CN114665751A - 一种基于EtherCAT通信的控制系统、方法及双轴驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人控制领域，具体涉及一种基于EtherCAT通信的控制系统、方法及双轴驱动控制装置，系统包括：主站和从站之间通过EtherCAT总线进行数据通信；主站包括上层控制器，上层控制器用于输出控制指令至从站，控制指令包括速度指令和角度位置指令；从站包括带有EtherCAT网络接口的双轴伺服驱动器和伺服电机，伺服电机包括转向电机和牵引电机，双轴伺服驱动器接收控制指令，并控制牵引电机和转向电机运行；双轴伺服驱动器还用于采集转向电机和牵引电机的速度和角度位置，并将速度和角度位置通过EtherCAT总线反馈至上层控制器。本发明可同时给牵引电机和转向电机发送控制指令，减少了通信延迟时间，提高整个控制系统的动态响应能力和数据传输能力。

Description

一种基于EtherCAT通信的控制系统、方法及双轴驱动控制 装置

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，具体而言，涉及一种基于EtherCAT通信的控制系统、方法及双轴驱动控制装置。

背景技术

在智能工厂和智能物流中，移动机器人是其重要组成部分，它能够轻松取代人工的重复搬运工作，不仅能够节约人工成本，而且设置柔性强，不占用固定地面面积，可合理利用通道等，提高空间利用率，是未来制造业研究工作的重中之重，具有十分广大的应用前景。

移动机器人由驱动系统、激光导引(磁导引)系统和控制系统三大部分组成。其中驱动系统所占成本比例最大。舵轮作为移动机器人的驱动和转向执行部件；现有的舵轮驱动结构中，分为牵引电机驱动和转向电机驱动，二者相互独立，拥有各自的驱动控制总成，无疑增加了舵轮的结构体积和制造成本，且使用不便、维护复杂。

牵引电机和转向电机在独立的硬件电路设计上，增大了相互干扰和布线风险。对移动机器人上层控制器而言，需要通过两路控制总线分别对牵引和转向控制系统发送上位机指令，使得舵轮的内部结构复杂混乱，不利于测试和错误排查，因其外围电路及电缆较多，布线复杂导致可靠性低。同时也使得上位机的通信控制程序复杂，至少需要两个通信周期，分别对二者发送指令，实时性能下降，通信延迟增大。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于EtherCAT通信的控制系统、方法及双轴驱动控制装置，可同时给牵引电机和转向电机发送控制指令，减少了通信延迟时间，提高整个控制系统的动态响应能力和数据传输能力。

根据本发明的一实施例，提供了一种基于EtherCAT通信的控制系统，包括：主站和从站，主站和从站之间通过EtherCAT总线进行数据通信；主站包括上层控制器，上层控制器用于输出控制指令至从站，控制指令包括速度指令和角度位置指令；从站包括带有EtherCAT网络接口的双轴伺服驱动器和伺服电机，伺服电机包括转向电机和牵引电机，双轴伺服驱动器接收控制指令，并控制牵引电机和转向电机运行；双轴伺服驱动器还用于采集转向电机和牵引电机的速度和角度位置，并将速度和角度位置通过EtherCAT总线反馈至上层控制器。

进一步地，双轴伺服驱动器包括用于采集牵引电机的速度和角度位置的增量式编码器、用于采集的转向电机的速度和角度位置的绝对式编码器；增量式编码器和绝对式编码器将采集的牵引电机的速度和角度位置及转向电机的速度和角度位置反馈至上层控制器。

进一步地，双轴伺服驱动器包括第一路处理电路和第二路处理电路，第一路处理电路和第二路处理电路分别同时控制牵引电机和转向电机运行。

进一步地，第一路处理电路包括第一速度控制器和第一电流控制器，上层控制器通过EtherCAT总线输出的速度指令与增量式编码器采集的牵引电机的速度反馈作为第一速度控制器的输入信号；第一速度控制器的输出信号与第一处理电路的第一电流反馈作为第一电流控制器的输入信号。

进一步地，第二路处理电路包括位置控制器、第二速度控制器及第二电流控制器，上层控制器通过EtherCAT总线输出的角度位置指令与绝对式式编码器采集的转向电机的角度位置反馈作为位置控制器的输入信号；位置控制器的输出信号与绝对式编码器采集的转向电机的速度反馈作为第二速度控制器的输入信号；第二速度控制器的输出信号与第二处理电路的第二电流反馈作为第二电流控制器的输入信号。

