一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统，其由软件部分与硬件部分构成，其中硬件部分包括传动单元与运动控制单元；软件部分由实时控制软件与客户端软件构成。本发明专利技术采用多个伺服电机作为执行元件，驱动传动装置进行直线运动，位移反馈组件将传动组件的实际运动位移反馈给伺服驱动器进行插补运算，以提高传动机构的运动精度，采用NI CompactRIO实时控制器实现对伺服电机驱动器的实时控制。该运动控制系统可实现同时对65535台伺服电机进行实时高效控制，其运动精度可达5μm。

A multi axis high precision closed loop feedback motion control system

The invention discloses a multi-axis high precision closed-loop feedback motion control system, which is composed of software and hardware parts, in which the hardware part includes transmission unit and motion control unit, and the software part is composed of real-time control software and client software. The present invention uses multiple servo motors as actuators to drive the drive device to move in a straight line. The displacement feedback component feeds back the actual motion displacement of the drive component to the servo driver for interpolation operation to improve the motion accuracy of the drive mechanism. The NI CompactRIO real-time controller is used to realize the servo motor driver. Real time control. The motion control system can simultaneously control 65535 servo motors in real time and efficiently, and its motion accuracy can reach 5 microns.

【技术实现步骤摘要】
一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统
本专利技术涉及控制系统
，具体涉及一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统。
技术介绍
随着科技的进步与技术的发展，控制系统也向着分布式与大型化发展，实现一种多轴的、兼容各种拓扑结构的、基于分布式架构的运动控制系统具有重要的意义。另外，对于运动精度的要求越来越高，实现一种高精度的运动控制系统满足了当前需求。
技术实现思路
为了克服上述的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：本专利技术提供一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统，由硬件部分与软件部分组成；其中，硬件部分包括传动单元、运动控制单元；软件部分由实时控制软件与上位机客户端组成；所述传动单元包括伺服电机、减速机、皮带轮、电缸、传动杆、台架、反馈组件、限位开关；其中，所述减速机安装于伺服电机的前端且与伺服电机同轴，用于实现伺服电机转速的缩小与转矩的放大；所述皮带轮用于连接减速机与电缸丝杠；所述电缸用于将伺服电机的旋转运动转化为直线运动；所述反馈组件由电机编码器与光栅尺位移传感器组成；所述运动控制单元由NICompactRIO实时控制器组成；所述实时控制软件用于实现伺服电机的运动控制与运行状态监测；所述上位机客户端是人机交互界面，用于显示伺服电机的当前状态，以及供用户发送控制指令；所述实时控制软件与上位机客户端之间通过OPCUA通信协议进行通信，通过OPCUA变量的读写实现用户指令的下发与运行状态的监测。作为本专利技术进一步的方案，所述伺服电机包括伺服驱动器；伺服电机用于接收来自运动控制单元的指令与反馈组件的反馈信号，对二者进行运算，以输出一定的转矩、转速与位移。作为本专利技术进一步的方案，所述伺服驱动器通过EtherCAT协议与NICompactRIO实时控制器进行通信。作为本专利技术进一步的方案，所述电机编码器集成在伺服电机中，用于反馈伺服电机的实际转矩与实际速度；所述光栅尺位移传感器用于反馈传动单元的实际运动位移。作为本专利技术进一步的方案，所述光栅尺位移传感器采用海德汉绝对式编码器。作为本专利技术进一步的方案，所述限位开关包括光电限位开关与机械限位开关；光电限位开关分别安装于电缸的前端与末端，光电限位的信号接入伺服驱动器的DI口，若光电限位被触发，伺服电机将立刻停止运动并抱闸；机械限位开关安装于光电限位开关的外侧，若其被触发，伺服电机将立即失去扭矩输入，并产生故障。作为本专利技术进一步的方案，所述实时控制软件运行于NICompactRIO实时控制器上，其由主模块、运动控制模块、OPCUA服务器模块组成。作为本专利技术进一步的方案，所述运动控制模块由初始化进程、目标位置设置进程、使能/禁止使能进程、开始运动进程、停止运动进程、寻原点进程、运行状态监测进程、故障处理进程、退出进程组成。