專利名稱：一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動化和先進制造領域中的運動控制系統(tǒng)，具體涉及一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)。
背景技術：
運動控制系統(tǒng)是數(shù)控機床、機器人等一類機電一體化設備中的核心部分。一個典型的運動控制系統(tǒng)主要由運動控制器、驅動器、執(zhí)行器、傳感器和被控對象組成，整個系統(tǒng)的運動指令和驅動信息由運動控制器發(fā)出，通過驅動器完成對執(zhí)行器的驅動，因此運動控制器又是整個運動控制系統(tǒng)的核心。目前運動控制系統(tǒng)中的運動控制器控制架構正由封閉式架構向具有互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性的開放式體系架構方向發(fā)展。國內外，已有多種商品化的開放式運動控制器，如美國Delta Tau Data Systems公司的PMAC運動控制器，國內固高公司系列控制器。但是，這些運動控制器構成的運動控制系統(tǒng)結構復雜，開放程度低，互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性等都較差，而且通常要求用戶必須使用運動控制器所提供的標準功能才能進行運動控制系統(tǒng)的設計和二次開發(fā)，這使得運動控制系統(tǒng)特別是運動控制器的擴充和修改極為有限，造成用戶對供應商的依賴，并難以將自己的專業(yè)技術、控制算法等集成于運動控制系統(tǒng)內，完成對運動控制系統(tǒng)的重構。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在提供一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，以軸為單位進行規(guī)劃、設計和數(shù)據(jù)信息管理，使得運動控制系統(tǒng)的結構更加開放，進而解決現(xiàn)有運動控制系統(tǒng)開放程度低，互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性等都較差的問題，便于實現(xiàn)運動控制器的擴充和修改，快速實現(xiàn)以軸為單位的運動控制系統(tǒng)的重構。為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明所采用的技術方案如下一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，至少包括運動控制器1、傳感器 2、驅動器3、執(zhí)行器4和被控對象5，所述的運動控制器1與驅動器3相連，所述的運動控制器1還與傳感器2相連，所述的驅動器3與執(zhí)行器4相連，所述的傳感器2與執(zhí)行器4相連， 所述的執(zhí)行器4與被控對象5相連，所述的運動控制器1以軸為單位產生執(zhí)行器4的驅動信息，通過驅動器3驅動執(zhí)行器4運動，所述的運動控制器1主要由管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層、硬件接口驅動層和硬件接口層組成；所述的管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成均以軸為基本單位；所述的管理框架層至少包括軸管理框架6 ；所述的功能模塊框架層至少包括設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10和擴展功能框架11 ；所述的功能模塊層至少包括設定點發(fā)生器功能模塊12、控制器功能模塊13、測量系統(tǒng)功能模塊 14、執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15和擴展功能模塊16 ；所述的硬件接口驅動層至少包括軸管理框架硬件接口驅動17、傳感器接口驅動18和執(zhí)行器接口驅動19 所述的硬件接口層至少包括軸管理框架硬件接口 20、傳感器接口 21和執(zhí)行器接口 22 ；所述的軸管理框架6與設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10、擴展功能框架11和軸管理框架硬件接口驅動17相連，主要用于對定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10、擴展功能框架11和軸管理框架硬件接口驅動17的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架W和擴展功能框架11之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的設定點發(fā)生器框架7與設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊相連，主要用于對設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的設定點發(fā)生器功能模塊12，主要用于產塵軸的設定點數(shù)據(jù)信息所述的控制器框架8與控制器功能模塊13內部多個子功能模塊相連，主要用于對控制器功能模塊13內