CN115390496A - 基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法，本发明通过主站控制模块、从站通信模块、控制器模块、气源模块和气压输出模块连接，且气压输出模块对正向输出气压和/或负向输出气压进行调节输送的设置方式，从而实现快速气压调节和精确气压调节切换的多模式气压控制的目的，进而达到提高气压输送效率及输送精度的效果。

Description

基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，尤其涉及一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法。

背景技术

目前，随着软体机器人的深入研究，越来越多学者从事软体机器人的多模态行为操作、重构与集群，不同软体机器人的气压控制系统之间通常无法网络化联接。

对于同一气压驱动场景的气压控制系统输出气压调节，常用方法是分别单独使用比例阀和三通电磁阀进行输出气压调节：通过电压控制比例阀实现精确气压调节时，气压调节较慢，从而导致气压输送效率较低；通过PWM脉宽调制技术控制三通电磁阀通断实现对输出气压的快速调节，但由于气压输送调节较大，从而导致气压输送误差较大。

在现有的设计方案中，气压控制装置驱动软体机器人时，气压控制装置无法进行针对性的多模式控制。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法，旨在解决现有的气压控制装置功能单一的问题。

本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，其中，包括：

主站控制模块，用于输入控制信息；

从站通信模块，与所述主站控制模块通信连接，用于接收并发送所述控制信息；

控制器模块，与所述从站通信模块电连接，用于接收所述从站通信模块发送的控制信息；

气源模块，用于提供正向输出气压和/或负向输出气压；

气压输出模块，与所述气源模块及所述控制器模块连接，用于对所述正向输出气压和/或所述负向输出气压进行调节输送；

气压驱动模块，与所述气压输出模块连接，用于接收所述气压输出模块调节输送的正向输出气压和/或负向输出气压。

在一种实施方式中，所述气压输出模块包括：

第一电磁阀；

第二电磁阀，所述第二电磁阀的第二端与所述第一电磁阀的第一端连接；

第三电磁阀，所述第三电磁阀的第一端与所述气压驱动模块连接，所述第三电磁阀的第二端与所述第二电磁阀的第一端连接；

正压比例阀，所述正压比例阀的出气端与所述第一电磁阀的第二端连接；

负压比例阀，所述负压比例阀的出气端与所述第一电磁阀的第三端连接；

所述气源模块包括：

正向高压气源件，与所述正压比例阀的进气端连接；

真空气源件，与所述负压比例阀的进气端连接；

其中，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、正压比例阀及负压比例阀分别与所述控制器模块连接，所述第一电磁阀的第二端与所述正向高压气源件连接，所述第一电磁阀的第三端与所述真空气源件连接。

在一种实施方式中，所述控制装置还包括：

气压传感器模块，分别与所述气压驱动模块、所述气压输出模块及所述控制器模块连接，用于检测所述气压驱动模块的实时气压值并发送至所述控制器模块。

在一种实施方式中，所述控制器模块包括：

指令接收模块，与所述从站通信模块连接，用于接收所述控制信息；

数据发送模块，与所述从站通信模块连接，用于发送所述实时气压值；

第一转换器，所述第一转换器与所述气压传感器模块电连接；

实时气压反馈模块，与所述第一转换器连接，用于接收实时气压值，并更新气压控制指令；

连接端口，所述连接端口用于输出电磁阀开关信号和脉冲信号；

隔离板，所述隔离板的一端与所述连接端口连接，所述隔离板的另一端分别与所述第一电磁阀、第二电磁阀及第三电磁阀电连接；

第二转换器，分别与所述正压比例阀及所述负压比例阀电连接。

在一种实施方式中，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均为三通电磁阀，所述第二电磁阀的第二端为常闭端，所述第二电磁阀的第三端为常开端。

第二方面，本发明提供一种根据上述任一项所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，其中，所述方法包括：

获取主站控制模块对应的控制信息，并根据主站控制模块对应的控制信息，得到从站通信模块对应的控制信息；

根据所述从站通信模块对应的控制信息，得到所述控制器模块对应的控制信息；所述控制信息包括模式选择指令和气压值控制指令；

根据所述模式选择指令和所述气压值控制指令，确定气压输出模块对应的气压输出信息；其中，所述模式选择指令为快速气压调节模式或精确气压调节模式；

根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向气压驱动模块输送气压。

在一种实施方式中，所述方法还包括：

获取气压传感器模块对应的实时气压值，并根据所述实时气压值和所述气压输出信息，对所述气压输出模块进行调整。

在一种实施方式中，所述气压值控制指令为正向输出气压和/或负向输出气压，所述气压输出信息为快速正压调节模式、快速负压调节模式、快速正负压调节模式、精确正压调节模式、精确负压调节模式和精确正负压调节模式中的一种；

