传给对应的EtherCAT P网口。同时EtherCAT P网口与标准以太网适配器之间通过电容滤波。
所述的电源处理模块包括实现限流保护、反向保护和冲击电流保护的电路，以及LC滤波电路，如图5所示，作为其中一个实施方式，所述的限流保护使用保险丝来实现，所述的反向保护采用二极管来实现；所述的冲击电流保护采用浪涌电流控制芯片来实现，如LM5069芯片。所述的第一处理器模块采用的处理器为Intel I7系列CPU。
所述的EtherCAT P网口包含TX+/-、RX+/-四个信号引脚，在传输EtherCAT信号的同时传输2路隔离的电源。
如图6所示，伺服驱动器包括微控制器模块、隔离模块、驱动模块、检测模块、伺服驱动电源处理模块，还具有EtherCAT从站接口控制模块，以及EtherCAT P输入网口、EtherCAT P输出网口；
所述的微控制器模块、隔离模块、驱动模块、检测模块、微控制器模块依次连接，所述的驱动模块、检测模块还与电机相连；所述的伺服驱动电源处理模块接收外部的电源输入及EtherCAT P输入网口的电源输入，用于给其他模块和EtherCAT P输出网口供电；所述的EtherCAT从站接口控制模块还与EtherCAT P输入网口、微控制器模块、EtherCAT P输出网口相连；
所述的EtherCAT从站接口控制模块以EtherCAT从站控制芯片为核心，用于实现EtherCAT数据帧处理，并与所述微控制器模块进行数据交互；所述微控制器模块通过EtherCAT从站接口控制模块得到运动控制器发来的控制信号，根据所述的检测模块采集的信号，执行伺服电机控制算法，输出PWM信号经所述的隔离模块处理后传递给所述的驱动模块来驱动电机；或者所述微控制器模块根据所述的检测模块采集的电机的运行信息，并通过所述的EtherCAT从站接口控制模块反馈给运动控制器；
如图7所示，所述的伺服驱动电源处理模块包括LC滤波电路和反向保护电路，传递2路隔离的电源，分别用于伺服驱动器的控制供电和驱动供电，所述EtherCAT P输入网口的TX+、TX-线路用于传输伺服驱动器的控制电源，而RX+、RX-用于传输伺服驱动器的驱动电源。
EtherCAT从站控制芯片可采用ET1100/AX58100/LAN9252；所述的EtherCAT从站接口控制模块包含EEPROM，用于存储EtherCAT从站设备的配置文件，并说明从站为EtherCATP类型。
所述的检测模块包括位置检测模块、电流检测模块和母线电压检测模块，分别用于检测电机转子位置、电机三相电流和母线电压，并发送给微控制器模块。
优选地，所述微控制器可采用带浮点运算的DSP28335/STM32F407芯片。
如图8所示，本发明的基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统的电机控制方法，具体包括如下步骤：
S1：所述的运动控制器通过EtherCAT P总线得到各个电机的实际位置或速度，并根据实际应用需求，按照一定周期执行对应的多轴伺服控制算法，计算出各个电机位置或速度指令数据；
S2：所述的运动控制器将计算得到的各个电机位置或速度指令数据更新至EtherCAT数据帧中，并通过EtherCAT P总线发送给各个伺服驱动器；
S3：各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的位置或速度指令，微控制器模块执行电机控制算法，生成驱动信号，驱动伺服电机达到指定状态；
如图9所示，当各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的位置指令时，具体的控制步骤如下：
（1）判断是否接收到EtherCAT同步时钟信号，若接收到就进行下一步处理；
（2）通过EtherCAT通讯得到运动控制器发来的控制模式和位置指令，根据检测模块得到当前电机位置，微控制器执行位置控制算法后，输出给定转速；
（3）根据给定转速和检测模块测量的当前转速，微控制器执行转速控制算法后，输出给定电流信号；
（4）微控制器根据检测模块测量的当前电流，经过处理后得到当前的电流数据，执行电流控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（5）微控制器发送所述驱动信号至对应的电机，控制电机转动至指定位置。
如图10所示，当各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的转速指令时，具体的控制步骤如下：
（1）判断是否接收到EtherCAT同步时钟信号，若接收到就进行下一步处理；
（2）通过EtherCAT通讯得到运动控制器发来的控制模式和转速指令，根据检测模块得到当前电机转速，微控制器执行转速控制算法后，输出给定电流；
（3）微控制器根据检测模块测量的当前电流，经过处理后得到当前的电流数据，执行电流控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（4）微控制器发送所述驱动信号至对应的电机，控制电机转动至指定转速。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统，其特征在于，该电机控制系统包括一个运动控制器以及若干个伺服驱动系统，所述的运动控制器与所述的伺服驱动系统通过EtherCAT P总线连接；每个伺服驱动系统包括电连接的伺服驱动器和电机；所述的电机内嵌有位置传感器，用于感应电机转子位置；
所述的EtherCAT P总线用于传递各个电机的控制及反馈信号，进而实现多电机控制；所述EtherCAT P总线还用于传递每个伺服驱动系统所需的2路隔离的电源；所述的2路隔离的电源分别用于伺服驱动器的控制供电和驱动供电；