本申请通过的一种基于EtherCAT通信的控制方法，包括以下步骤：

上层控制器通过EthertCAT总线输出控制指令至双轴伺服驱动器，控制指令包括速度指令和角度位置指令；

双轴伺服驱动器根据控制指令控制牵引电机和转向电机转动；

双轴伺服驱动器采集牵引电机和转向电机转动的速度及角度位置；

将采集到的牵引电机和转向电机的速度及角度位置通过EthertCAT总线反馈至上层控制器。

进一步地，在上层控制器通过EthertCAT总线输出速度指令和位置指令至双轴伺服驱动器之前还包括：

对速度指令和位置指令轨迹进行规划；

将规划后的速度指令和位置指令编辑在EthertCAT总线数据帧上。

进一步地，双轴伺服驱动器包括用于采集牵引电机的速度和角度位置的增量式编码器、用于采集的转向电机的速度和角度位置的绝对式编码器；增量式编码器将采集的牵引电机的速度和角度位置及绝对式编码器将采集的转向电机的速度和角度位置反馈至上层控制器。

本申请提供一种双轴驱动控制装置，包括：依次分布的双轴伺服驱动器、转向齿轮、轴承座、转向电机及牵引电机；双轴伺服驱动器分别同时控制牵引电机和转向电机的转动；牵引电机上安装有用于反馈牵引电机转动速度及角度位置的增量式编码器，转向电机上安装有用于反馈转向电机转动速度及角度位置的绝对值编码器。

进一步地，双轴伺服驱动器、转向齿轮、轴承座、转向电机及牵引电机集成在一块控制板卡中。

本发明的有益效果至少包括：

1.本发明基于EtherCAT，实现主站和从站之间的数据通信；基于EtherCAT通信的控制端和发起端，能够在每个网络周期中接收从站数据帧，并对这些数据帧进行处理，然后上层控制器通过EtherCAT总线把处理过的包括控制指令的数据帧发给双轴伺服驱动器，双轴伺服驱动器分别同时控制转向电机和牵引电机转动，并且将该两个电机的转动速度和角度位置反馈至上层控制器，从而实现主站与从站之间的数据通信；

传统电机驱动的一对一控制改为一对多控制，在双轴协调控制下，双轴伺服驱动器发出电机控制指令，同时控制转向电机和牵引电机转动，有效提高双电机转动在系统中协同控制的效果；

选用EtherCAT总线通信方式具有可靠性高、技术成熟、开放方便等优点，与普通现场总线相比，带宽利用率更高，响应速度更快，抗干扰能力强。同时EtherCAT灵活的拓扑结构，能实现双电机同步实时控制。

2.本发明设计根据驱动器控制实际应用中的工况需求，采用两种不同的控制策略，一种为位置闭环控制，一种为速度闭环控制。对转向电机的控制采用位置闭环控制，并结合绝对式编码器，准确定位任意时刻的转角信号，上电时刻不需要寻零操作；在保证转角精度的同时，加强了转向柔顺行，并保证了转向电机的转向姿态连续和稳定性。对牵引电机的控制采用速度闭环控制，并结合增量式编码器，速度闭环响应更快，实时执行来自上层控制器的速度指令，实现转速的平稳运行和快速调节，保证了牵引电机的目标运行轨迹。

3.通过牵引电机采用增量式编码器作为位置和速度的反馈装置，转向电机采用绝对值编码器作为位置反馈装置，能够在系统启动时刻检测到该两电机的转向角度，有利于提高轨迹指令在起始阶段的精度，消除轨迹偏移。

4.整个双轴驱动装置采用一体化设计，将双轴伺服驱动器、转向齿轮、轴承座、转向电机及牵引电机集成在一块控制板卡中，实现双轴伺服驱动器双轴分别同时控制转向电机及牵引电机；集成在一体化设计，极大缩减了双轴驱动装置体积和制造成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种基于EtherCAT通信的控制系统的示意图；

图2为本发明一种基于EtherCAT通信的控制系统的原理图；

图3为本发明一种基于EtherCAT通信的控制方法的流程图；

图4为本发明一种基于EtherCAT通信的控制方法的另一流程图；

图5为本发明一种双轴驱动控制装置的结构图。

附图标记：1-双轴伺服驱动器、2-转向齿轮、3-轴承座、4-转向电机、5-牵引电机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种基于EtherCAT通信的控制系统，参见图1和图2，包括：主站和从站，主站和从站之间通过EtherCAT总线进行数据通信，数据包括控制指令；