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成控制器功能模塊13內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的控制器功能模塊13，主要用于完成軸的閉環(huán)控制；所述的測量系統(tǒng)框架9與傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊相連，主要用于對傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的測量系統(tǒng)功能模塊14，主要用于完成對軸的傳感器2的檢測信息的處理；所述的執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊相連，主要用于對執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15，主要用于完成對軸的運動控制器1的驅動數(shù)據(jù)信息的處理；所述的擴展功能框架11與擴展功能模塊16內部多個子功能模塊相連，主要用于對擴展功能模塊16內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成擴展功能模塊 16內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的擴展功能模塊16，主要用于完成對軸的運動控制器1的功能擴展；所述的軸管理框架硬件接口驅動17與軸管理框架6和軸管理框架硬件接口 20相連，主要用于驅動軸管理框架硬件接口 20，以及完成軸管理框架6與軸管理框架硬件接口 20的數(shù)據(jù)信息交互；所述的傳感器接口驅動18與測量系統(tǒng)框架9和傳感器接口 21相連，主要用于驅動傳感器接口 21，以及完成測量系統(tǒng)框架9與傳感器接口 21的數(shù)據(jù)信息交互；所述的執(zhí)行器接口驅動19與執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口 22相連，主要用于驅動執(zhí)行器接口 22，以及完成執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口 22的數(shù)據(jù)信息交互；所述的軸管理框架硬件接口 20至少由通信接口 20-1和外部擴展接口 20-2組成， 所述的通信接口 20-1提供完成運動控制器1通信功能的硬件接口，所述的外部擴展接口 20-2提供運動控制器1擴展的硬件接口 ；所述的傳感器接口 21，提供運動控制器1與傳感器2相連的硬件接口 ；
所述的執(zhí)行器接口 22，提供運動控制器1與驅動器3相連的硬件接口。所述的功能模塊層中的設定點發(fā)生器功能模塊12、控制器功能模塊13、測量系統(tǒng)功能模塊14、執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15和擴展功能模塊16均由多個子功能模塊組成，每個子功能模塊完成單一子功能，每個子功能模塊彼此獨立非直接耦合。所述的以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)的運動控制器1中的功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成，均可根據(jù)實際工況下的軸的運動與控制需求進行增加、裁剪和修改，實現(xiàn)以軸為單位的運動控制系統(tǒng)的重構。本發(fā)明的特點和有益效果在于(1)以軸為單位對運動控制系統(tǒng)進行規(guī)劃與設計，并在運動控制器中采用軸管理框架對軸的各個功能框架和硬件驅動進行調用與數(shù)據(jù)管理，提高了運動控制系統(tǒng)的互操作性。(2)運動控制系統(tǒng)中的運動控制器功能模塊框架層、功能模塊層和硬件驅動層內部組成均可根據(jù)實際工況下的軸的運動與控制需求進行增加、裁剪和修改，因此提高了運動控制系統(tǒng)的可縮放性。(3)運動控制器中功能模塊層的功能模塊彼此獨立，且不直接與硬件驅動層通信， 因此當執(zhí)行器、傳感器、驅動器和被控對象改變后，可以通過更改硬件驅動層和對功能模塊進行最小修改，將該運動控制系統(tǒng)移植于數(shù)控機床、機器人等一類機電一體化設備中，提高了運動控制系統(tǒng)的可移植性和可互換性。(4)運動控制系統(tǒng)中的運動控制器完全開放，用戶可以將自己設計的功能模塊加入其中或對現(xiàn)有功能模塊重新組合，完成對運動控制系統(tǒng)的重構。


圖1為本發(fā)明的一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明如圖1所示，本發(fā)明的一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，至少包括運動控制器1、傳感器2、驅動器3、執(zhí)行器4和被控對象5，所述的運動控制器1與驅動器3 相連，所述的運動控制器1還與傳感器2如旋轉編碼器和光柵傳感器相連，所述的驅動器3 與執(zhí)行器4如電機相連，所述的傳感器2與執(zhí)行器4相連，所述的執(zhí)行器4與被控對象5如滾珠絲杠與工作臺相連的單軸機械平臺相連；所述的運動控制器1以軸為單位產生執(zhí)行器 4的驅動信息，通過驅動器3驅動執(zhí)行器4運動；所述的運動控制器1主要由管理框架層、 功能模塊框架層、功能模塊層、硬件接口驅動層和硬件接口層組成；所述的管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成均以軸為基本單位。