CN204229213U - 一种多轴联动伺服控制系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种多轴联动伺服控制系统，属于多轴联动伺服控制系统领域。本实用新型包括PC机，通过PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡与CAN/SERCOS总线之间进行连接，用作分布式网络控制的主机；CAN/SERCOS总线，连接主机与多于1个的伺服控制器，作为主机与各伺服控制器之间通讯通道；SERCOS接口电路与CAN收发器，用于伺服控制器与CAN/SERCOS总线的通讯连接；伺服控制器，包含主控模块和驱动模块，与伺服电机、SERCOS接口电路以及CAN收发器连接，用于控制和驱动伺服电机运行，并与主机进行通讯；SERCOS总线为工作总线，CAN总线通讯为备用总线，主控模块采用DSP+FPGA双处理器。本实用新型使系统的精度及响应速度大幅度提高。

Description

一种多轴联动伺服控制系统
技术领域
本实用新型涉及多轴联动伺服控制系统技术领域，更具体地说，涉及一种以SERCOS总线为主以CAN总线备用的、伺服控制器采用双处理器的多轴联动伺服控制系统。
背景技术
在多轴联动运动控制系统中，系统的运动误差是由各参与驱动电机合成运动形成的。如果将多轴联动伺服控制系统应用到机器人或者雕刻机中，由各个伺服电机驱动的多轴合成运动误差最终反映在轮廓误差上。较之单轴的跟踪误差，轮廓误差是影响轨迹跟踪精度的最主要因素，因此，多轴联动协同工作的好坏，直接影响到整个系统的控制性能。
传统的方法是仅仅通过改善各个单个控制器的性能来减少跟踪误差，从而间接减小了各轴之间的运动误差。然而，对于分布式控制系统而言，在单个轴的跟踪性能很好的前提下，如果缺乏同步协调，也不能保证多个轴共同作用的效果。
目前，RS485总线广泛应用到多轴联动伺服控制系统，然而其延时误差相对较大，使得各参数与轴之间以及各个模块之间的协调控制精度相对较低，从而限制了整个系统的精度提高。同时，RS485总线的通讯速率受传输距离的影响较大，也限制了其应用的范围，稳定性也有待于进一步提高。
实用新型内容
1.实用新型要解决的技术问题
本实用新型的目的在于克服现有技术中多轴联动运动控制系统运动误差较大且不够稳定的不足，提供了一种以SERCOS总线为主、以CAN总线为备用，分布式网络控制为基础的，伺服控制器采用双处理器的多轴联动伺服控制系统，以减小串行通讯以及控制器处理延时误差，提高了系统的同步性能，从而使系统的精度、响应速度及可靠性大幅度提高。
2.技术方案
为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
本实用新型的一种多轴联动伺服控制系统，包括PC机，通过PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡与CAN/SERCOS总线之间进行连接，用作分布式网络控制的主机；CAN/SERCOS总线，连接主机与多于1个的伺服控制器，作为主机与各伺服控制器之间的通讯通道；SERCOS接口电路，用于伺服控制器与SERCOS总线的通讯连接；CAN收发器，用于伺服控制器与CAN总线的通讯连接；伺服控制器，包含主控模块和驱动模块，所述的伺服控制器与伺服电机、SERCOS接口电路以及CAN收发器连接，伺服控制器用于控制和驱动伺服电机运行、并与主机进行通讯；所述的SERCOS总线为工作总线，CAN总线为备用总线，所述的主控模块采用DSP+FPGA双处理器。
作为本实用新型更进一步的改进，所述的DSP处理器采用TMS320LF2812芯片，负责控制电机与上位机通讯；所述的FPGA处理器采用ACEX EP1K30-144芯片，负责对系统数据进行采集与处理，DSP处理器与FPGA处理器之间采用SPI串行通讯。
作为本实用新型更进一步的改进，所述的驱动模块由仙童智能功率模块(IPM)FSBB20CH60F及其外围电路组成组成，IPM的控制信号输入端和DSP处理器的6路PWM输出引脚通过高速光耦TLP559IGM相连，IPM的信号输出端输出U、V、W三相电压直接与伺服电机相连，IPM的电源输入端经过整流器KBPC3510W为核心的电源电路接到将380V的工频三相交流电源。
作为本实用新型更进一步的改进，SERCOS接口电路中SERCOS接口处理芯片采用SERCON816芯片，SERCON816芯片及其外围电路构成伺服控制器与SERCOS总线连接的SERCOS接口电路。
作为本实用新型更进一步的改进，所述的CAN收发器采用SN65HVD230芯片。