所述根据所述模式选择指令和所述气压值控制指令，确定气压输出模块对应的气压输出信息，包括：

当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速正压调节模式；或

当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速负压调节模式；或

当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速正负压调节模式；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确正压调节模式；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确负压调节模式；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确正负压调节模式。

在一种实施方式中，所述根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向气压驱动模块输送气压，包括：

当所述模式选择指令为快速气压调节模式时，控制正压比例阀和/或负压比例阀输出恒定气压；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式时，控制正压比例阀和/或负压比例阀输出气压大小。

在一种实施方式中，所述根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向所述气压驱动模块输送气压，还包括：

当所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，控制第一电磁阀的第二端与正向高压气源件连通；或

当所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，控制第一电磁阀的第三端与真空气源件连通；或

当所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，控制第一电磁阀的第二端与正向高压气源件以及第一电磁阀的第三端与真空气源件选择性开启。

有益效果：本发明提供了一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法，本发明通过主站控制模块、从站通信模块、控制器模块、气源模块和气压输出模块连接，且气压输出模块对正向输出气压和/或所述负向输出气压进行调节输送的设置方式，从而实现快速气压调节和精确气压调节切换的多模式气压控制的目的，进而达到提高气压输送效率及输送精度的效果。

附图说明

图1为本发明的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置的结构示意图。

图2为本发明的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法的流程图。

附图标记说明：

100、气压驱动模块；200、气压传感器模块；300、气压输出模块；301、正压比例阀；302、负压比例阀；303、第一电磁阀；304、第二电磁阀；305、第三电磁阀；400、气源模块；401、正向高压气源件；402、真空气源件；500、控制器模块；501、第二转换器；502、隔离板；503、连接端口；504、实时气压反馈模块；505、第一转换器；506、数据发送模块；507、指令接收模块；600、从站通信模块；700、主站控制模块；701、人机交互界面。

具体实施方式

本发明提供一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。

还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

对于同一气压驱动场景的气压控制系统输出气压调节，常用方法是分别单独使用比例阀和三通电磁阀进行输出气压调节：通过电压控制比例阀可实现精确气压调节，缺点在于过程缓慢；通过PWM脉宽调制技术控制三通电磁阀通断可实现对输出气压的快速调节，缺点在于与比例阀调节相比，气压调节误差大；两种气压调节方法单独使用将导致输出气压调节方式单一，无法兼顾两者的优点。

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，其名称的CAT为控制自动化技术(Control Automation Technology)字首的缩写。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，能够联结若干个多模式气压输出系统，实现对多体融合软体机器人多模式驱动，以及多体融合软体机器人集群的同步控制，如图1所示，所述控制装置包括：

主站控制模块700，用于输入控制信息；

从站通信模块600，与所述主站控制模块700通信连接，用于接收并发送所述控制信息；

控制器模块500，与所述从站通信模块600电连接，用于接收所述从站通信模块600发送的控制信息；

气源模块400，用于提供正向输出气压和/或负向输出气压；

气压输出模块300，与所述气源模块400及所述控制器模块连接，用于对所述正向输出气压和/或所述负向输出气压进行调节输送；

气压驱动模块100，与所述气压输出模块300连接，用于接收所述气压输出模块300调节输送的正向输出气压和/或负向输出气压；

气压传感器模块，分别与所述气压驱动模块、所述气压输出模块及所述控制器模块连接，用于检测所述气压驱动模块的实时气压值并发送至所述控制器模块。

值得说明的是，本发明的多模式气压控制装置应用设置于软体机器人，气压驱动模块100为软体机器人的结构或集群；正向输出气压和/或负向输出气压的大小可恒定或实时调节；主站控制模块700与从站通信模块600通过以太网线连接；从站通信模块600与控制器模块500电连接；气压驱动模块100和气压传感器模块200并联，且与气压输出模块300连接；控制器模块500与气压输出模块300及气压传感器模块200均电连接。

本发明通过主站控制模块700、从站通信模块600、控制器模块500、气源模块400和气压输出模块300，且气压输出模块300对正向输出气压和/或负向输出气压进行调节输送的设置方式，从而实现快速气压调节和精确气压调节切换的多模式气压控制的目的，进而达到提高气压输送效率及输送精度的效果。

具体通过气压输出模块300的第一电磁阀303切换正向输出气压和负向输出气压，通过第二电磁阀304根据气压调节模式调整气压输出(正压、负压以及正压或负压选择性的三种输出方式)，通过第三电磁阀开启或关闭气压输出模块。通过调节正压比例阀和负压比例阀，精确调节气压输出大小，实现精确调节模式；通过设置PWM信号，快速控制第二电磁阀的第二端和第三端交替开启，实现快速调节模式。