所述的管理框架層至少包括軸管理框架6 ；所述的功能模塊框架層至少包括設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10和擴展功能框架11 ；所述的功能模塊層至少包括設定點發(fā)生器功能模塊12、控制器功能模塊13、測量系統(tǒng)功能模塊 14、執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15和擴展功能模塊16 ；所述的硬件接口驅動層至少包括軸管理框架硬件接口驅動17、傳感器接口驅動18和執(zhí)行器接口驅動19 ；所述的硬件接口層至少包括軸管理框架硬件接口 20、傳感器接口 21和執(zhí)行器接口 22。所述的軸管理框架6與設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10、擴展功能框架11和軸管理框架硬件接口驅動17相連，主要用于對定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10、擴展功能框架11和軸管理框架硬件接口驅動17的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10和擴展功能框架11之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的軸管理框架 6需要定義軸管理框架6與軸管理框架硬件接口驅動17、設定點發(fā)生器框架7、控制器框架 8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10和擴展功能框架11的數(shù)據(jù)信息接口，并開辟一存儲區(qū)用于對它們的數(shù)據(jù)信息進行存儲，以及完成軸管理框架硬件接口驅動17、設定點發(fā)生器框架7、控制器框架8、測量系統(tǒng)框架9、執(zhí)行系統(tǒng)框架10和擴展功能框架11執(zhí)行順序的規(guī)劃。所述的設定點發(fā)生器框架7與設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊相連，主要用于接收軸管理框架6管理的軸運動的命令和軸運動的起始位置、末位置和進給速度數(shù)據(jù)信息，對設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理， 以及將管理的數(shù)據(jù)信息傳送給軸管理框架6，并完成設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的設定點發(fā)生器框架7需要定義設定點發(fā)生器框架7 與設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個于功能模塊的數(shù)據(jù)信息接口，并開辟一存儲區(qū)用于數(shù)據(jù)信息的存儲，以及完成設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊執(zhí)行順序的規(guī)劃。所述的控制器框架8與控制器功能模塊13內部多個子功能模塊相連，主要用于接收軸管理框架6管理的軸設定點數(shù)據(jù)信息和軸閉環(huán)控制所需的反饋數(shù)據(jù)信息，對控制器功能模塊13內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及將管理的數(shù)據(jù)信息傳送給軸管理框架6，并完成控制器功能模塊13內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的控制器框架8需要定義控制器框架8與控制器功能模塊13內部多個子功能模塊的數(shù)據(jù)信息接口，并開辟一存儲區(qū)用于數(shù)據(jù)信息的存儲，以及完成控制器功能模塊13內部多個子功能模塊執(zhí)行順序的規(guī)劃。所述的測量系統(tǒng)框架9與傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊相連，主要用于接收軸管理框架6管理的軸傳感器信息，對傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及將管理的數(shù)據(jù)信息傳送給軸管理框架6，并完成傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的測量系統(tǒng)框架9需要定義測量系統(tǒng)框架9與傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊的數(shù)據(jù)信息接口，并開辟一存儲區(qū)用于數(shù)據(jù)信息的存儲，以及完成傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊執(zhí)行順序的規(guī)劃。