一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，包括主控模塊、ATmega128單片機、反饋采集模塊、專用數(shù)字IO模塊、通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊、電源處理模塊；所述主控模塊分別與通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、ATmega128單片機、連接，ATmega128單片機、與專用數(shù)字IO模塊連接，ATmega128單片機、與電機控制信號輸出模塊連接，反饋采集模塊與ATmega128單片機、連接；通用數(shù)字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋采集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅(qū)動器接口與電機驅(qū)動器連接；其優(yōu)點是：系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)多軸運動控制功能，大幅度降低了開發(fā)平臺成本，特別適用高校教學(xué)、低端產(chǎn)品開發(fā)需求。
【專利說明】一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，特別涉及一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，用于高校教學(xué)和產(chǎn)品開發(fā)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，市場上的運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺多采用嵌入式計算機或DSP核心，雖然功能強大、性能優(yōu)異，但成本較高，多數(shù)低成本產(chǎn)品無法使用，高校教學(xué)等需求也無法大面積普及。
[0003]而以單片機為主的低成本芯片卻普遍并不為運動控制等高端應(yīng)用所接受，只用來從事一些邏輯控制。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，如航天飛機，仍然用單片機系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)開發(fā)工作，以保證穩(wěn)定性，并使其發(fā)揮出最大效能，說明低成本芯片仍然能在復(fù)雜的系統(tǒng)中應(yīng)用。因此，應(yīng)用低成本芯片開發(fā)用于高校教學(xué)、低端產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域的運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺不僅成本底，而且能夠足用戶的需要。而目前尚無此類產(chǎn)品在市場上出現(xiàn)，文獻(xiàn)中也未見相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的就是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，利用單片機構(gòu)成主控模塊，通過主控模塊控制其它電路模塊，設(shè)計制作多軸運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)有和控制面板、反饋信號、計算機、限位開關(guān)、光電開關(guān)、編碼器及電機驅(qū)動器的接口，充分利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)多軸運動控制功能，以求大幅度降低開發(fā)平臺成本，適用高校教學(xué)、低端產(chǎn)品開發(fā)需求。
[0005]本實用新型是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，其特征在于:開發(fā)平臺電路包括主控模塊、核心算法模塊、反饋采集模塊、專用數(shù)字IO模塊、通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊和電源處理模塊；
[0006]所述電源處理模塊與主控模塊連接，主控模塊分別與通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、核心算法模塊連接，核心算法模塊與專用數(shù)字IO模塊連接，核心算法模塊與電機控制信號輸出模塊連接，反饋采集模塊與核心算法模塊連接；通用數(shù)字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋采集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅(qū)動器接口與電機驅(qū)動器連接；所述主控模塊由ATmegal28單片機構(gòu)成，用于完成綜合控制、邏輯控制、通訊功能；所述核心算法模塊由一塊ATmegal28單片機構(gòu)成；所述通用數(shù)字IO模塊采用74HC595芯片，74HC595芯片通過TLP521-4光電隔離芯片與構(gòu)成主控模塊的ATmegal28單片機連接。
[0007]所述專用數(shù)字I/O模塊由MCU (ATmegal28)、編碼器、行程限制元件、回零標(biāo)志電路、放大器使能電路、比較相等輸出電路、方向輸出電路、電機驅(qū)動器和放大器出錯電路連接組成；放大器使能電路輸入端與ATmegal28的一個I/O端口連接；比較相等輸出電路分別與ATmegal28的一個I/O端口、放大器使能電路輸出端、方向輸出電路連接；方向輸出電路由比較相等輸出電路控制，其輸出端連接電機驅(qū)動器；放大器出錯電路包括AD電壓采集芯片，AD電壓采集芯片連接電機驅(qū)動器的工作電壓(測試)端。