作为本实用新型更进一步的改进，用于PC机与CAN/SERCOS总线之间通讯的PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡采用接口卡FC7502，接口卡FC7502负责连接主机与总线之间的信息转换。
作为本实用新型更进一步的改进，所述的伺服电机采用永磁同步电机。
3.有益效果
采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本实用新型的一种多轴联动伺服控制系统，将伺服系统的高速、高精度和无漂移等特点与SERCOS总线的高速数据通讯和环形网络控制等优点相结合，减小多模块之间的延时误差，同时采用DSP+FPGA双处理器控制，减小控制器本身的处理时间，提高控制器的处理速度和执行效率，以提高整个系统的控制精度和响应速度；
(2)本实用新型的一种多轴联动伺服控制系统，充分利用DSP处理器(TMS320F2812芯片)现成的CAN控制器模块，把CAN作为备用总线，以提高系统的可靠性；
(3)本实用新型的一种多轴联动伺服控制系统，结构设计合理，原理简单，便于推广使用。
附图说明
图1为本实用新型的一种多轴联动伺服控制系统总体框图；
图2为本实用新型中的从站伺服控制器及驱动电路图；
图3为本实用新型中的DSP处理器与SERCON816芯片及CAN总线收发器接线示意图；
图4为本实用新型中的DSP处理器与FPGA处理器的SPI通讯接口图。
具体实施方式
为进一步了解本实用新型的内容，结合附图及实施例对本实用新型作详细描述。
实施例1
本实施例的一种多轴联动伺服控制系统，采用分布式网络控制，如图1所示，包括PC机，通过PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡与CAN/SERCOS总线之间进行连接，用作分布式网络控制的主机，其中用于PC机与CAN/SERCOS总线之间通讯的PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡采用接口卡FC7502，负责连接主机与CAN/SERCOS总线之间的信息转换；CAN/SERCOS总线，分别与PC机、SERCOS接口电路和CAN收发器相连，连接主机与多于1个的伺服控制器，作为主机与各伺服控制器之间通讯通道，具体在本实施例中，伺服控制器为3个；SERCOS接口电路，分别与SERCOS总线和伺服控制器的主控模块相连，用于伺服控制器与SERCOS总线的通讯连接；CAN收发器，分别与CAN总线和伺服控制器的主控模块相连，用于伺服控制器与CAN总线的通讯连接；伺服控制器，包含主控模块和驱动模块，主控模块分别与SERCOS接口电路、CAN收发器、驱动模块、伺服电机相连，驱动模块分别与主控模块和伺服电机相连，伺服控制器用于控制和驱动伺服电机运行、并与主机进行通讯；所述的伺服电机分别与主控模块和驱动模块相连，伺服电机采用永磁同步电机。SERCOS总线为工作总线，CAN总线为备用总线，本实施例将伺服系统的高速、高精度和无漂移等特点与SERCOS总线的高速数据通讯和环形网络控制等优点相结合，减小多模块之间的延时误差，且充分利用DSP处理器(TMS320F2812芯片)现成的CAN控制器模块，把CAN作为备用总线，以提高系统的可靠性
如图2所示，所述的主控模块采用DSP+FPGA双处理器，DSP处理器采用TMS320LF2812芯片，负责电机控制与上位机通讯，FPGA处理器采用ACEXEP1K30-144芯片，负责对系统数据进行采集与处理，DSP处理器与FPGA处理器之间采用SPI串行通讯，FPGA处理器将电机的转速、电流、故障检测信号进行检测，并将采集到的数据进行数字滤波处理，将滤波后的数据，通过SPI接口发送到DSP处理器芯片，同时对拨码开关操作控制。采用双处理器控制，减小控制器本身的处理时间，提高控制器的处理速度和执行效率，以提高整个系统的控制精度和响应速度；FPGA处理器外围还设有故障检测电路，及时反馈故障信号。所述的驱动模块由仙童智能功率模块FSBB20CH60F及其外围电路组成组成，仙童智能功率模块的控制信号输入端和DSP处理器的6路PWM输出引脚通过高速光耦TLP559IGM相连，仙童智能功率模块的信号输出端输出U、V、W三相电压直接与伺服电机相连，仙童智能功率模块的电源输入端经过整流器KBPC3510W为核心的电源电路接到380V的工频三相交流电源。
如图2、图3所示，所述的SERCOS接口处理芯片采用SERCON816芯片，SERCON816芯片的D15-D0脚和A12-A1脚分别与TMS320LF2812芯片的XD15-XD0脚、XA11-XA0脚相连；SERCON816芯片的RDN、RWN、INT0、INT1、RSTN分别与TMS320LF2812芯片的XRD、XRW、XINT1、XINT2、TRST相连，接口之间设有电平转换电路；SERCON816芯片的TXD和RXD分别通过光发送器和光接收器与总线连接；SERCON816芯片及其外围电路构成伺服控制器与总线连接的接口电路。所述的CAN收发器采用SN65HVD230芯片，SN65HVD230芯片的D引脚和R引脚分别与TMS320LF2812芯片的CANTXA和CANRXA引脚相连；SN65HVD230芯片的CANH和CANL连接到总线上。