所述的執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊相連，主要用于接收軸管理框架6管理的軸閉環(huán)控制輸出數(shù)據(jù)信息或軸開環(huán)控制設定點數(shù)據(jù)信息，對執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及將管理的數(shù)據(jù)信息傳送給軸管理框架6，并完成執(zhí)行器接口驅動 19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的執(zhí)行系統(tǒng)框架10 需要定義執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊的數(shù)據(jù)信息接口，并開辟一存儲區(qū)用于數(shù)據(jù)信息的存儲，以及完成執(zhí)行器接口驅動19 和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊執(zhí)行順序的規(guī)劃。所述的擴展功能框架11與擴展功能模塊20內部多個子功能模塊相連，主要用于接收軸管理框架6管理的軸運動與控制信息，對擴展功能模塊20內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及將管理的數(shù)據(jù)信息傳送給軸管理框架6，并完成擴展功能模塊20 內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的擴展功能框架11需要定義擴展功能框架11與擴展功能模塊20內部多個子功能模塊的數(shù)據(jù)信息接口，并開辟一存儲區(qū)用于數(shù)據(jù)信息的存儲，以及完成擴展功能模塊20內部多個子功能模塊執(zhí)行順序的規(guī)劃。所述的設定點發(fā)生器功能模塊12，由多個子功能模塊如急停功能模塊沈、進給運動功能模塊27和回參考點功能模塊觀組成，主要用于產生軸的設定點數(shù)據(jù)信息；所述的急停功能模塊沈，用于接收設定點發(fā)生器框架7的軸急停運動命令，采用T型曲線加減速控制產生軸急停運動所需的設定點數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給設定點發(fā)生器框架7 ；所述的進給運動功能模塊27，用于接收設定點發(fā)生器框架7的軸進給運動命令和軸運動的起始位置、末位置、進給速度數(shù)據(jù)信息，采用S曲線加減速控制產生軸進給運動所需的設定點數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給設定點發(fā)生器框架7 ；所述的回參考點功能模塊觀，用于接收設定點發(fā)生器框架7的軸回參考點運動命令和軸進給速度數(shù)據(jù)信息，采用S曲線加減速控制產生軸回參考點運動所需的設定點數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給設定點發(fā)生器框架7。所述的控制器功能模塊13，由多個子功能模塊如PID控制器四、前饋控制器30 和滑膜變結構控制器31組成，主要用于完成軸的閉環(huán)控制；所述的PID控制器四，用于接收控制器框架8的軸設定點數(shù)據(jù)信息和軸閉環(huán)控制所需的反饋數(shù)據(jù)信息，采用PID控制算法實現(xiàn)軸閉環(huán)控制，并將PID控制的輸出數(shù)據(jù)信息傳送給控制器框架8 ；所述的前饋控制器 30，用于接收控制器框架8的軸設定點數(shù)據(jù)信息中的速度和加速度數(shù)據(jù)信息，采用速度前饋與加速度前饋來消除于擾對軸運動與控制的影響，提高系統(tǒng)跟蹤控制性能，并將前饋控制輸出的數(shù)據(jù)信息傳送給控制器框架8 ；所述的滑膜變結構控制器31，用于接收控制器框架8的軸設定點數(shù)據(jù)信息和軸閉環(huán)控制所需的反饋數(shù)據(jù)信息，采用滑膜變結構控制算法實現(xiàn)軸閉環(huán)控制，并將滑膜變結構控制輸出的數(shù)據(jù)信息傳送給控制器框架8。所述的測量系統(tǒng)功能模塊14，由多個子功能模塊如傳感器計算功能模塊32和測量計算功能模塊33組成，主要用于完成對軸的傳感器2的檢測信息的處理；所述的傳感器計算功能模塊32，通過測量系統(tǒng)框架9接收傳感器接口驅動18檢測的旋轉編碼器和光柵傳感器的計數(shù)值，轉換為對應電機轉過的角度和單軸機械平臺運動的位移數(shù)據(jù)信息，并將其傳送給測量系統(tǒng)框架9 ；所述的測量計算功能模塊33，通過測量系統(tǒng)框架9接收傳感器計算功能模塊32轉換的電機轉過的角度和單軸機械平臺運動的位移數(shù)據(jù)信息，計算軸閉環(huán)控制所需的位置和速度數(shù)據(jù)信息，并將其作為軸位置閉環(huán)控制和速度閉環(huán)控制所需的反饋數(shù)據(jù)信息傳送給測量系統(tǒng)框架9。所述的執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15，由多個子功能模塊如執(zhí)行器計算模塊34組成，主要用于完成對軸的執(zhí)行器4的驅動數(shù)據(jù)信息的處理；所述的執(zhí)行器計算模塊34，通過執(zhí)行系統(tǒng)框架10接收軸閉環(huán)控制的輸出數(shù)據(jù)信息或設定點數(shù)據(jù)信息，轉換為執(zhí)行器4能夠識別的驅動數(shù)據(jù)信息，并將其送給執(zhí)行系統(tǒng)框架10。