一種網絡化的多軸電機同步控制裝置及方法與流程

本發明屬于電機同步技術領域，更具體地，涉及一種網絡化的多軸電機同步控制裝置及方法。

背景技術：

工業控制系統逐漸由連續控制系統過渡到離散的控制系統；離散控制系統能夠進行精確快速的計算，而且通用性較連續控制系統好，使用簡單，便于修改。現有的電機同步控制技術為了保證電機的同步性多采用本地控制，在現場進行控制系統的相關信息處理和顯示，不能滿足通過網絡實現管理層遠程對現場信息進行監視和控制的需求；并且在電機的同步控制中只考慮了主令電機與從動電機之間的高精度同步而未涉及從動電機組內部各從動電機之間的同步。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種網絡化的多軸電機同步控制裝置及方法，其目的在于實現網絡化的多軸電機同步控制，由此解決無法遠程同步監控的問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種網絡化的多軸電機同步控制裝置，包括脈沖采集模塊、控制器模塊、多軸模塊和伺服電機驅動模塊；所述控制器模塊與多軸模塊之間通過同步串行差分總線連接；

脈沖采集模塊的輸入端用于連接外部主令電機；控制器模塊的第一端與脈沖采集模塊的輸出端相連，第二端用作該網絡化的多軸電機同步控制裝置與工業以太網相連的接口，第三端與同步串行差分總線相連；多軸模塊的一端通過同步串行差分總線接口與同步串行差分總線相連，另一端通過I/O接口與伺服電機驅動模塊相連；

其中，脈沖采集模塊用于采集主令電機運轉過程中的主令電機轉子角度信息，并對該角度信號進行數字濾波、光電隔離，生成角度編碼信號；

控制器模塊用于根據系統狀態配置對角度編碼信號進行采樣、運算，獲多軸控制信號；其中，運算是指將當前控制周期采樣獲得的脈沖數減去前一控制周期采樣獲得的脈沖數，將的到的差值乘上比例因子后加上系統的修正量，獲得多軸控制信號；

多軸模塊用于根據多軸控制信號生成方向信號和脈沖數信號；

伺服驅動模塊用于對方向信號和脈沖數信號進行轉換，生成子方向信號和子脈沖數信號；通過該子方向信號和子脈沖數信號，驅動控制外部從動電機組，實現主令電機與從動電機組的同步，以及從動電機組內各從動電機間的同步；

外部從動電機組在子方向信號和子脈沖數信號的作用下控制其各從動電機轉子的運動；多軸模塊根據各從動電機轉子的角度信息獲取從動電機的位置反饋信息并發送到控制器模塊，在控制器模塊編碼形成以太網數據包；用戶可根據該以太網數據包解析獲取系統的狀態和參數。

優選的，上述網絡化的多軸電機同步控制裝置，還包括人機交互模塊，人機交互模塊與控制器模塊通過標準工業以太網進行通信；外部遠程PC機監視模塊、外部PLC控制器均可通過標準工業以太網與該網絡化的多軸電機同步控制裝置進行通信；

人機交互模塊用于周期性的查詢外部PLC控制器，獲取系統的狀態信息和參數信息并顯示；用戶通過人機交互模塊監控系統狀態和參數，并在輸入的脈沖數和多軸模塊的產生脈沖數不相等時調整主令電機的減速比參數和前饋參數，以提高系統對交流伺服電機組的同步控制精度。

優選的，上述網絡化的多軸電機同步控制裝置，其控制器模塊與多軸模塊之間采用主從式通訊，每次通訊由控制器模塊發起，由多軸模塊響應結束；控制器模塊與多軸模塊間通信的數據幀包括8比特的地址位、8比特的命令位、16比特的數據位，16比特的幀校驗位；

其中，地址位用于指示多軸模塊的地址，它定義了一個廣播地址用于對所有的多軸模塊進行廣播；廣播地址中所有的位為二進制的全1；當地址位不為全1時表示一個多軸模塊的地址；命令位用于區分幀的類型，控制系統的數據幀包括兩類：參數設置幀和控制命令幀；當命令位表示數據位為參數設置幀，則表示數據位內容為初始化多軸模塊的參數，當命令位表示數據位為控制命令幀，則表示數據位內容為控制從動電機的控制信號；數據位填充的內容是與命令位相對應的控制數據，表示從動電機的控制信號或者擬設置參數的初始值；幀校驗位是對整個數據幀的校驗碼，該校驗碼在控制器模塊中生成，通過同步串行差分總線傳輸后在多軸模塊中校驗，以消除網絡傳輸錯誤的干擾。優選的，上述網絡化的多軸電機同步控制裝置，其控制器模塊與多軸模塊之間的通信協議具體為：