[0008]所述通訊模塊包括RS232模塊、CAN模塊、以太網(wǎng)模塊，此三個模塊并行通訊，使用者可采用這三種中任何一種通訊方式使上位機與控制系統(tǒng)連接；采用RS232、CAN、以太網(wǎng)三種通訊方式與上位機進(jìn)行通訊，通訊模塊使主控模塊與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；所述電機控制信號輸出模塊由HCPL2630高速光電隔離芯片與其相關(guān)濾波電路構(gòu)成；所述電源處理模塊由7805芯片與7812芯片及其相關(guān)濾波電路構(gòu)成，為系統(tǒng)提供5V及±12V系統(tǒng)電源。
[0009]本實用新型的有益效果是，具有標(biāo)準(zhǔn)的運動控制開發(fā)平臺架構(gòu)，具有多軸開發(fā)能力，可在低成本的基礎(chǔ)上對大多數(shù)運動控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)、驗證及改進(jìn)。系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有設(shè)備實現(xiàn)多軸運動控制功能，大幅度降低了開發(fā)平臺成本，特別適用高校教學(xué)、低端產(chǎn)品開發(fā)需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1、是本實用新型的系統(tǒng)組成框圖；
[0011]圖2、是本實用新型的核心算法模塊控制原理圖；
[0012]圖3、是本實用新型系統(tǒng)應(yīng)用示意圖；
[0013]圖4、電機控制原理圖；
[0014]圖5、專用數(shù)字IO模塊組成框圖。
【具體實施方式】
[0015]為了更清楚的理解本實用新型，結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)描述本實用新型:
[0016]具體實施例子:飛機模擬機的“隨動油門臺”
[0017]在此項目中采用本實用新型對兩個電機進(jìn)行高精度控制，本項目中電機帶動兩個油門擺桿進(jìn)行圓周運動，油門擺桿總行程為120度，要求控制精度達(dá)到0.05度，當(dāng)油門擺桿達(dá)到O度與120度這兩端時，電機不再向前運動。本實用新型中采用6000線的差分編碼器作為反饋器件，本實用新型可對6000線的差分信號進(jìn)行4分頻，從而使精度提高四倍。在O度與120度兩端采用光電開關(guān)進(jìn)行限位，當(dāng)油門擺桿運動到這兩端時觸動“專用I/O”則停止運動，不會出現(xiàn)超出這個范圍的運動。本實用新型對電機實行高精度控制，控制精度達(dá)到0.015度，并把電機運動軌跡反饋到上位機，同時反饋速度信息，位置信息。
[0018]多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，開發(fā)平臺電路包括主控模塊、核心算法模塊、反饋采集模塊、專用數(shù)字IO模塊、通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊、電源處理模塊；
[0019]電源處理模塊與主控模塊連接，主控模塊分別與通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、核心算法模塊連接，核心算法模塊與專用數(shù)字IO模塊連接，核心算法模塊與電機控制信號輸出模塊連接，反饋采集模塊與核心算法模塊連接；通用數(shù)字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋采集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅(qū)動器接口與電機驅(qū)動器連接；
[0020]主控模塊由ATmegal28單片機構(gòu)成，用于完成綜合控制、邏輯控制、通訊功能；
[0021]所述核心算法模塊由一塊ATmegal28單片機構(gòu)成,主要用于對反饋信息、專用IO信息進(jìn)行采集和運算；
[0022]反饋采集模塊由高速光電隔離芯片及差分電路構(gòu)成，再由差分電路對隔離后的信息進(jìn)行差分，然后送入主控模塊，減少反饋信息所受到的環(huán)境干擾；
[0023]通用數(shù)字IO模塊采用74HC595芯片，74HC595芯片通過TLP521-4光電隔離芯片與構(gòu)成主控模塊的ATmegal28單片機連接，實現(xiàn)I/O拓展，增加I/O數(shù)量；采用TLP521-4光電隔離芯片采集信息，從而保護(hù)主控模塊的穩(wěn)定工作；
[0024]專用數(shù)字I/O模塊由MCU (ATmegal28)、編碼器、行程限制元件、回零標(biāo)志電路、放大器使能電路、比較相等輸出電路、方向輸出電路、電機驅(qū)動器和放大器出錯電路連接組成；
[0025]行程限制元件用于電機的限位、回零標(biāo)志電路用于觸發(fā)電機，令其轉(zhuǎn)動到零點、放大器出錯電路用于采集電機驅(qū)動器工作電壓，當(dāng)電機電流過大，觸發(fā)放大器出錯電路向系統(tǒng)傳送出錯信號，主控模塊發(fā)出指令使電機停止轉(zhuǎn)動；
[0026]放大器使能電路輸入端與ATmegal28的一個I/O端口連接，當(dāng)ATmegal28的I/O端口電平有效時，觸發(fā)則放大器電路使能；
[0027]比較相等輸出電路分別與ATmegal28的一個I/O端口、放大器使能電路輸出端、方向輸出電路連接，對從放大器出錯電路采集的電平與系統(tǒng)設(shè)定電平進(jìn)行比較，如采集的電平與系統(tǒng)設(shè)定電平相等，則觸發(fā)此功能；
[0028]方向輸出電路由比較相等輸出電路控制，其輸出端連接電機驅(qū)動器，電機的運動方向由ATmegal28的兩個I/O端口與比較相等輸出的電路的輸出電平進(jìn)行邏輯運算，如比較相等輸出電路的輸出電平為低電平時，則方向輸出電路不工作，如比較相等輸出電路的輸出電平為高電平，則電機具體的輸出方向由ATmegal28的兩個I/O端口控制；
[0029]放大器出錯電路包括AD電壓采集芯片，AD電壓采集芯片采集電機驅(qū)動器的工作電壓，對電機驅(qū)動器的工作電壓進(jìn)行監(jiān)控，如果電機驅(qū)動器工作電壓異常，則放大器出錯電路輸出低電平，如電機驅(qū)動器工作電壓正常，則放大器出錯電路輸出高電平；