所述的擴展功能模塊20，由多個子功能模塊如錯誤檢查模塊35、誤差檢測模塊36、跟蹤模塊37和性能計算功能模塊38組成，主要用于完成對軸的運動控制器1的功能擴展；所述的錯誤檢查模塊35，通過擴展功能框架11接收軸運動與控制信息，用于檢查并處理軸運行與控制過程中產生的錯誤信息，將錯誤信息和處理結果傳送給擴展功能框架11 ； 所述的誤差檢測模塊36，通過擴展功能框架11接收軸運動與控制信息，用于檢測軸運動與控制過程產生的位置誤差、速度誤差、力矩誤差和穩(wěn)態(tài)誤差，將檢測結果傳送給擴展功能框架11 ；所述的跟蹤模塊37，通過擴展功能框架11接收軸運動與控制信息，用于對軸運動與控制過程中的數(shù)據(jù)跟蹤、函數(shù)跟蹤和狀態(tài)跟蹤，將跟蹤信息傳送給擴展功能框架11 ；所述的性能計算模塊38，通過擴展功能框架11接收軸運動與控制信息，計算軸運動與控制過程中的穩(wěn)定性、魯棒性能和響應速度，將計算結果傳送給擴展功能框架11。所述的軸管理框架硬件接口驅動17與軸管理框架6和軸管理框架硬件接口 20相連，主要用于驅動軸管理框架硬件接口 20，以及完成軸管理框架6與軸管理框架硬件接口 20的數(shù)據(jù)信息交互。所述的傳感器接口驅動18與測量系統(tǒng)框架9和傳感器接口 21相連， 主要用于驅動傳感器接口 21，以及完成測量系統(tǒng)框架9與傳感器接口 21的數(shù)據(jù)信息交互； 所述的執(zhí)行器接口驅動19與執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口 22相連，主要用于驅動執(zhí)行器接口 22，以及完成執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口 22的數(shù)據(jù)信息交互。所述的軸管理框架硬件接口 20至少由通信接口 20-1和外部擴展接口 20-2組成， 所述的通信接口 20-1主要包括以太網接口、RS232接口、USB接口和CAN總線接口，提供完成運動控制器1通信功能的硬件接口，所述的外部擴展接口 20-2主要包括I/O擴展接口和擴展總線接口，提供運動控制器1擴展的硬件接口。所述的傳感器接口 21，提供運動控制器 1與傳感器2相連的硬件接口。所述的執(zhí)行器接口 22，提供運動控制器1與驅動器3相連的硬件接口。所述的功能模塊層中的設定點發(fā)生器功能模塊12、控制器功能模塊13、測量系統(tǒng)功能模塊14、執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15和擴展功能模塊16均由多個子功能模塊組成，每個子功能模塊完成單一子功能，每個子功能模塊彼此獨立非直接耦合。所述的以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)的運動控制器1中的功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成，均可根據(jù)實際工況下的軸的運動與控制需求進行增加、裁剪和修改，實現(xiàn)以軸為單位的運動控制系統(tǒng)的重構。本發(fā)明可以快速實現(xiàn)以軸為單位的不同運動控制系統(tǒng)的重構，例如(1) 一個單軸開環(huán)運動控制系統(tǒng)的構成如圖1所示，軸管理框架6需要與軸管理框架硬件接口驅動17和執(zhí)行系統(tǒng)框架10相連，設定點發(fā)生器框架7和設定點發(fā)生器功能模塊12內部多個子功能模塊相連，執(zhí)行系統(tǒng)框架10與執(zhí)行器接口驅動19和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊15內部多個子功能模塊相連，執(zhí)行器接口驅動19與執(zhí)行器接口 22相連，執(zhí)行器接口 22與驅動器3相連，驅動器3與執(zhí)行器4，執(zhí)行器4與被控對象5相連。(2) 一個具有PID控制的單軸半閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的構成如圖1所示，基于上述的單軸開環(huán)運動控制系統(tǒng)的構成，軸管理框架6還需要與控制器框架8和測量系統(tǒng)框架9 相連，控制器框架8與控制器功能模塊13內部的PID控制器四相連，測量系統(tǒng)框架9與傳感器接口驅動18和測量系統(tǒng)功能模塊14內部多個子功能模塊相連，傳感器接口驅動18與傳感器接口 21，傳感器接口 21與傳感器2，傳感器2與執(zhí)行器4相連。(3) 一個具有復合控制的單軸全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的構成如圖1所示，基于上述的具有PID控制的單軸半閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的構成，控制器框架8還需要與控制器功能模塊13內部的前饋控制器30相連，傳感器2與被控對象5相連。(4) 一個具有滑膜變結構控制的單軸高性能全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的構成如圖1 所示，基于上述的具有復合控制的單軸全閉環(huán)運動控制系統(tǒng)，軸管理框架6還需要與擴展功能框架11相連，控制器框架8與控制器功能模塊13內部的滑膜變結構控制器31相連， 連接擴展功能框架11與擴展功能模塊16內部多個子功能模塊相連。