控制器模塊發送參數設置幀到多軸模塊，多軸模塊根據所述參數設置幀進行參數設置并向控制器模塊反饋響應參數設置幀，實現對多軸模塊的參數初始化；所述參數設置幀的命令位填充的是參數的類型，數據位填充的是參數的值，地址位和數據幀校驗位分別填入地址和幀校驗值；所述響應參數設置幀中，命令位填充的是參數類型，數據位填充的是參數是否設置成功的標識，地址位和數據幀校驗位分別填寫地址和數據幀校驗值；

初始化之后，控制器模塊發送控制命令幀到多軸模塊；多軸模塊根據所述控制命令幀控制伺服電機運轉并向控制器模塊反饋響應控制命令幀；所述控制命令幀的命令位填充的是系統狀態，數據位填充的是控制量，地址位和校驗位填充的是地址和校驗值；所述響應控制命令幀中，命令位填充的是系統狀態，數據幀中數據位填充的是標志位，所述標志位指示控制量設置是否成功。

按照本發明的另一方面，基于上述網絡化的多軸電機同步控制裝置，提供了一種網絡化的多軸電機同步控制方法，包括如下步驟：

(1)采集主令電機的轉子角度信息，并對該角度信息進行數字濾波、光電隔離處理，生成角度編碼信號；

(2)對上述角度編碼信號進行周期性的計數，并在每個計數周期內進行差值修正運算獲得多軸控制信號；

(3)通過多軸模塊根據多軸控制信號生成PWM信號控制伺服電機的運轉，通過伺服電機驅動從動電機組。

優選地，上述網絡化的多軸電機同步控制方法，其差值修正運算是指將當前控制周期的脈沖數減去前一控制周期的脈沖數，將得到的差值乘上比例因子后加上修正值，獲得多軸控制信號。

優選地，上述網絡化的多軸電機同步控制方法，根據從動電機組內各從動電機轉子的角度信息獲取各交流伺服電機的位置信息，將該位置信息與多軸控制信號相減獲得修正值。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置及方法，采用控制器模塊加多軸模塊的硬件架構，控制器模塊根據主令電機角度信號以及當前的系統的狀態，計算獲取多軸控制信號；由多軸模塊根據多軸控制信號生成相應的脈沖；控制器模塊與多軸模塊分離、兩者之間通過同步串行差分總線通信實現了對主令電機與從動電機組、以及從動電機組內部電機之間的同步控制；

(2)本發明提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置及方法，通過對控制器模塊與多軸模塊間通信的信息進行編碼獲得以太網數據幀、設置通信協議，并通過工業以太網總線實現該同步控制裝置與外部PLC控制器、遠端PC機監控模塊的通信；可對系統狀態以及系統參數進行遠程獲取和設置，實現了網絡化的同步控制；

(3)本發明提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置及方法，其控制器模塊采用前饋算法獲取修正值，根據該修正值對來自主令電機的脈沖數進行修正，生成多軸控制信號，實現了電機同步控制、系統狀態信息監視和從動電機組內部電機間的高精度同步。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置的總體結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置的控制器模塊的功能與接口結構示意圖；

圖3是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置的多軸模塊的接口結構示意圖；

圖4是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置的控制器模塊與多軸模塊間通訊的數據幀格式示意圖；

圖5是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置同步串行差分總線上的通訊協議示意圖；其中，圖5(a)是參數設置幀，圖5(b)是控制命令幀；

圖6是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制方法的流程；其中，圖6(a)是同步控制主流程，圖6(b)是中斷流程。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置，其系統框圖如圖1所示意的，具體包括脈沖采集模塊、控制器模塊、多軸模塊、伺服電機驅動模塊和人機交互模塊；