在一种实现方式中，所述气压输出模块300包括：

第一电磁阀303；

第二电磁阀304，所述第二电磁阀304的第二端(图1第二电磁阀的下方)与所述第一电磁阀303的第一端(图1第一电磁阀的上方)连接；

第三电磁阀305，所述第三电磁阀304的第一端(图1第三电磁阀的上方)与所述气压驱动模块100连接，所述第三电磁阀305的第二端(图1第三电磁阀的下方)与所述第二电磁阀304的第一端(图1第二电磁阀的上方)连接；

正压比例阀301，所述正压比例阀301的出气端与所述第一电磁阀的第二端(图一第一电磁阀下方左侧)连接；

负压比例阀302，所述负压比例阀302的出气端与所述第一电磁阀的第三端(图1第一电磁阀下方右侧)连接；

所述气源模块400包括：

正向高压气源件401，与所述正压比例阀301的进气端(图1正压比例阀下方)连接；

真空气源件402，与所述负压比例阀302的进气端(图1负压比例阀下方)连接；

其中，所述第一电磁阀303、第二电磁阀304、第三电磁阀305、正压比例阀301及负压比例阀302分别与所述控制器模块500连接，所述第一电磁阀303的第二端与所述正向高压气源件401连接，所述第一电磁阀303的第三端与所述真空气源件402连接。

具体地，如图1所示，第一电磁阀303和第二电磁阀304均为三通电磁阀，第三电磁阀305为二通电磁阀；高压气源机构400设置有正向高压气源401和真空气源402；气压输出机构300设置有第一电磁阀303、第二电磁阀304和第三电磁阀305，第三电磁阀305的第一端、第二端分别连接于气压驱动模块100及第二电磁阀304的第一端口，第一电磁阀303的第二端口与正向高压气源件401连接，第一电磁阀303的第三端口与真空气源件402连接；气压输出模块300还设置有正压比例阀301和负压比例阀302，正比例阀301的进气端与正向高压气源401连接，正比例阀301的出气端与第一电磁阀303的第二端口连接；负压比例阀302的进气端与真空气源件402连接，负压比例阀302的出气端与第一电磁阀303的第三端口连接。

在软体机器人工作时，正向高压气源件401用于向气压驱动模块100提供正向输出气压，真空气源件402用于向气压驱动模块100提供负向输出气压，保证气压输出模块300能够输出正压和/或负压(即正压、负压和正负压)；气压传感器200检测气压输出模块300的输出压力。

具体的，气压输出模块300通过连接高压气源400，能够输出可调节的正向和/或负向输出气压；气压输出模块300通过电连接控制模块500，能够可控地输出正压和/或负压，同时可以快速或者精确地调节输出正压和/或负压的大小，以达到控制气压驱动模块100的效果。

在气压输出过程中，第三电磁阀305的第一端和第二端均处于开启状态，第二电磁阀304的第一端与气压驱动模块100连通；当正向高压气源件401输出正向输出气压时，控制器模块500控制第一电磁阀303的第二端开启；当真空气源件402输出负向输出气压时，控制器模块500控制第一电磁阀303的第三端开启(即连通)；同时，与气压驱动模块100并联的气压传感器模块200实时检测气压输出机构300的工作压力(即实时气压值)。

需要说明的是，根据气压值指令判断正压、负压以及正负压模式，正压模式输出的气压只有正向(如0到100kpa)，负压模式输出的气压只有负向(如-100kpa到0)，正负压模式输出的气压可正可负(比如-100kpa到100kpa)，可输出气压的范围不同。

在一种实现方式中，如图1所示，所述控制器模块500包括：

指令接收模块507，与所述从站通信模块600连接，用于接收所述控制信息；

数据发送模块506，与所述从站通信模块600连接，用于发送所述实时气压值；

第一转换器505(即A/D转化模块)，所述第一转换器505与所述气压传感器模块200电连接；

实时气压反馈模块504，与所述第一转换器505连接，用于接收实时气压值，并更新气压控制指令；

连接端口503(即I/O端口)，所述连接端口503用于输出电磁阀开关信号和脉冲信号(即PWM信号)；

隔离板502(即I/O隔离板)，所述隔离板502的一端与所述连接端口503连接，所述隔离板502的另一端分别与所述第一电磁阀303、第二电磁阀304及第三电磁阀305电连接；

第二转换器501(即D/A转换模块)，分别与所述正压比例阀401及所述负压比例阀402电连接。

需要说明的是，气压输出模块工作在精确气压调节模式时，控制器模块通过D/A转换器控制比例阀输出气压，并通过I/O端口驱动I/O隔离板打开第二电磁阀的第二端口(第二端闭合与第一电磁阀的第一端连通，第三端与大气连通)，精确控制所述气压输出机构气压输出；