主站包括上层控制器，上层控制器用于发送控制指令至从站，控制指令包括速度指令和角度位置指令；

从站包括双轴伺服驱动器和伺服电机，伺服电机包括转向电机和牵引电机，双轴伺服驱动器接收控制指令，并根据控制指令控制牵引电机和转向电机转动；

双轴伺服驱动器还用于采集转向电机和牵引电机的速度和角度位置，并将速度和角度位置通过EtherCAT总线反馈至上层控制器。

本实施例中，本发明基于EtherCAT，实现主站和从站之间的数据通信；基于EtherCAT通信的控制端和发起端，能够在每个网络周期中接收从站数据帧，并对这些数据帧进行处理，然后上层控制器通过EtherCAT总线把处理过包括控制指令的数据帧发给双轴伺服驱动器，双轴伺服驱动器分别同时控制转向电机和牵引电机转动，并且将该两个电机的转动速度和角度位置反馈至上层控制器，从而实现主站与从站之间相互的数据通信。

在双轴协调控制下，双轴伺服驱动器发出电机控制指令，同时控制转向电机和牵引电机转动，有效提高双电机转动在系统中协同控制的效果；

选用EtherCAT总线通信方式具有可靠性高、技术成熟、开放方便等优点，与普通现场总线相比，带宽利用率更高，响应速度更快，抗干扰能力强。另外，EtherCAT灵活的拓扑结构，能有效实现对双电机同步实时控制。

本实施例中，双轴伺服驱动器包括用于采集牵引电机的速度和角度位置的增量式编码器、用于采集的转向电机的速度和角度位置的绝对式编码器；增量式编码器和绝对式编码器将采集的牵引电机的速度和角度位置及转向电机的速度和角度位置反馈至上层控制器。

通过牵引电机采用增量式编码器作为角度位置和速度的反馈装置，转向电机采用绝对值编码器作为角度位置反馈装置，能够在系统启动时刻检测到两电机的速度及转向角度位置，有利于提高轨迹指令在起始阶段的精度，消除轨迹偏移。

本发明设计根据驱动器控制实际应用中的工况需求，采用两种不同的控制策略，一种为位置闭环控制，一种为速度闭环控制。对转向电机的控制采用位置闭环控制，并结合绝对式编码器，准确定位任意时刻的转角信号，上电时刻不需要寻零操作；在保证转角精度的同时，加强了转向柔顺行，并保证了转向电机的转向姿态连续和稳定性；对牵引电机的控制采用速度闭环控制，并结合增量式编码器，速度闭环响应更快，实时执行来自上层控制器的速度指令，实现转速的平稳运行和快速调节，保证了牵引电机的目标运行轨迹。

本实施例中，双轴伺服驱动器包括第一路处理电路和第二路处理电路，第一路处理电路和第二路处理电路分别同时控制牵引电机和转向电机运行；第一处理电路连接牵引电机，控制牵引电机转动，第二处理电路连接转向电机，控制转向电机转动；其中，第一处理电路和第二处理电路同时接收上层控制器的控制指令，并且第一处理电路控制牵引电机的转动和第二处理电路控制转向电机的转动是同时进行的。

本实施例中，第一路处理电路包括第一速度控制器和第一电流控制器，上层控制器通过EtherCAT总线输出的速度指令与增量式编码器采集的牵引电机的速度反馈作为第一速度控制器的输入信号；第一速度控制器的输出信号与第一处理电路的第一电流反馈作为第一电流控制器的输入信号。

本实施例中，第二路处理电路包括位置控制器、第二速度控制器及第二电流控制器，上层控制器通过EtherCAT总线输出的角度位置指令与绝对式式编码器采集的转向电机的角度位置反馈作为位置控制器的输入信号；位置控制器的输出信号与绝对式编码器采集的转向电机的速度反馈作为第二速度控制器的输入信号；第二速度控制器的输出信号与第二处理电路的第二电流反馈作为第二电流控制器的输入信号。

实施例2

根据本发明的另一实施例，提供了一种基于EtherCAT通信的控制方法，参见图3和图4，包括以下步骤：

S101：上层控制器通过EthertCAT总线输出控制指令至双轴伺服驱动器，控制指令包括速度指令和角度位置指令；

S102：双轴伺服驱动器根据控制指令控制牵引电机和转向电机转动；

S103：双轴伺服驱动器采集牵引电机和转向电机转动的速度及角度位置；

S104：将采集到的牵引电机和转向电机的速度及角度位置通过EthertCAT总线反馈至上层控制器。

本实施例中，本发明基于EtherCAT，实现上层控制器和双轴伺服驱动器之间的数据通信；基于EtherCAT通信的控制端和发起端，能够在每个网络周期中接收从站数据帧，并对这些数据帧进行处理，然后上层控制器通过EtherCAT总线把处理过的包括控制指令的数据帧发给双轴伺服驱动器，双轴伺服驱动器分别同时控制转向电机和牵引电机转动，并且将该两个电机的转动速度和角度位置反馈至上层控制器，从而实现主站与从站之间的数据通信；