控制器模塊與多軸模塊之間通過同步串行差分總線連接，保證控制器模塊與多軸模塊之間數據交互的實時性，實現同步控制；

外部PLC控制器與網絡化的多軸電機同步控制裝置通過標準工業以太網連接；人機交互模塊和外部遠程PC機監視模塊也掛在該工業以太網上；

通過工業以太網技術將外部遠程PC機監視模塊，外部PLC控制器、人機界面模塊與網絡化的多軸電機同步控制裝置的控制器模塊連接起來，實現上述模塊之間的數據通訊，以實現對網絡化的多軸電機同步控制裝置的系統參數的配置、用戶對系統參數的監控；控制器模塊在對主令電機脈沖進行計數時，通過工業以太網將控制器模塊和多軸模塊的狀態信息上傳到遠程PC監視模塊、本地的PLC控制器和人機交互模塊；其中，狀態信息包括電機的運轉狀態比如停止、基速和跟蹤的狀態，以及電機運轉的周數。

脈沖采集模塊的輸入端用于連接主令電機；控制器模塊的第一端與脈沖采集模塊的輸出端相連，第二端用作該網絡化的多軸電機同步控制裝置與工業以太網相連的接口，第三端與同步串行差分總線相連；多軸模塊的一端通過同步串行差分總線接口與同步串行差分總線相連，另一端通過I/O接口與伺服電機驅動模塊相連。

通過上述網絡化的多軸電機同步控制裝置，實現對主令電機與從動電機組間精準的同步控制，以及從動電機組內從動電機1、從動電機2、…、從動電機n間的高精度同步控制。

本實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置，其系統狀態和參數可通過外部PLC控制器進行靈活配置；外部PLC控制器通過工業以太網控制主令電機的運轉；脈沖采集模塊用于采集主令電機運轉過程中的主令電機轉子角度信息，并對該角度信號進行數字濾波、光電隔離處理，生成角度編碼信號；

控制器模塊作為邏輯控制與數據運算核心，用于根據外部PLC控制器配置的系統狀態對角度編碼信號進行采樣，將采樣獲得的當前控制周期得到的脈沖數根據前饋算法進行修正，生成多軸控制信號；

其中，修正處理具體是指用當前控制周期的脈沖數減去前控制一周期的脈沖數的差值乘上比例因子，再加上修正值的運算；

多軸模塊根據多軸控制信號生成方向信號和脈沖數信號；

伺服驅動模塊對方向信號和脈沖數信號進行轉換，生成子方向信號和子脈沖數信號；通過該子方向信號和子脈沖數信號，驅動控制外部從動電機組。

本實施例中，從動電機組由交流伺服電機1、交流伺服電機2、…、交流伺服電機n構成；從動電機組在子方向信號和子脈沖數信號的作用下控制各交流伺服電機轉子的運動；多軸模塊根據各交流伺服電機轉子的角度信息獲取各交流伺服電機的位置反饋信息并發送到控制器模塊，在控制器模塊編碼形成以太網數據包；通過工業以太網發送到外部PLC控制器；外部遠程PC機監視模塊從PLC控制器獲取以太網數據包并解析，獲取系統的狀態和參數；通過人機界面模塊周期性的查詢PLC控制器，獲取系統的狀態信息和參數信息并顯示；用戶通過人機交互模塊監控系統狀態和參數，并在輸入的脈沖數和多軸模塊的產生脈沖數不相等時對減速比參數和前饋參數進行調整；以提高系統對交流伺服電機組的同步控制精度。

實施例中，主令電機和從動電機組的電機轉子的角度信息，均通過角度傳感器獲取。

圖2所示是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置的控制器模塊的結構示意圖；控制器模塊包括位置捕獲單元、指示電路和參數存儲單元；

其中，位置捕獲單元用于對脈沖采集模塊輸出的脈沖進行計數；指示電路用于指示系統的狀態，控制器模塊根據系統的狀態設置相應的I/O的信號，指示電路根據接收到的I/O信號進行相應的狀態的指示，比如停止、基速和運行狀態；參數存儲單元用于存儲系統的參數信息，當系統初次上電時，控制器模塊直接從外部PLC控制器中讀取參數并將這些參數通過I²C協議寫入到參數存儲單元，后續上電時則直接從參數存儲單元讀取系統的參數。

圖3是本發明實施例提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置的多軸模塊的接口結構示意圖；本發明提供的網絡化的多軸電機同步控制裝置中，同步串行差分總線上可以掛多個多軸模塊；各同步差分多軸模塊通過其同步串行差分總線接口與同步串行差分總線相連；