气压输出机构工作在快速气压调节模式时，控制器模块通过D/A转换器控制比例阀输出气压保持定值，控制器模块通过I/O端口驱动I/O隔离板输出PWM信号控制第二电磁阀的第二端口和第三端口交替开启，快速控制所述气压输出模块气压输出。

具体地，控制器模块500依次通过I/O端口503和I/O隔离板502连接第一电磁阀303、第二电磁阀304和第三电磁阀305；控制器模块500通过D/A转换器501连接正压比例阀301和负压比例阀302，另外，气压传感器模块200的数据由控制器模块500上的A/D转换器505进行处理，并由实时气压反馈模块200接收；指令接收模块507与从站通信模块600电连接，数据发送模块506与从站通信模块600电连接。

进一步地，将上述实时气压值通过第一转换器505(即A/D转换器)传递至实时气压反馈模块504，进而实现对气压的实时检测；同时，当不需要输出气压时，控制器模块500控制第三电磁阀305关闭，将气压输出机构300与气压驱动模块100隔绝开来，停止气压驱动模块100工作。

本发明通过在气压输出模块300的第一电磁阀303，使得气压输出模块300具备切换输出正向高压气源401和真空气源件402的功能，通过设置控制器模块500，并与中第一电磁阀303电连接，进而可以控制气压输出模块300输出正向和/或负向输出气压；通过气压输出模块300中正压比例阀301、负压比例阀302分别与控制器模块500电连接，进而能够精确调节气压输出模块300气压输出大小；通过气压输出模块300中第二电磁阀304与控制器模块500电连接，进而能够快速调节气压输出模块300气压输出大小；通过气压输出模块300中第三电磁阀305与控制器模块500电连接，进而可以控制第三电磁阀305封闭气压输出机构300；通过连接气压输出模块300与气压传感器模块200，进而能够检测气压输出机构300的实时气压值，从而做出反馈；通过气压输出模块300与控制器模块500电连接，进而方便通过控制器模块500控制压正比例阀301、负压比例阀302、第一电磁阀303、第二电磁阀304和第三电磁阀305的调节运行状态。

如图1所示，公知的控制器模块500，通过I/O端口503输出高低电平信号并经过I/O隔离板502放大，进而能够稳定控制第一电磁阀303的运行，选择合适的高压气源输出；同时，能够通过控制第三电磁阀305控制气压驱动模块100是否通气运行；另外，亦能够快速准确控制第一电磁阀303第二端和第三端的选择性开启，进而调整输出气压；通过D/A转换器501将控制器模块500与正压比例阀301或负压比例阀302相连，进而能够使比例阀气压输出精准受控；通过A/D转换器505与气压传感器200相连，进而能够实时获取气压数据。

控制器模块500通过指令接收模块507接收外部气压值控制指令和模式选择指令，打开第一三通电磁阀303的第二端口或第三端口以输出正压或负压，并根据指令气压值调整气压输出机构300输出；实时气压反馈模块504用于实时获取A/D转换器数据，并更新气压值控制指令。

在一种实现方式中，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均为三通电磁阀，所述第二电磁阀的第二端为常闭端(即连通状态)所述第二电磁阀的第三端为常开端(即与大气连通状态)。需要注意，此状态下包括精确调节模式(精确正压调节模式、精确负压调节模式和精确正负压模式)；在快速调节模式下的快速正压调节模式、快速负压调节模式和快速正负压调节模式，第二电磁阀304的第二端和第三端交替开启。

具体地，第二电磁阀304的第二端设置为常闭端，第三端口设置为常开端，通过将正压比例阀301输出的正向输出气压(高压气体)通过第一电磁阀303的第二端与第二电磁阀304的第二端相连，并设第二电磁阀304的第二端为常闭端，进而有效的保障了气压控制装置的气密性；通过将正压比例阀301输出的正向输出气压(高压气体)通过第一电磁阀303的第二端与第二电磁阀303的第二端连接，并设置第二电磁阀303的第三端为常开端，有利于保持所述气压驱动模块100中的气压平衡。

在一种实现方式中，主站控制模块700包括主站设备和设置于主站设备的以太网端口，所述主站设备还设置有人机交互界面701。

所述从站通信模块600的第一端口与所述主站控制模块700的以太网端口连接，所述从站通信模块600的第二端口与所述控制器模块500的指令接收模块507连接，所述从站通信模块600的第三端口与所述控制器模块500的数据发送模块506连接。