本發(fā)明的一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，具有很好的開放性、互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性，具有廣泛的應用領域。通過本發(fā)明用戶可以根據(jù)需要，簡便、快速、可靠地重構所需的運動控制系統(tǒng)，減少開發(fā)、維護、升級成本和時間。最后說明的是本發(fā)明的一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)不局限于上述實施例，還可以做出各種修改、變換和變形。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術方案進行修改、修飾或等同變化，而不脫離本發(fā)明技術方案的思想和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1. 一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，至少包括運動控制器(1)、傳感器 O)、驅動器(3)、執(zhí)行器(4)和被控對象(5)，所述的運動控制器(1)與驅動器C3)相連，所述的運動控制器(1)還與傳感器( 相連，所述的驅動器C3)與執(zhí)行器(4)相連，所述的傳感器( 與執(zhí)行器(4)相連，所述的執(zhí)行器(4)與被控對象( 相連，其特征在于，所述的運動控制器(1)以軸為單位產生執(zhí)行器⑷的驅動信息，通過驅動器⑶驅動執(zhí)行器⑷ 運動；所述的運動控制器(1)主要由管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層、硬件接口驅動層和硬件接口層組成；所述的管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成均以軸為基本單位；所述的管理框架層至少包括軸管理框架(6)；所述的功能模塊框架層至少包括設定點發(fā)生器框架(7)、控制器框架(8)、測量系統(tǒng)框架(9)、執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)和擴展功能框架(11)；所述的功能模塊層至少包括設定點發(fā)生器功能模塊(12)、控制器功能模塊(13)、 測量系統(tǒng)功能模塊(14)、執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊(15)和擴展功能模塊(16)；所述的硬件接口驅動層至少包括軸管理框架硬件接口驅動(17)、傳感器接口驅動(18)和執(zhí)行器接口驅動 (19)；所述的硬件接口層至少包括軸管理框架硬件接口(20)、傳感器接口和執(zhí)行器接口 02)；所述的軸管理框架(6)與設定點發(fā)生器框架(7)、控制器框架(8)、測量系統(tǒng)框架(9)、 執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)、擴展功能框架(11)和軸管理框架硬件接口驅動(17)相連，主要用于對定點發(fā)生器框架(7)、控制器框架(8)、測量系統(tǒng)框架(9)、執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)、擴展功能框架(11)和軸管理框架硬件接口驅動(17)的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成設定點發(fā)生器框架(7)、控制器框架(8)、測量系統(tǒng)框架(9)、執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)和擴展功能框架(11)之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的設定點發(fā)生器框架(7)與設定點發(fā)生器功能模塊(1 內部多個子功能模塊相連，主要用于對設定點發(fā)生器功能模塊(12)內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理， 以及完成設定點發(fā)生器功能模塊(1 內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的設定點發(fā)生器功能模塊(12)，主要用于產生軸的設定點數(shù)據(jù)信息；所述的控制器框架(8)與控制器功能模塊(13)內部多個子功能模塊相連，主要用于對控制器功能模塊(13)內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成控制器功能模塊(13)內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的控制器功能模塊(13)，主要用于完成軸的閉環(huán)控制；所述的測量系統(tǒng)框架(9)與傳感器接口驅動(18)和測量系統(tǒng)功能模塊(14)內部多個子功能模塊相連，主要用于對傳感器接口驅動(18)和測量系統(tǒng)功能模塊(14)內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成傳感