将传统电机驱动的一对一控制改为一对多控制，在双轴协调控制下，双轴伺服驱动器发出电机控制指令，同时控制转向电机和牵引电机转动，有效提高双电机转动在系统中协同控制的效果；

选用EtherCAT总线通信方式具有可靠性高、技术成熟、开放方便等优点，与普通现场总线相比，带宽利用率更高，响应速度更快，抗干扰能力强。同时EtherCAT灵活的拓扑结构，能实现双电机同步实时控制。

本实施例中，在上层控制器通过EthertCAT总线输出速度指令和位置指令至双轴伺服驱动器之前还包括：

S201：对速度指令和角度位置指令轨迹进行规划；

S202：将规划后的速度指令和位置指令编辑在EthertCAT总线数据帧上。

基于EtherCAT通信的控制端和发起端，能够在每个网络周期中接收从站数据帧，并对这些数据帧进行处理；在上层控制器输出速度指令和角度位置指令之前，上层控制器通过EtherCAT总线把包括控制指令的数据帧进行编码，编辑在EtherCAT数据帧上，然后把处理过的数据帧发给双轴伺服驱动器，从而实现上层控制器与双轴伺服驱动器之间的数据通信。

本实施例中，双轴伺服驱动器包括用于采集牵引电机的速度和角度位置的增量式编码器、用于采集的转向电机的速度和角度位置的绝对式编码器；增量式编码器将采集的牵引电机的速度和角度位置及绝对式编码器将采集的转向电机的速度和角度位置反馈至上层控制器。

通过牵引电机采用增量式编码器作为位置和速度的反馈装置，转向电机采用绝对值编码器作为位置反馈装置，能够在系统启动时刻检测到该两电机的转向角度，有利于提高轨迹指令在起始阶段的精度，消除轨迹偏移

本发明设计根据驱动器控制实际应用中的工况需求，采用两种不同的控制策略，一种为位置闭环控制，一种为速度闭环控制。对转向电机的控制采用位置闭环控制，并结合绝对式编码器，准确定位任意时刻的转角信号，上电时刻不需要寻零操作；在保证转角精度的同时，加强了转向柔顺行，保证了转向电机的转向姿态连续和稳定性；对牵引电机的控制采用速度闭环控制，并结合增量式编码器，速度闭环响应更快，实时执行来自上层控制器的速度指令，实现转速的平稳运行和快速调节，保证了牵引电机的目标运行轨迹。

实施例3

根据本发明的另一实施例，提供了一种双轴驱动控制装置，参见图5，包括：包括：依次分布的双轴伺服驱动器1、转向齿轮2、轴承座3、转向电机4及牵引电机5；双轴伺服驱动器1分别同时控制牵引电机5和转向电机4的转动；牵引电机5上安装有用于反馈牵引电机5转动速度及角度位置的增量式编码器，转向电机4上安装有用于反馈转向电机4转动速度及角度位置的绝对值编码器。

本实施例中，本设计中的驱动装置包括牵引电机5和转向电机4；牵引电机5采用增量式编码器作为位置和速度的反馈装置，安装在电机尾部；转向电机4采用绝对值编码器作为位置反馈装置，这样能够在系统启动时刻检测到转向电机4的转向角度，有利于提高轨迹指令在起始阶段的精度，消除轨迹偏移。

转向控制采用结合绝对式编码器，准确定位任意时刻的转角信号，上电时刻不需要寻零操作。在保证转角精度的同时，加强了转向柔顺行，保证了舵轮转向姿态连续和稳定性。牵引电机5控制结合增量式编码器，实时执行来自上层控制的速度指令，实现转速的平稳运行和快速调节，保证了舵轮的目标运行轨迹。

实施例中，转向电机4通过绝对式编码器得到经过转向齿轮2转换后的转向电机4的实际速度和位置。

本实施例中，双轴伺服驱动器1、转向齿轮2、轴承座3、转向电机4及牵引电机5集成在一块控制板卡中。

整个双轴驱动装置采用一体化设计，将双轴伺服驱动器1、转向齿轮2、轴承座3、转向电机4及牵引电机5集成在一块控制板卡中，实现双轴伺服驱动器1双轴分别同时控制转向电机4及牵引电机5；集成在一体化设计，极大缩减了双轴驱动装置体积和制造成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于EtherCAT通信的控制系统，其特征在于，包括：主站和从站，所述主站和所述从站之间通过EtherCAT总线进行数据通信；