其中，所述从站通信模块500的第一端口是以太网端口，所述从站通信模块600的第二端口、第三端口是电连接端口。

在一种实现方式中，正压比例阀301和负压比例阀302输出气压与输入电压呈线性关系，控制器模块可通过调整D/A转换器501输出电压控制比例阀，精确调节气压输出模块输出气压大小；

PWM信号频率在60Hz至100Hz区间内，改变PWM信号占空比调整第二电磁阀304第二端的开闭时长，可使第二电磁阀304气压输出快速变化；PWM信号的占空比在20％至30％区间内，第二电磁阀304的输出气压与PWM信号占空比呈线性关系，控制器模块500可通过调整PWM信号占空比控制第二电磁阀，快速调节气压输出模块输出气压大小。

在一种实现方式中，主站控制模块700发送以太网数据帧给所述从站通信模块600，数据帧到达从站通信模块600后，从站通信模块600根据寻址从数据帧内提取气压值控制指令和模式选择指令，并把从A/D转换器获取的数据写入数据帧，返回至主站。

如图1所示，本发明的多模式气压控制装置的工作原理：

当选择快速气压调节模式：

快速正压调节模式：控制器模块通过D/A转换器501控制正压比例阀301输出正向输出气压保持恒定值，控制器模块通过I/O端口503驱动I/O隔离板502输出PWM信号控制第二电磁阀304的第二端和第三端交替开启(即快速切换)，快速控制气压输出模块气压输出正压；

快速负压调节模式：控制器模块通过D/A转换器501控制负压比例阀302输出负向输出气压保持恒定值，控制器模块通过I/O端口503驱动I/O隔离板502输出PWM信号控制第二电磁阀304的第二端和第三端交替开启(即快速切换)，快速控制气压输出模块气压输出负压；

快速正负压调节模式：控制器模块通过D/A转换器501控制正压比例阀301输出正向输出气压保持恒定值，且控制负压比例阀302输出负向输出气压保持恒定值，控制器模块通过输出电平信号控制第一电磁阀303的第二端和第三端选择性开启(在正压模式时第二端开启，负压模式时第三端开启)，通过PWM信号口供纸第二电磁阀的第二端和第三端，进而快速切换以实现气压输出模块快速控制气压输出正压或负压的目的；需要注意，第一电磁阀的第二端和第三端仅开启一个。

需要说明的是，快速正压调节模式、快速负压调节模式和快速正负压调节模式都是通过PWM控制第二电磁阀的第二端和第三端进行快速切换来得到所需的气压，此时比例阀输出的是恒定的气压，也就是说，三者的区别仅是输入气压范围不同，例如选择快速正压调节模式，所需的气压边便只能是正压；电平信号是在一个周期内，电平信号的值(即高电平或者低电平)是稳定的，通过电平信号调节第一电磁阀303的第二端开启或第三端开启；而脉冲信号(PWM信号)则是在一个周期内同时存在高电平和低电平，且在这个周期内存在的时间可以改变，高电平在一个周期里占的比例为占空比，通过脉冲信号调节第二电磁阀304的第二端或第三端选择性开启。

当选择精确气压调节模式：

精确正压调节模式，控制器模块通过调整D/A转换器501电压输出控制正压比例阀301输出气压，并通过I/O端口503驱动I/O隔离板502打开第一电磁阀301的第二端口和第二电磁阀301的第二端，精确实时控制气压输出模块气压输出正压；

精确负压调节模式，控制器模块通过调整D/A转换器501电压输出控制负压比例阀302输出气压，并通过I/O端口503驱动I/O隔离板502打开第一电磁阀301的第三端口和第二电磁阀301的第二端，精确实时控制气压输出模块气压输出负压；

精确正负压调节模式，控制器模块通过调整D/A转换器501电压输出控制正压比例阀301输出气压，并通过电平信号打开第一电磁阀301的第二端或第三端(选择性连通)，精确实时控制气压输出模块气压输出正压或负压。

需要说明的是，快速正负压调节模式、快速正压调节模式、快速负压调节模式时，通过PWM信号设置第二电磁阀304的第二端与第三端交替开启(间隔时间较短)，快速输出所需气压；精确正压调节模式、精确负压调节模式以及精确正负压调节模式时，第二电磁阀304的第一端和第二端保持连接，通过控制比例阀精确输出所需的气压。需要注意，在快速正负压调节模式和精确正负压调节模式下，通过识别所输入的气体为正压还是负压，从而确定相应的电平信号控制第一电磁阀连通我们所需要的通道。

基于上述实施例，本发明提供一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，应用于上述基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，如图2所示，所述方法包括如下步骤：