[0030]專用數(shù)字I/O模塊的I/O信息優(yōu)先級最高，如正向行程限制I/O被觸發(fā)時，系統(tǒng)優(yōu)先處理此信息，使電機停止運動，即使上位機再次下達(dá)正向運動指令，此電路部分仍舊不予處理，當(dāng)上位機下達(dá)負(fù)向運動指令時，此電路部分將解除鎖定予以處理；
[0031]通訊模塊包括RS232模塊、CAN模塊、以太網(wǎng)模塊，此三個模塊并行通訊，使用者可采用這三種中任何一種通訊方式使上位機與控制系統(tǒng)建立聯(lián)系；采用RS232、CAN、以太網(wǎng)三種通訊方式與上位機進(jìn)行通訊，通訊模塊使主控模塊與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)交換的信息可在上位機上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，波形分析，圖像顯示；
[0032]所述電機控制信號輸出模塊由HCPL2630高速光電隔離芯片與其相關(guān)濾波電路構(gòu)成，因控制信號輸出頻率較高，此模塊采用高速的光隔芯片；
[0033]電源處理模塊由7805芯片與7812芯片及其相關(guān)濾波電路構(gòu)成，為系統(tǒng)提供5V及土 12V系統(tǒng)電源。
[0034]利用多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制電機工作的步驟:
[0035](I)首先根據(jù)任務(wù)要求，通過PC機、工控機、控制面板、手輪或傳感器向多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺發(fā)布指令，選擇執(zhí)行項目，
[0036](2)多軸運動控制系統(tǒng)對上位機下達(dá)的指令進(jìn)行分析并儲存，并對相應(yīng)的電機下達(dá)運動指令；
[0037](3)電機轉(zhuǎn)動時所對應(yīng)的反饋信息，如編碼器信息，電流的大小，傳送給多軸運動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對所反饋的信息進(jìn)行分析運算，并根據(jù)所存儲的上位機指令對電機下達(dá)二次運動指令，指令以脈沖或模擬電壓方式輸出，此次下達(dá)的二次運動指令會根據(jù)系統(tǒng)所設(shè)定的伺服周期及反饋信息進(jìn)行不停的運算及修改，如第一次的運動指令不足以使電機的實際運動平滑，或電機的實際速度不能按照指令中預(yù)想的速度運行，則二次運動指令會對輸出脈沖或模擬電壓進(jìn)行比例，積分，微分的三種方式運算，從而達(dá)到電機按照指令中預(yù)想的運動效果，并告知上位機電機所運動的軌跡及波形；
[0038](4)當(dāng)外部信號觸發(fā)了系統(tǒng)中的專用數(shù)字I/O模塊，此時系統(tǒng)停止運算，優(yōu)先處理此類信息，使電機停止或進(jìn)行回零運動。
[0039]根據(jù)上述說明，結(jié)合本領(lǐng)域技術(shù)可實現(xiàn)本實用新型的方案。
【權(quán)利要求】
1.一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，其特征在于:開發(fā)平臺電路包括主控模塊、ATmegal28單片機、反饋采集模塊、專用數(shù)字IO模塊、通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊和電源處理模塊； 所述電源處理模塊與主控模塊連接，主控模塊分別與通用數(shù)字IO模塊、通訊模塊、ATmegal28單片機連接，ATmegal28單片機與專用數(shù)字IO模塊連接，ATmegal28單片機與電機控制信號輸出模塊連接，反饋采集模塊與ATmegal28單片機連接；通用數(shù)字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋采集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅(qū)動器接口與電機驅(qū)動器連接；所述主控模塊由ATmegal28單片機構(gòu)成，用于完成綜合控制、邏輯控制、通訊功能；所述通用數(shù)字IO模塊采用74HC595芯片，74HC595芯片通過TLP521-4光電隔離芯片與構(gòu)成主控模塊的ATmegal28單片機連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，其特征在于:所述專用數(shù)字I/O模塊由MCU、編碼器、行程限制元件、回零標(biāo)志電路、放大器使能電路、比較相等輸出電路、方向輸出電路、電機驅(qū)動器和放大器出錯電路連接組成；放大器使能電路輸入端與ATmegal28的一個I/O端口連接；比較相等輸出電路分別與ATmegal28的一個I/O端口、放大器使能電路輸出端、方向輸出電路連接；方向輸出電路由比較相等輸出電路控制，其輸出端連接電機驅(qū)動器；放大器出錯電路包括AD電壓采集芯片，AD電壓采集芯片連接電機驅(qū)動器的工作電壓端。
3.如權(quán)利要求1所述的一種多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，其特征在于:所述通訊模塊包括RS232模塊、CAN模塊、以太網(wǎng)模塊，所述電機控制信號輸出模塊由HCPL2630高速光電隔離芯片與其相關(guān)濾波電路構(gòu)成；所述電源處理模塊由7805芯片與7812芯片及其相關(guān)濾波電路構(gòu)成，為系統(tǒng)提供5V及±12V系統(tǒng)電源。
【文檔編號】G05B19/414GK203658796SQ201320615061
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】孫成文, 劉文皓, 張萌, 陳廣永, 武鴻濤, 胡春園 申請人:天津市中環(huán)電子計算機有限公司