器接口驅動(18)和測量系統(tǒng)功能模塊(14)內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的測量系統(tǒng)功能模塊(14)，主要用于完成對軸的傳感器O)的檢測信息的處理；所述的執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)與執(zhí)行器接口驅動(19)和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊(15)內部多個子功能模塊相連，主要用于對執(zhí)行器接口驅動(19)和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊(15)內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成執(zhí)行器接口驅動(19)和執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊(15)內部多個子功能之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊(15)，主要用于完成對軸的運動控制器(1)的驅動數(shù)據(jù)信息的處理；所述的擴展功能框架(11)與擴展功能模塊(16)內部多個子功能模塊相連，主要用于對擴展功能模塊(16)內部多個子功能模塊的調用與數(shù)據(jù)信息管理，以及完成擴展功能模塊(16)內部多個子功能模塊之間的數(shù)據(jù)信息交互；所述的擴展功能模塊(16)，主要用于完成對軸的運動控制器(1)的功能擴展；所述的軸管理框架硬件接口驅動(17)與軸管理框架(6)和軸管理框架硬件接口 00) 相連，主要用于驅動軸管理框架硬件接口(20)，以及完成軸管理框架(6)與軸管理框架硬件接口 00)的數(shù)據(jù)信息交互；所述的傳感器接口驅動(18)與測量系統(tǒng)框架(9)和傳感器接口相連，主要用于驅動傳感器接口(21)，以及完成測量系統(tǒng)框架(9)與傳感器接口的數(shù)據(jù)信息交互；所述的執(zhí)行器接口驅動(19)與執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)與執(zhí)行器接口 02)相連，主要用于驅動執(zhí)行器接口(22)，以及完成執(zhí)行系統(tǒng)框架(10)與執(zhí)行器接口 0 的數(shù)據(jù)信息交互； 所述的軸管理框架硬件接口 OO)至少由通信接口 Q0-1)和外部擴展接口 O0-2)組成，所述的通信接口 O0-1)提供完成運動控制器(1)通信功能的硬件接口，所述的外部擴展接口 00- 提供運動控制器(1)擴展的硬件接口 ；所述的傳感器接口(21)，提供運動控制器(1)與傳感器( 相連的硬件接口 ； 所述的執(zhí)行器接口(22)，提供運動控制器(1)與驅動器C3)相連的硬件接口。
2.根據(jù)權利1所述的一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的功能模塊層中的設定點發(fā)生器功能模塊(12)、控制器功能模塊(13)、測量系統(tǒng)功能模塊 (14)、執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊(15)和擴展功能模塊(16)均由多個子功能模塊組成，每個子功能模塊完成單一子功能，每個子功能模塊彼此獨立非直接耦合。
3.根據(jù)權利1所述的一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，其特征在于所述的以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)的運動控制器(1)中的功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成，均可根據(jù)實際工況下的軸的運動與控制需求進行增加、裁剪和修改，實現(xiàn)以軸為單位的運動控制系統(tǒng)的重構。
全文摘要
一種以軸為單位模塊化可重構的運動控制系統(tǒng)，至少包括運動控制器1、傳感器2、驅動器3、執(zhí)行器4和被控對象5。運動控制器1主要由管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層、硬件接口驅動層和硬件接口層組成；管理框架層、功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成均以軸為基本單位，而且功能模塊框架層、功能模塊層和硬件接口驅動層內部的組成均可根據(jù)實際工況下的軸的運動與控制需求進行增加、裁剪和修改。本發(fā)明的有益效果是該系統(tǒng)可應用于機器人、數(shù)控機床等機電一體化設備中，具有很好的開放性、互操作性、可移植性、可縮放性和可互換性，可實現(xiàn)以軸為單位的運動控制系統(tǒng)的重構，減少開發(fā)、升級成本和時間。
文檔編號G05B19/414GK102289217SQ201110045958
公開日2011年12月21日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2011年2月25日
發(fā)明者孫紅濤, 李俚, 潘海鴻, 蔣敬杰, 譚華卿, 陳琳 申請人:廣西大學