步骤S100、获取主站控制模块对应的控制信息，并根据主站控制模块对应的控制信息，得到从站通信模块对应的控制信息。

具体地，控制信息包括模式选择指令和气压值控制指令；主站控制模块经EtherCAT总线将数据传输至从站通信模块，从站通信模块向控制器模块发送模式选择指令和气压值控制指令。主站控制模块需要将相关的控制信息(即气压值控制指令)与模式选择信息(即模式选择指令)传输至从站通信模块，从站通信模块再将信息传递至控制器模块。

进一步，所述主站控制模块通过以太网线发出一条以太网帧到从站通信模块，从站通信通信模块从以太网帧提取有用的信息，并在对应的位置写入气压信息或返回主站控制模块，从站通信模块将有关控制信息与模式选择信息发送至控制器模块。

步骤S200、根据所述从站通信模块对应的控制信息，得到所述控制器模块对应的控制信息；所述控制信息包括模式选择指令和气压值控制指令。

具体地，所述气压值控制指令和模式选择指令由用户在所述主站设备的人机交互界面中输入，由所述主站控制模块发送至所述从站通信模块，再由所述从站通信模块发送至所述控制器模块中的指令接收模块。

步骤S300、根据所述模式选择指令和所述气压值控制指令，确定气压输出模块对应的气压输出信息；其中，所述模式选择指令为快速气压调节模式或精确气压调节模式。

在一种实现方式中，所述气压值控制指令为正向输出气压和/或负向输出气压，所述气压输出信息为快速正压调节模式、快速负压调节模式、快速正负压调节模式、精确正压调节模式、精确负压调节模式和精确正负压调节模式中的一种；

所述步骤S300具体包括：

步骤S311、当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速正压调节模式；或

步骤S312、当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速负压调节模式；或

步骤S313、当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速正负压调节模式；或

步骤S321、当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确正压调节模式；或

步骤S322、当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确负压调节模式；或

步骤S323、当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确正负压调节模式。

具体地，控制器模块控制第三电磁阀开启，将气压驱动模块和第二电磁阀的第一端连接；控制器模块接收输入的模式选择指令，并根据所述模式选择指令选择气压调节模式，分别为快速气压调节模式(包括快速正压调节模式、快速负压调节模式、快速正负压调节模式)和精确气压调节模式(包括精确正压调节模式、精确负压调节模式、精确正负压调节模式)。

需要说明的是，气压输出模块工作在正压调节模式时，输入气压值控制指令需为正值，气压输出模块工作在负压调节模式时，输入气压值控制指令需为负值，所述气压输出模块工作在正负压调节模式时，输入气压值控制指令正负值皆可。

通过接收外部输入的模式选择指令，控制器模块可以选择进行精确或快速气压调节模式，在需要精确气压驱动且对调节速度要求不高的场景下，适合使用精确气压调节模式；在需要快速对气压值控制指令做出反应且对精度要求较低的场景下，适合使用快速气压调节模式；另外选择正压调节模式、负压调节模式或者正负压调节模式，在只需要输出正向气压范围时，应选择正压调节模式；在只需要输出负向气压范围时，应选择负压调节模式；在需要输出正/负向气压范围时，应选择正负压调节模式。

步骤S400、根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向气压驱动模块输送气压。

值得说明的是，首先判断根据模式选择指令判断为快速气压调节模式或精确气压调节模式，然后判断气压值控制指令确定为正向输出气压、负向输出气压以及正向或负向选择性输出气压，也就是得到气压输出信息，从而相应启动气压输出模块的正压比例阀和/或负压比例阀以及启动第一电磁阀的第二端和/或第三端；气源模块通过气压输出模块，向气压驱动模块输出正向输出气压或负向输出气压。

在一种实现方式中，气压输出模块工作在快速气压调节模式时，控制器模块控制比例阀输出恒定气压，并控制第二电磁阀的第二端和第三端交替；气压输出模块工作在精确气压调节模式时，控制器模块控制比例阀输出气压大小。

所述步骤S400具体包括：

步骤S411、当所述模式选择指令仅为快速气压调节模式时，控制正压比例阀和/或负压比例阀输出恒定气压。

具体地，气压输出机构工作在快速气压调节模式时，控制器模块通过D/A转换器控制比例阀输出气压保持定值，控制器模块通过I/O端口驱动I/O隔离板输出PWM信号控制第二电磁阀的第二端口和第三端口交替开启，快速控制所述气压输出模块气压输出。

步骤S412、当所述模式选择指令仅为精确气压调节模式时，控制正压比例阀和/或负压比例阀输出气压大小。

具体地，气压输出模块工作在精确气压调节模式时，控制器模块通过D/A转换器控制比例阀输出气压，并通过I/O端口驱动I/O隔离板打开第二电磁阀的第二端口，精确控制所述气压输出机构气压输出。