所述的运动控制器包括第一处理器模块、第一电源模块、N个标准以太网适配器、N个EtherCAT P网口和N个电源处理模块；所述的第一处理器模块与N个标准以太网适配器相连，一个标准以太网适配器对应一个EtherCAT P网口，所述的第一电源模块一端与所述的第一处理器模块连接，另一端与N个电源处理模块连接，电源处理模块与其对应的EtherCATP网口连接；
所述的第一处理器模块运行EtherCAT主站协议，并执行多轴运动控制算法，计算得到各个电机的控制指令，并通过EtherCAT P总线发送给各个伺服驱动系统；
所述的第一电源模块为所述的第一处理器模块供电，并经过电源处理模块后传给对应的EtherCAT P网口；
所述的电源处理模块包括实现限流保护、反向保护和冲击电流保护的电路，以及LC滤波电路；
所述的EtherCAT P网口包含TX+/-、RX+/-四个信号引脚，在传输EtherCAT信号的同时传输2路隔离的电源；
所述的伺服驱动器包括微控制器模块、隔离模块、驱动模块、检测模块、伺服驱动电源处理模块，还具有EtherCAT从站接口控制模块，以及EtherCAT P输入网口、EtherCAT P输出网口；
所述的微控制器模块、隔离模块、驱动模块、检测模块、微控制器模块依次连接，所述的驱动模块、检测模块还与电机相连；所述的伺服驱动电源处理模块接收外部的电源输入及EtherCAT P输入网口的电源输入，用于给其他模块和EtherCAT P输出网口供电；所述的EtherCAT从站接口控制模块还与EtherCAT P输入网口、微控制器模块、EtherCAT P输出网口相连；
所述的EtherCAT从站接口控制模块以EtherCAT从站控制芯片为核心，用于实现EtherCAT数据帧处理，并与所述微控制器模块进行数据交互；所述微控制器模块通过EtherCAT从站接口控制模块得到运动控制器发来的控制信号，根据所述的检测模块采集的信号，执行伺服电机控制算法，输出PWM信号经所述的隔离模块处理后传递给所述的驱动模块来驱动电机；或者所述微控制器模块根据所述的检测模块采集的电机的运行信息，并通过所述的EtherCAT从站接口控制模块反馈给运动控制器；
所述的伺服驱动电源处理模块包括LC滤波电路和反向保护电路，传递2路隔离的电源，分别用于伺服驱动器的控制供电和驱动供电；所述EtherCAT P输入网口的TX+、TX-线路用于传输伺服驱动器的控制电源，而RX+、RX-用于传输伺服驱动器的驱动电源。
2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统，其特征在于，所述的电机采用永磁无刷伺服电机。
3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统，其特征在于，所述的限流保护使用保险丝来实现，所述的反向保护采用二极管来实现；所述的冲击电流保护采用浪涌电流控制芯片来实现，所述的第一处理器模块采用的处理器为Intel I7系列CPU。
4.根据权利要求1所述的基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统，其特征在于，所述的EtherCAT从站接口控制模块包含EEPROM，用于存储EtherCAT从站设备的配置文件，并说明从站为EtherCAT P类型。
5.一种如权利要求1所述的基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统的电机控制方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
S1：所述的运动控制器通过EtherCAT P总线得到各个电机的实际位置或速度，并根据实际应用需求，按照一定周期执行对应的多轴伺服控制算法，计算出各个电机位置或速度指令数据；
S2：所述的运动控制器将计算得到的各个电机位置或速度指令数据更新至EtherCAT数据帧中，并通过EtherCAT P总线发送给各个伺服驱动器；
S3：各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的位置或速度指令，微控制器模块执行电机控制算法，生成驱动信号，驱动伺服电机达到指定状态。
6.根据权利要求5所述的基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制系统的电机控制方法，其特征在于，所述的S3中，当各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的位置指令时，具体的控制步骤如下：
（1）判断是否接收到EtherCAT同步时钟信号，若接收到就进行下一步处理；
（2）通过EtherCAT通讯得到运动控制器发来的控制模式和位置指令，根据检测模块得到当前电机位置，微控制器执行位置控制算法后，输出给定转速；
（3）根据给定转速和检测模块测量的当前转速，微控制器执行转速控制算法后，输出给定电流信号；
（4）微控制器根据检测模块测量的当前电流，经过处理后得到当前的电流数据，执行电流控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（5）微控制器发送所述驱动信号至对应的电机，控制电机转动至指定位置；
当各个伺服驱动器通过EtherCAT 从站接口控制模块接收到各个电机的转速指令时，具体的控制步骤如下：
（1）判断是否接收到EtherCAT同步时钟信号，若接收到就进行下一步处理；
（2）通过EtherCAT通讯得到运动控制器发来的控制模式和转速指令，根据检测模块得到当前电机转速，微控制器执行转速控制算法后，输出给定电流；
（3）微控制器根据检测模块测量的当前电流，经过处理后得到当前的电流数据，执行电流控制算法，并经坐标变换及SVPWM算法后，生成驱动信号；
（4）微控制器发送所述驱动信号至对应的电机，控制电机转动至指定转速。
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