基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，包括共享內(nèi)存以及分別與共享內(nèi)存連接的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)和基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有低成本、高通信速率、高精度、高性能、高可靠性、全速率等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，工業(yè)現(xiàn)場對于現(xiàn)場總線的需求越來越頻繁，對于總線的功能和性能也要求越來越高。
[0003]傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線，如RS485，CAN等總線，速率低，數(shù)據(jù)量傳輸小，特別是在遠(yuǎn)距離傳輸時更加的需要降低速率來實現(xiàn)傳輸?shù)目煽啃裕裾咝枰~外增加中繼器來減小信號的衰減，從而提高速率，但同時增加布線難度和繁瑣，并增加成本。另外，傳統(tǒng)的工業(yè)實時以太網(wǎng)協(xié)議ModbuS/TCP、EtherNet/IP等，由于未修改以太網(wǎng)協(xié)議并通過軟件協(xié)議棧來實現(xiàn)通信，數(shù)據(jù)包的打包和解析必然會導(dǎo)致一定意義上的延時，所以也未能達(dá)到真正意義上的實時性。
[0004]另外，基于高性能高速率的現(xiàn)場總線動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前大多數(shù)為交流伺服驅(qū)動器，但在某些應(yīng)用場合，如測量儀、雕刻機(jī)、木工加工等，需要低功率大力矩，高精度，且多軸聯(lián)動和多軸同步控制的設(shè)備，如果使用伺服系統(tǒng)，則需要配備減速器等，大大增加了成本。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，基于響應(yīng)時間小于Ims的硬實時工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT實時工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線，采用高精度編碼器位置反饋，配備第二編碼器輸入接口，實現(xiàn)真正意義上的低成本、高通信速率、高精度、高性能、高可靠性、全速率的全閉環(huán)步進(jìn)伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)。
[0006]本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與EtherCAT主站通信連接，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)包括共享內(nèi)存以及分別與共享內(nèi)存連接的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)和基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)。
[0008]所述的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)包括依次連接的EtherCAT通信模塊和EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊，所述的EtherCAT通信模塊與EtherCAT主站通信連接，所述的EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊與電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)連接。
[0009]所述的EtherCAT通信模塊設(shè)有用于實現(xiàn)多軸同步控制的DC同步信號輸出端。
[0010]所述的基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)包括電機(jī)控制驅(qū)動模塊、功率放大器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、以及檢測與反饋模塊，所述的電機(jī)控制驅(qū)動模塊、功率放大器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊依次連接，所述的檢測與反饋模塊分別與步進(jìn)電機(jī)模塊、電機(jī)控制驅(qū)動模塊連接。
[0011]所述的步進(jìn)電機(jī)模塊中設(shè)有用于反映電機(jī)位置信息的編碼器。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013]I)通信速率高，基于EtherCAT通信總線，數(shù)據(jù)的收發(fā)速率快，且高有效；
[0014]2)布線靈活簡單，支持各種網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，布線簡單，幾乎無距離限制；
[0015]3)多軸同步性高，EtherCAT的同步信號輸出可以實現(xiàn)很高的多軸同步性；
[0016]4)高精度、高響應(yīng)性能，配備高精度的編碼器位置信號部件，采用閉環(huán)或者全閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以達(dá)到很尚的定位精度和尚響應(yīng)性能；
[0017]5)電機(jī)溫升低壽命長，步進(jìn)電機(jī)采用伺服控制技術(shù)，實時根據(jù)負(fù)載信息動態(tài)調(diào)整電機(jī)電流輸出，從而可以實現(xiàn)電機(jī)的低溫升，加長電機(jī)的壽命；
[0018]6)低速大力矩，驅(qū)動本體為步進(jìn)電機(jī)，相對于伺服電機(jī)系統(tǒng)，在低速本身有大力矩特性。另外，本系統(tǒng)伺服控制算法，在boost情況下，加大電機(jī)過載能力，實現(xiàn)短時大力矩的輸出。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本實用新型詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]其中I為基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)，2為基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)，3為共享內(nèi)存，4為EtherCAT主站，5為機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，11為EtherCAT通信模塊，12為EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊，21電機(jī)控制驅(qū)動模塊，22為功率放大器模塊，23為步進(jìn)電機(jī)模塊，24為檢測與反饋模塊。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0023]實施例
[0024]如圖1所示，一種基于Et h e r CAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與EtherCAT主站4通信連接，所述的控制系統(tǒng)包括共享內(nèi)存3以及分別與共享內(nèi)存連接的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)I和基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)2;