在一种实现方式中，控制器模块接受输入的气压值控制指令，并根据气压值控制指令第一电磁阀的第二端或第三端开启，控制器模块通过指令接受模块接收气压值控制指令，并根据气压值控制指令的正负分别打开第一电磁阀的第二端或者第三端，进而向气压驱动模块输出正压或负压气体；也就是通过控制器模块判断气压值控制指令的控制气压值为正向输出气压(正向气压值)还是负向输出气压(负向气压值)。

步骤S421、当所述气压值控制指令为正向输出气压时，控制第一电磁阀的第二端与正向高压气源件连通。

具体地，当控制气压值为正向输出气压时，控制器模块通过I/O端口驱动I/O隔离板打开第一电磁阀的第二端；气源模块依次通过第一通电磁阀的第二端、第一电磁阀的第一端、第二通电磁阀的第二端、第二电磁阀的第一端和第三电磁阀，向气压驱动模块输出正向输出气压。

步骤S422、当所述气压值控制指令为负向输出气压时，控制第一电磁阀的第三端与真空气源件连通。

具体地，当控制气压值为负向输出气压时，控制器模块通过I/O端口驱动I/O隔离板打开第一电磁阀的第三端，气源模块依次通过第一电磁阀的第三端、第一电磁阀的第一端、第二电磁阀的第二端、第二电磁阀的第一端和第三电磁阀，向气压驱动模块输出负向输出气压。

步骤S423、当所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，控制第一电磁阀的第二端与正向高压气源件以及第一电磁阀的第三端与真空气源件选择性开启。

在一种实现方式中，当所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，识别所述的气压是正的还是负的，给予第一电磁阀相应的电平控制信号，让第一电磁阀与正向高压气源件或真空气源件连接。

具体地，如果是精确正负压模式，让第一电磁阀的第二端、第三端选择性开启，且第二电磁阀的第一端和第二端保持连接，通过控制比例阀精确输出所需的气压；如果是快速正负压模式，让第一电磁阀的第二端、第三端选择性开启，并通过PWM信号控制第二电磁阀的第二端和第三端交替开启得到所需的气压值。

步骤S500、获取气压传感器模块对应的实时气压值，并根据所述实时气压值和所述气压输出信息，对所述气压输出模块进行调整。

具体地，气压传感器检测气压输出模块的实时气压值，并发送至控制器模块以更新气压值控制指令，控制器模块接收气压传感器模块的实时气压值(即气压反馈)，精确/快速调节输出气压。控制器模块能够根据气压传感器检测值做出反应，通过更新气压值控制指令进而对气压输出模块输出气压大小进行精确或快速地调整；气压传感器检测值经过A/D转换器输入控制机构实时气压反馈模块，实时气压反馈模块对气压值控制指令进行更新，以实现精确气压调节。

完成后控制器模块控制第三电磁阀关闭，气压输出模块停止向气压驱动模块提供正向和/或负向输出气压，也就是说，控制器模块通过I/O端口及I/O隔离板关闭二通电磁阀，气压输出模块停止向气压驱动模块提供气压，进而使得所述气压驱动模块处于密封状态，暂停气压驱动。

需要说明的是，从所述A/D转换器获取的数据由数据发送模块发送至所述从站通信模块，再由所述从站通信模块发送至所述主站控制模块中，并显示于所述主站设备的人机交互界面。

综上所述，本发明提供了一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置及控制方法，所述控制装置的主站控制模块通过从站通信模块将控制指令和模式选择指令发送给控制器模块；通过将气源模块连通气压输出模块，使得气压输出模块配置有正向高压气源件和真空气源件；通过连接气压输出模块与气压传感器模块，使得控制器模块能够获取当前工作信息，并依此调整气压输出；通过在气压输出模块上设置第一电磁阀，使得气压输出模块具备切换输出正向高压气源和真空气源的结构；通过在气压输出模块上设置比例阀和第二电磁阀，使得控制器模块能够根据工作模式调整气压输出；通过在所述第二电磁阀和气压驱动机构之间设置二通电磁阀，进而可以控制第三电磁阀开启或关闭气压输出机构；通过设置D/A转换器，进而精确控制比例阀气压输出；通过设置PWM信号，进而快速控制第二电磁阀气压输出。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，其特征在于，包括：

