CN202997981U

CN202997981U - 基于sercos和can总线的多轴联动交流伺服控制系统

Info

Publication number: CN202997981U
Application number: CN2012206085796U
Authority: CN
Inventors: 陈孟元; 周萌; 陈跃东; 孙书诚; 凌海波; 许伍; 王虎; 叶路遥
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2012-11-03
Filing date: 2012-11-03
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-11-03

Abstract

本实用新型公开了一种基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，包括提供电力的电源管理模块；具有一控制芯片、根据PC机指令产生相应的控制信号来控制伺服电机转动的控制器模块；由电源、光电耦合器、整流器组成的电机驱动模块；耦合所述电机驱动模块、获取伺服电机当前转速的速度检测模块；用于存储数据的外部存储模块；SERCOS总线和CAN总线相互独立的通讯模块。本实用新型是一种控制与驱动为一体的交流伺服控制系统，实现了装置的控制和驱动，SERCOS总线提高了多轴联动伺服系统的控制精度，而且与CAN总线配合使用提高了系统的可靠性，适用于生产流水线、数控机床等各类需要交流伺服电机多轴联动驱动的运动控制。

Description

基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种交流伺服控制系统，尤其涉及一种基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统。

背景技术

传统的高精度电机运动控制一直是按照控制器和驱动器分离的道路相互独立发展的。传统的电机驱动器最早采用模拟电路控制的方法，随着微电子技术的发展，出现了数字、模拟控制，然后随着DSP技术的发展和大规模应用环境，出现了全数字控制电机驱动器，并出现了全数字电机控制驱动器，为全数字电机控制提供广阔的发展空间。电机控制专用DSP内部带有完善的电机控制所需要的各类信号的产生和检测单元，大大减轻了DSP内部的CPU的负担。同时随着现场总线技术的发展，SERCOS、CAN等现场总线得到了广泛的应用。这些技术的发展为网络化的控制与驱动一体的电机控制设备提供了技术条件。

目前多轴联动伺服控制多采用串行通讯的控制方法，上位机发送数据给第一个模块后，第一个模块开始运动，接着向第二个模块发送数据，第二个模块开始运动。随着模块的增多以及通讯距离的增加，形成的积累延时误差对各模块间的同步运动造成很大的影响。因此，选择合适的总线技术对系统控制精度非常重要。

DSP与智能功率模块需要设计合适的光电隔离电路。在驱动电路中，以整流器KBPC3510W为核心的电源电路，将380V的工频三相交流电整流成510V左右的直流电源输出。对于逆变桥，通常采用传统的分立式元件构成三相桥，需要配用驱动电路和保护电路，电路很繁冗，并且稳定性能不高。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述缺点和不足，本实用新型提供了一种基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，该系统适用于生产流水线、数控机床等各类需要交流伺服电机多轴联动驱动的运动控制。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，包括：

提供电力的电源管理模块；

具有一控制芯片、根据PC机指令产生相应的控制信号来控制伺服电机转动的控制器模块，选择TI公司的高速数字信号处理器TMS320LF2812为核心微处理器；

由电源、光电耦合器、整流器组成的电机驱动模块，采用东芝公司的高速光电耦合器作为智能功率模块(IPM)和DSP之间的隔离耦合接口，以整流器KBPC3510W为核心的电源电路，将380V的工频三相交流电整流成510V左右的直流电源输出，传统的逆变桥电路繁冗，为精简电路，提高系统的稳定性，本系统的逆变桥采用仙童公司的高度集成的智能功率模块FS-BB20CH60F；

耦合所述电机驱动模块、获取伺服电机当前转速的速度检测模块；

用于存储通讯结构数据的外部存储模块；

SERCOS总线和CAN总线相互独立的通讯模块。

优选的，所述控制系统还包括由上位机和通讯网络，所述上位机采用提供人机交互界面的Windows操作系统和标准的Visual C++语言环境，通过所述界面进行参数设置、发送控制命令和数据信息、对运动数据及状态信息进行采集、显示，通过SERCOS/CAN总线接口实现PC机与多轴伺服驱动系统的串行与并行组网连接。

进一步优选的，所述上位机分为编写代码文本的用户层和解析代码规划出各伺服电机的运动方式、并通过SERCOS总线向从站的伺服控制器发送控制命令的规划层。

进一步优选的，所述多轴伺服驱动系统的组网方式为一主多从，即PC机为主模块，伺服驱动系统均为从模块，主从关系不变。

进一步优选的，SERCOS协议的通讯速率为2Mbit/s、4Mbit/s、8Mbit/s或16Mbit/s，在外围设置有拨码开关，方便对波特率进行设置。

优选的，所述速度检测模块为光电编码器，DSP的捕获单元(CAP)直接接受所述光电编码器的正交编码脉冲信号，获得电机的转速，减轻CPU处理任务，使DSP在最短时间里完成PWM信号的产生和对电机转速信号的检测。