各多軸模塊具有多個I/O接口，通過一部分I/O接口與各伺服電機驅動模塊相連；通過另一部分I/O接口與從動電機組內各從動電機相連。

控制器模塊與多軸模塊之間采用主從式通訊，每次通訊由控制器模塊發起，由多軸模塊響應結束；控制器模塊與多軸模塊間通過圖4所示的數據幀的格式進行數據交互；一個數據幀包括48個二進制比特位，具體的，包括8比特的地址、8比特的命令、16比特的數據，16比特的幀校驗位。

其中，地址位用于指示多軸模塊的地址；本實施例中，定義了一個廣播地址用于對所有的多軸模塊進行廣播；廣播地址中所有的位為二進制的全1；當地址位不為全1時表示一個多軸模塊的地址；命令位用于區分幀的類型，當命令位表示數據位為參數設置幀，則數據位內容為初始化多軸模塊的參數，當命令位表示數據位為控制命令幀，則數據位內容為控制從動電機的控制信號；數據位填充的內容是與命令位相對應的控制數據，表示從動電機的控制信號或者擬設置參數的初始值；幀校驗位是對整個數據幀的校驗碼，該校驗碼在控制器模塊中生成，通過同步串行差分總線傳輸后在多軸模塊中校驗，以消除網絡傳輸錯誤的干擾。

本實施例中，同步串行差分總線上的通訊數據幀包括參數設置幀和控制命令幀；參數設置幀用于初始化系統的參數，在系統上電時，首先由控制器模塊發送參數設置幀以初始化多軸模塊的參數，多軸模塊根據該參數設置幀進行參數設置并反饋響應信號；控制命令幀用于對各從動電機進行同步控制。

圖6是控制器模塊和多軸模塊間的同步串行差分總線上的通訊協議示意圖；系統上電初始化時，控制器模塊通過同步串行差分總線發送參數設置幀到多軸模塊，多軸模塊根據該參數設置幀進行參數設置并向控制器模塊反饋多軸模塊的響應參數設置幀，實現對多軸模塊的參數初始化；參數設置幀的命令位填充的是參數的類型，數據位填充的是參數的值，地址位和數據幀校驗位分別填入地址和幀校驗值；多軸模塊反饋的響應參數設置幀格式中，命令位填充的是參數類型，數據位填充的是參數是否設置成功的標識，地址位和數據幀校驗位分別填寫地址和數據幀校驗值。

控制命令幀實現控制信息的傳遞，初始化之后，向多軸模塊發送控制命令幀，控制命令幀的命令位填充的是系統狀態，數據位填充的是控制量，地址位和校驗位填充的是地址和校驗值；多軸模塊的響應控制命令幀格式中，命令位填充的是系統狀態，數據幀中數據位填充的是標志位，表示控制量是否設置成功；本發明中，通過上述的通訊協議實現控制器模塊對多軸模塊的可靠控制。

圖6所示，是基于上述網絡化的多軸電機同步控制裝置實現網絡化的多軸電機同步控制的主流程示意圖，具體包括如下步驟：

(1)初始化系統時鐘和外設時鐘并中斷向量表，開啟位置捕獲模塊中斷；

(2)初始化GPIO(General Purpose Input Output，通用輸入輸出接口)、系統定時器、捕獲模塊、通訊模塊和輕量級TCP/IP協議棧；實施例中所初始化的GPIO接口包括位置捕獲模塊的接口、以太網接口、同步串行差分總線接口以及指示電路和參數存儲模塊的接口；

(3)通過外部PLC控制器讀取系統參數；

(4)根據系統參數對多軸模塊進行初始化并且對通過位置捕獲模塊使能進行定時中斷；

(5)獲取系統的狀態信息，根據系統狀態信息對系統參數進行微調；

(6)延時后進入步驟(5)，直至完成本次控制任務后結束；

其中，中斷的流程如圖6(b)所示意的，第一步是捕獲當前伺服電機1的位置信息，第二步判斷系統的當前狀態是否為停止狀態，當系統狀態為停止狀態時向所述的多軸模塊發送停止命令否則就向所述的多軸模塊發送控制交流伺服電機組的控制信息；第三步退出中斷服務；上述的捕獲模塊中斷以恒定的周期執行；由此精確的獲取主令電機的角度編碼信息；當系統處于停止狀態此時指示電路將會指示停止狀態，當系統處于運行狀態此時指示電路將指示為運行狀態。

在上述實施例中驗證了本發明提供的網絡化的同步控制裝置及方法的可靠性；本發明提供的這種網絡化的同步控制裝置具有結構簡單、穩定好的特點，實現了對現場數據的遠程監視。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。