主站控制模块，用于输入控制信息；

从站通信模块，与所述主站控制模块通信连接，用于接收并发送所述控制信息；

控制器模块，与所述从站通信模块电连接，用于接收所述从站通信模块发送的控制信息；

气源模块，用于提供正向输出气压和/或负向输出气压；

气压输出模块，与所述气源模块及所述控制器模块连接，用于对所述正向输出气压和/或所述负向输出气压进行调节输送；

气压驱动模块，与所述气压输出模块连接，用于接收所述气压输出模块调节输送的正向输出气压和/或负向输出气压。

2.根据权利要求1所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，其特征在于，所述气压输出模块包括：

第一电磁阀；

第二电磁阀，所述第二电磁阀的第二端与所述第一电磁阀的第一端连接；

第三电磁阀，所述第三电磁阀的第一端与所述气压驱动模块连接，所述第三电磁阀的第二端与所述第二电磁阀的第一端连接；

正压比例阀，所述正压比例阀的出气端与所述第一电磁阀的第二端连接；

负压比例阀，所述负压比例阀的出气端与所述第一电磁阀的第三端连接；

所述气源模块包括：

正向高压气源件，与所述正压比例阀的进气端连接；

真空气源件，与所述负压比例阀的进气端连接；

其中，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、正压比例阀及负压比例阀分别与所述控制器模块连接，所述第一电磁阀的第二端与所述正向高压气源件连接，所述第一电磁阀的第三端与所述真空气源件连接。

3.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：

气压传感器模块，分别与所述气压驱动模块、所述气压输出模块及所述控制器模块连接，用于检测所述气压驱动模块的实时气压值并发送至所述控制器模块。

4.根据权利要求3所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，其特征在于，所述控制器模块包括：

指令接收模块，与所述从站通信模块连接，用于接收所述控制信息；

数据发送模块，与所述从站通信模块连接，用于发送所述实时气压值；

第一转换器，所述第一转换器与所述气压传感器模块电连接；

实时气压反馈模块，与所述第一转换器连接，用于接收实时气压值，并更新气压控制指令；

连接端口，所述连接端口用于输出电磁阀开关信号和脉冲信号；

隔离板，所述隔离板的一端与所述连接端口连接，所述隔离板的另一端分别与所述第一电磁阀、第二电磁阀及第三电磁阀电连接；

第二转换器，分别与所述正压比例阀及所述负压比例阀电连接。

5.根据权利要求2所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制装置，其特征在于，所述第一电磁阀和所述第二电磁阀均为三通电磁阀，所述第二电磁阀的第二端为常闭端，所述第二电磁阀的第三端为常开端。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取主站控制模块对应的控制信息，并根据主站控制模块对应的控制信息，得到从站通信模块对应的控制信息；

根据所述从站通信模块对应的控制信息，得到所述控制器模块对应的控制信息；所述控制信息包括模式选择指令和气压值控制指令；

根据所述模式选择指令和所述气压值控制指令，确定气压输出模块对应的气压输出信息；其中，所述模式选择指令为快速气压调节模式或精确气压调节模式；

根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向气压驱动模块输送气压。

7.根据权利要求6所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取气压传感器模块对应的实时气压值，并根据所述实时气压值和所述气压输出信息，对所述气压输出模块进行调整。

8.根据权利要求7所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，其特征在于，所述气压值控制指令为正向输出气压和/或负向输出气压，所述气压输出信息为快速正压调节模式、快速负压调节模式、快速正负压调节模式、精确正压调节模式、精确负压调节模式和精确正负压调节模式中的一种；

所述根据所述模式选择指令和所述气压值控制指令，确定气压输出模块对应的气压输出信息，包括：

当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速正压调节模式；或

当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速负压调节模式；或

当所述模式选择指令为快速气压调节模式，且所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，确定所述气压输出信息为快速正负压调节模式；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确正压调节模式；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确负压调节模式；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式，且所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，确定所述气压输出信息为精确正负压调节模式。

9.根据权利要求7所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，其特征在于，所述根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向气压驱动模块输送气压，包括：

当所述模式选择指令为快速气压调节模式时，控制正压比例阀和/或负压比例阀输出恒定气压；或

当所述模式选择指令为精确气压调节模式时，控制正压比例阀和/或负压比例阀输出气压大小。

10.根据权利要求8所述的基于EtherCAT总线接口的多模式气压控制方法，其特征在于，所述根据所述气压输出信息，控制所述气压输出模块与所述气源模块连通，以通过所述气压输出模块向所述气压驱动模块输送气压，还包括：

当所述气压值控制指令仅为正向输出气压时，控制第一电磁阀的第二端与正向高压气源件连通；或

当所述气压值控制指令仅为负向输出气压时，控制第一电磁阀的第三端与真空气源件连通；或

当所述气压值控制指令为正向输出气压或负向输出气压时，控制第一电磁阀的第二端与正向高压气源件以及第一电磁阀的第三端与真空气源件选择性开启。

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