优选的，所述控制芯片通过上位机给定的参数和命令控制伺服电机的转动。

优选的，所述电源管理模块设有一低压稳压芯片。

进一步优选的，所述控制器模块、所述速度检测模块、所述电机驱动模块和所述外部存储模块均设有一稳压芯片。

优选的，通过PC主机规划出各伺服电机的运动方式，经所述SERCOS总线向从站的伺服控制器发送控制命令，所述CAN总线为备用总线，以增加通讯模块的稳定性。

本实用新型的通信接口采用第二代SERCOS处理芯片SERCON816为核心的接口电路。由于PC主机没有与SERCOS总线通讯的接口，所以选择德国BECKHOFF公司的基于SERCOS总线的现场总线接口卡FC7502，它有两个现场总线通道，连接的现场总线设备数量可达254个。

与现有技术相比，本实用新型利用了电机控制专用的DSP的丰富硬件性能，将总线技术融合其中，实现了单一装置的控制和驱动，是一种控制与驱动为一体的交流伺服控制系统，SERCOS总线提高了多轴联动伺服系统的控制精度，而且，与CAN总线配合使用，提高了系统的可靠性。因此，本实用新型是一种集成网络技术、运动轨迹控制和电机驱动控制位一体的电机伺服驱动装置，适应生产流水线、数控机床的发展需要。

附图说明

图1是基于SERCOS和CAN总线的多轴联动伺服控制系统总体框图；

图2是从站伺服控制器及驱动电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示的一种基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，包括电源管理模块、控制器模块、电机驱动模块、速度检测模块、外部存储模块和通讯模块。

本实用新型通过SERCOS或CAN总线接口，实现PC机与多轴驱动机构的串行组网连接，对多轴系统的组网方式为一主多从，即只有一个控制模块为主模块，主模块就是连接PC机的控制模块，其余均为从模块，主从关系不能随意改变。

电源管理模块用于给该基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统提供电力，但不限于本实施例所提供的内容。在系统正常工作过程中，各模块的额定工作电压不尽相同，所以，适当的选择稳压芯片与该控制器模块、速度检测模块、电机驱动模块、外部存储模块和通讯模块一起配合使用，以确保各模块稳定工作。

控制器模块采用TI公司的高速数字信号处理器TMS320F2812为核心控制芯片，DSP通过采集光电编码器反馈信号，得到当前的位置和速度；通过自带的SPI口读取电流采样电路和A/D转换电路的结果，再通过软件PID调节器，得到PWM输出，以获得给定的速度、位置和力矩。

电机驱动模块采用东芝公司的高速光电耦合器KBPC3510W作为电机驱动模块和DSP之间的隔离耦合接口，DSP输出的PWM信号经过TLP5591GM的高位输出拉高后可直接驱动IPM，而且其具有共模噪声短暂免疫能力，可以减少伺服电机运行时对DSP产生的干扰。在驱动电路中，以整流器KBPC3510W为核心的电源电路，将380V的工频三相交流电整流成510V左右的直流电源输出。对于逆变桥，采用采用仙童公司的高度集成的智能功率模块FS-BB20CH60F代替传统的分立式元件构成三相桥，不仅可以精简电路，还能提高系统的稳定性。

速度检测模块藕接电机驱动模块，用于获取伺服电机当前的转速信号和位置信号反馈给微处理器并共享给上位机实时监测，伺服电机的运动偏差可由其伺服控制器自行调节。

存储模块用于存储数据。

在通讯模块中，PC主机与处理器间通过SERCOS和CAN总线进行通讯，上位机规划出各伺服电机的运动方式，并通过SERCOS总线向从站的伺服控制器发送控制命令。SERCOS总线在通讯速率和通讯介质都具有很大的优势，其专门是为数字伺服系统开发的，因此，在固定的通讯速率下，多轴联动伺服控制系统的延时误差都远远低于RS485和CAN。同时，为增加通讯模块的稳定性，系统采用CAN总线作为备用总线。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而非限制本实用新型所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims

1.一种基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，包括：

提供电力的电源管理模块；

具有一控制芯片、根据PC机指令产生相应的控制信号来控制伺服电机转动的控制器模块；

由电源、光电耦合器、整流器组成的电机驱动模块；

用于存储通讯结构数据的外部存储模块；

SERCOS总线和CAN总线相互独立的通讯模块。

2.根据权利要求1所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括由上位机和通讯网络，所述上位机采用提供人机交互界面的Windows操作系统和标准的Visual C++语言环境，通过所述界面进行参数设置、发送控制命令和数据信息、对运动数据及状态信息进行采集、显示，通过SERCOS/CAN总线接口实现PC机与多轴伺服驱动系统的串行与并行组网连接。

3.根据权利要求2所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，所述多轴伺服驱动系统的组网方式为：PC机为主模块，伺服驱动系统均为从模块，主从关系不变。

4.根据权利要求2所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，SERCOS协议的通讯速率为2Mbit/s、4Mbit/s、8Mbit/s或16Mbit/s，在外围设置有拨码开关。

5.根据权利要求1所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，所述速度检测模块为光电编码器。

6.根据权利要求1所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，所述控制芯片通过上位机给定的参数和命令控制伺服电机的转动。

7.根据权利要求1所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，所述电源管理模块设有一低压稳压芯片。

8.根据权利要求7所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，所述控制器模块、所述速度检测模块、所述电机驱动模块和所述外部存储模块均设有一稳压芯片。

9.根据权利要求1所述的基于SERCOS和CAN总线的多轴联动交流伺服控制系统，其特征在于，通过PC机规划出各伺服电机的运动方式，经所述SERCOS总线向从站的伺服控制器发送控制命令，所述CAN总线为备用总线。