所述主站包括上层控制器，所述上层控制器用于输出控制指令至所述从站，所述控制指令包括速度指令和角度位置指令；

所述从站包括带有EtherCAT网络接口的双轴伺服驱动器和伺服电机，所述伺服电机包括转向电机和牵引电机，所述双轴伺服驱动器接收所述控制指令，并控制所述牵引电机和所述转向电机运行；

所述双轴伺服驱动器还用于采集所述转向电机和所述牵引电机的速度和角度位置，并将所述速度和所述角度位置通过EtherCAT总线反馈至所述上层控制器。

2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT通信的控制系统，其特征在于，所述双轴伺服驱动器包括用于采集所述牵引电机的速度和角度位置的增量式编码器、用于采集的所述转向电机的速度和角度位置的绝对式编码器；所述增量式编码器和所述绝对式编码器将采集的所述牵引电机的速度和角度位置及所述转向电机的速度和角度位置反馈至所述上层控制器。

3.根据权利要求1所述的基于EtherCAT通信的控制系统，其特征在于，所述双轴伺服驱动器包括第一路处理电路和第二路处理电路，所述第一路处理电路和第二路处理电路分别同时控制所述所述牵引电机和所述转向电机运行。

4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT通信的控制系统，其特征在于，所述第一路处理电路包括第一速度控制器和第一电流控制器，所述上层控制器通过所述EtherCAT总线输出的所述速度指令与所述增量式编码器采集的所述牵引电机的速度反馈作为所述第一速度控制器的输入信号；所述第一速度控制器的输出信号与所述第一处理电路的第一电流反馈作为所述第一电流控制器的输入信号。

5.根据权利要求3所述的基于EtherCAT通信的控制系统，其特征在于，所述第二路处理电路包括位置控制器、第二速度控制器及第二电流控制器，所述上层控制器通过所述EtherCAT总线输出的所述角度位置指令与所述绝对式式编码器采集的所述转向电机的角度位置反馈作为所述位置控制器的输入信号；所述位置控制器的输出信号与所述绝对式编码器采集的所述转向电机的速度反馈作为所述第二速度控制器的输入信号；所述第二速度控制器的输出信号与所述第二处理电路的第二电流反馈作为所述第二电流控制器的输入信号。

6.一种基于EtherCAT通信的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

上层控制器通过EthertCAT总线输出控制指令至双轴伺服驱动器，所述控制指令包括速度指令和角度位置指令；

所述双轴伺服驱动器根据所述控制指令控制牵引电机和转向电机转动；

所述双轴伺服驱动器采集所述牵引电机和所述转向电机转动的速度及角度位置；

将采集到的所述牵引电机和所述转向电机的速度及角度位置通过所述EthertCAT总线反馈至所述上层控制器。

7.根据权利要求1所述的基于EtherCAT通信的控制方法，其特征在于，在所述上层控制器通过EthertCAT总线输出速度指令和位置指令至所述双轴伺服驱动器之前还包括：

对所述速度指令和所述位置指令轨迹进行规划；

将规划后的所述速度指令和所述位置指令编辑在所述EthertCAT总线数据帧上。

8.根据权利要求6所述的基于EtherCAT通信的控制方法，其特征在于，所述双轴伺服驱动器包括用于采集所述牵引电机的速度和角度位置的增量式编码器、用于采集的所述转向电机的速度和角度位置的绝对式编码器；所述增量式编码器将采集的所述牵引电机的速度和角度位置及所述绝对式编码器将采集的所述转向电机的速度和角度位置反馈至所述上层控制器。

9.一种双轴驱动控制装置，其特征在于，包括：依次分布的双轴伺服驱动器、转向齿轮、轴承座、转向电机及牵引电机；所述双轴伺服驱动器分别同时控制所述牵引电机和所述转向电机的转动；所述牵引电机上安装有用于反馈所述牵引电机转动速度及角度位置的增量式编码器，所述转向电机上安装有用于反馈所述转向电机转动速度及角度位置的绝对值编码器。

10.根据权利要求9所述的双轴驱动控制装置，其特征在于，所述双轴伺服驱动器、转向齿轮、轴承座、转向电机及牵引电机集成在一块控制板卡中。

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