[0025]所述的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)I接收EtherCAT主站的數(shù)據(jù)，并按照應(yīng)用層協(xié)議解析命令，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)，或者從電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)中獲取電機(jī)狀態(tài)信息，并打包成EtherCAT通信數(shù)據(jù)幀傳輸回EtherCAT主站；
[0026]所述的基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)2檢測共享內(nèi)存中通過EtherCAT通信子系統(tǒng)的控制命令，根據(jù)得到的反饋信息并結(jié)合用戶的配置，閉環(huán)或者全閉環(huán)伺服控制步進(jìn)電機(jī)。此外，本子系統(tǒng)還包含I/O控制模塊、系統(tǒng)保護(hù)模塊，如過溫、過流、過壓等異常保護(hù)。
[0027]如圖2所示，所述的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)I包括依次連接的EtherCAT通信模塊11和EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊12，所述的EtherCAT通信模塊11與EtherCAT主站4通信連接，所述的EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊與12電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)2連接；
[0028]所述的EtherCAT通信模塊11，用于基于EtherCAT協(xié)議的數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收，根據(jù)協(xié)議規(guī)定和用戶配置，處理并解析相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，并存儲至通信模塊所對應(yīng)的存儲內(nèi)存；
[0029]所述的EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊12，從EtherCAT通信模塊的存儲內(nèi)存中，獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的輸入定義，處理EtherCAT通信協(xié)議狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行以及數(shù)據(jù)包的解析和打包，并在此基礎(chǔ)上，處理用戶應(yīng)用層協(xié)議包。
[0030]所述的EtherCAT通信模塊11設(shè)有用于實現(xiàn)多軸同步控制的DC同步信號輸出端。[0031 ]所述的基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)2包括電機(jī)控制驅(qū)動模塊21、功率放大器模塊22、步進(jìn)電機(jī)模塊23、以及檢測與反饋模塊24，所述的電機(jī)控制驅(qū)動模塊21、功率放大器模塊22、步進(jìn)電機(jī)模塊23依次連接，所述的檢測與反饋模塊24分別與步進(jìn)電機(jī)模塊21、電機(jī)控制驅(qū)動模塊23連接；
[0032]所述的電機(jī)控制驅(qū)動模塊21根據(jù)電機(jī)位置信息、電機(jī)電流反饋信息、驅(qū)動輸入電壓信息，結(jié)合用戶通過EtherCAT通信子系統(tǒng)的參考命令，實時計算輸出控制信號;如果用戶配置啟用全閉環(huán)控制模式，則還需輸入機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信息，全閉環(huán)控制輸入控制信號。
[0033]所述的功率放大器模塊22對電機(jī)控制驅(qū)動模塊輸入的控制信號進(jìn)行放大，并輸入至步進(jìn)電機(jī)模塊；
[0034]所述的步進(jìn)電機(jī)模塊23根據(jù)功率放大器的的輸出信號，控制電機(jī)新的位置;步進(jìn)電機(jī)包含2相、3相和5相電機(jī)。
[0035]所述的檢測與反饋模塊24檢測電機(jī)的電流電壓信號、位置信息和執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置信息，計算電機(jī)的速度、位置或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，反饋給電機(jī)控制驅(qū)動模塊。
[0036]所述的步進(jìn)電機(jī)模塊中設(shè)有用于反映電機(jī)位置信息的編碼器。
[0037]本實用新型系統(tǒng)采用雙核DSP/ARM架構(gòu)，通信系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)獨(dú)立在不同的平臺運(yùn)行，DSP進(jìn)行閉環(huán)電機(jī)控制，而ARM核做EtherCAT通信系統(tǒng)，通過共享內(nèi)存形式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。也可以采用DSP+ARM雙處理器架構(gòu)，同樣的DSP為電機(jī)控制，而ARM核可以做EtherCAT通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)所采用的架構(gòu)包括但不限于此設(shè)計方案，其它如單核系統(tǒng)機(jī)構(gòu)也在此實用新型保護(hù)之中。
[0038]以上所述，僅為本實用新型的【具體實施方式】，但本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與EtherCAT主站通信連接，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)包括共享內(nèi)存以及分別與共享內(nèi)存連接的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)和基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于ARM的EtherCAT通信子系統(tǒng)包括依次連接的EtherCAT通信模塊和EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊，所述的EtherCAT通信模塊與EtherCAT主站通信連接，所述的EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議模塊與電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的EtherCAT通信模塊設(shè)有用于實現(xiàn)多軸同步控制的DC同步信號輸出端。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的基于DSP的電機(jī)驅(qū)動全閉環(huán)控制子系統(tǒng)包括電機(jī)控制驅(qū)動模塊、功率放大器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、以及檢測與反饋模塊，所述的電機(jī)控制驅(qū)動模塊、功率放大器模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊依次連接，所述的檢測與反饋模塊分別與步進(jìn)電機(jī)模塊、電機(jī)控制驅(qū)動模塊連接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于EtherCAT的全閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的步進(jìn)電機(jī)模塊中設(shè)有用于反映電機(jī)位置信息的編碼器。
【文檔編號】H02K11/20GK205622559SQ201620359349
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】沈鋼群
【申請人】上海安浦鳴志自動化設(shè)備有限公司