如图4所示，所述的双处理器控制采用SPI通讯，DSP处理器与FPGA处理器通过SPI接口连接，并在SPI通讯中将FPGA处理器设为主机，而将DSP处理器设为从机。
该系统的工作过程举例描述如下：
在系统运行过程中，由PC机设定并向各伺服控制器的主控模块发送动作指令，包括转速指令和位置指令。每个伺服控制器的主控模块通过SERCOS接口电路接收指令并进行处理成对应的转速和转角控制信号，并进入控制系统的算法，产生6路PWM控制脉冲，6路PWM控制伺服控制器的驱动模块控制伺服电机的转子转速和位置，主控模块与驱动模块采用光电耦合隔离。容易理解，这里的控制是基于对伺服电机8的转速和位置检测的基础之上的双闭环控制。
同时，主控模块将检测的伺服电机的转速和位置以及故障检测信号通过SERCOS接口电路连接到总线上以送至主机，主机根据各个伺服控制器上传的实时转速和位置数据进行分析与处理，计算出误差并进行在线调整指令和参数，同时对故障的类型进行判断与显示报警。此外，上传到主机的还有各伺服电机的运行参数，如电压、电流以及温度等。
根据本实施例，CAN总线为备用总线，主控模块的DSP芯片的CAN控制器通过CAN收发器与总线连接，作用与SERCOS总线类同，在通讯速率上劣于SERCOS总线通讯，故误差稍大。
以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：包括PC机，通过PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡与CAN/SERCOS总线之间进行连接，用作分布式网络控制的主机；CAN/SERCOS总线，连接主机与多于1个的伺服控制器，作为主机与各伺服控制器之间的通讯通道；SERCOS接口电路，用于伺服控制器与SERCOS总线的通讯连接；CAN收发器，用于伺服控制器与CAN总线的通讯连接；伺服控制器，包含主控模块和驱动模块，所述的伺服控制器与伺服电机、SERCOS接口电路以及CAN收发器连接，伺服控制器用于控制和驱动伺服电机运行、并与主机进行通讯；所述的SERCOS总线为工作总线，CAN总线为备用总线，所述的主控模块采用DSP+FPGA双处理器。
2.根据权利要求1所述的一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：所述的DSP+FPGA双处理器中DSP处理器采用TMS320LF2812芯片，负责控制电机与上位机通讯；FPGA处理器采用ACEX EP1K30-144芯片，负责对系统数据进行采集与处理，DSP处理器与FPGA处理器之间采用SPI串行通讯。
3.根据权利要求2所述的一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：所述的驱动模块由仙童智能功率模块FSBB20CH60F及其外围电路组成，仙童智能功率模块的控制信号输入端和DSP处理器的6路PWM输出引脚通过高速光耦TLP559IGM相连，仙童智能功率模块的信号输出端输出U、V、W三相电压直接与伺服电机相连，仙童智能功率模块的电源输入端经过整流器KBPC3510W为核心的电源电路接到380V的工频三相交流电源。
4.根据权利要求3所述的一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：SERCOS接口电路中SERCOS接口处理芯片采用SERCON816芯片，SERCON816芯片及其外围电路构成伺服控制器与SERCOS总线连接的SERCOS接口电路。
5.根据权利要求4所述的一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：所述的CAN收发器采用SN65HVD230芯片。
6.根据权利要求5所述的一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：用于PC机与CAN/SERCOS总线之间通讯的PCI-CAN/PCI-SERCOS接口卡采用接口卡FC7502，接口卡FC7502负责连接主机与总线之间的信息转换。
7.根据权利要求6所述的一种多轴联动伺服控制系统，其特征在于：所述的伺服电机采用永磁同步电机。
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