本专利技术的有益效果：1、本专利技术的多轴高精度闭环反馈运动控制系统，伺服驱动器通过EtherCAT协议与NICompactRIO实时控制器进行通信，其可实现对伺服电机高精度的、实时的、高效的控制，可方便地实现伺服电机的控制增益、I/O、和反馈配置，并实现更灵活的拓扑结构；使用EtherCAT接口的伺服驱动器使得一个控制器可同时实现对最多65535个伺服电机的高速、高性能控制，这些伺服电机的驱动器可以任意拓扑结构互联。2、传动单元中，皮带轮用于实现减速机与电缸丝杠的连接，具有可缓和载荷冲击、运行平稳、低噪音、低震动、中心距可调等优点；电缸将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，具有结构简单紧凑、精度较高等优点。3、光栅尺位移传感器采用海德汉绝对式编码器，可实时反馈绝对位移信息，与采用相对式编码器相比，采用绝对式编码器具有不会丢失原点信息、不会丢失脉冲、不用频繁寻原点、运动精度更高等优点。4、限位开关包括光电限位开关与机械限位开关，通过多重限位防止传动单元超出其运动行程，保证运动的安全性。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1为本专利技术传动单元结构简图；图2为本专利技术控制系统的硬件架构图；图3为单轴运动控制系统的硬件接线图；图4为本专利技术实时控制软件的架构图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。本实施例提供了一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统，可同时实现多个传动单元的高精度的运动控制，及高精度的位置信号获取。该系统可实现多轴联动、不同位置信号测量等功能。下面对该控制系统在回旋加速器束流参数测量的应用进行说明。为了实现回旋加速器的运行状态监测，进而实现加速器性能的优化，要求对回旋加速器内部不同位置处的束流参数进行测量。对于该多轴高精度闭环反馈运动控制系统，可在传动单元的前端安装束测传感器，用于将束流参数转化为电信号，以供后续电路处理与采集。通过采用合适的放大电路即可将束测传感器束流的电信号转化为模拟电压信号，同时伺服驱动器可将当前的位置转化为模拟电压信号输出，故通过在NICompactRIO机箱中增加模拟电压采集卡，即可实现束流参数信号与伺服电机位置信号的同步获取。采用该方法可实现束流参数信号与传感器位置信号的高度同步获取，从而可在快速运动过程中实现不同位置处束流参数的精确测量。下面结合附图对本实施例进行详细说明。参阅图1所示，传动单元包括伺服电机1、减速机2、皮带轮3、电缸4、传动杆5、台架8、反馈组件、限位开关。其中，所述减速机2安装于伺服电机1的前端且与伺服电机1同轴，用于实现伺服电机转速的缩小与转矩的放大；皮带轮3用于连接减速机2与电缸4丝杠。电缸4用于将伺服电机1的旋转运动转化为直线运动，电缸4的滑台7与传动杆5的后端通过螺栓固定。反馈组件由电机编码器与光栅尺位移传感器组成。传动杆5的中端设有直线轴承6，用于支撑传动杆。限位开关设置于电缸4的起点与终点附近，用于防止传动单元超过其运动行程。参阅图2所示，一个实时运动控制器可同时对最多65535个伺服电机进行控制。伺服驱动器与伺服电机之间通过动力线缆与反馈线缆进行连接，动力线缆用于伺服驱动器对伺服电机提供动力输入，反馈线为伺服驱动器提供伺服电机的实际电流与速度反馈。光栅尺位移传感器用于测量传动杆的实际运动位移，并将该位移信号反馈给伺服驱动器进行运算，从而大大提高运动精度。参阅图3所示，前限位开关与后限位开关均包括光电限位开关与机械限位开关。其中，光电限位开关接入伺服驱动器的DI接口，机械限位开关接入伺服驱动器的STO口。光栅尺与电缸平行安装，其编码器跟随电缸的滑台一起运动，光栅尺的信号电缆接入伺服驱动器的第二反馈接口。伺服电机与伺服驱动器之间通过动力线缆与信号线缆进行连接，其中，信号线缆接入伺服驱动器的第一反馈接口。伺服驱动器与实时控制器之间通过网线进行连接，实时控制器与上位机客户端之间同样通过网线进行连接。光栅尺电连接有传感器，传感器可以是束测传感器，或者是其它输出电流信号的传感器。图4是实时控制软件架构图。实时控制软件实现对伺服电机的实时控制与监测，负责与上位机进行通信，并实现本地控制系统的故障处理、日志记录等功能。实时控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统，其特征在于：该系统由硬件部分与软件部分组成；其中，硬件部分包括传动单元、运动控制单元；软件部分由实时控制软件与上位机客户端组成；所述传动单元包括伺服电机、减速机、皮带轮、电缸、传动杆、台架、反馈组件、限位开关；其中，所述减速机安装于伺服电机的前端且与伺服电机同轴，用于实现伺服电机转速的缩小与转矩的放大；所述皮带轮用于连接减速机与电缸丝杠；所述电缸用于将伺服电机的旋转运动转化为直线运动；所述反馈组件由电机编码器与光栅尺位移传感器组成；所述运动控制单元由NI CompactRIO实时控制器组成；所述实时控制软件用于实现伺服电机的运动控制与运行状态监测；所述上位机客户端是人机交互界面，用于显示伺服电机的当前状态，以及供用户发送控制指令；所述实时控制软件与上位机客户端之间通过OPC UA通信协议进行通信，通过OPC UA变量的读写实现用户指令的下发与运行状态的监测。

【技术特征摘要】
1.一种多轴高精度闭环反馈运动控制系统，其特征在于：该系统由硬件部分与软件部分组成；其中，硬件部分包括传动单元、运动控制单元；软件部分由实时控制软件与上位机客户端组成；所述传动单元包括伺服电机、减速机、皮带轮、电缸、传动杆、台架、反馈组件、限位开关；其中，所述减速机安装于伺服电机的前端且与伺服电机同轴，用于实现伺服电机转速的缩小与转矩的放大；所述皮带轮用于连接减速机与电缸丝杠；所述电缸用于将伺服电机的旋转运动转化为直线运动；所述反馈组件由电机编码器与光栅尺位移传感器组成；所述运动控制单元由NICompactRIO实时控制器组成；所述实时控制软件用于实现伺服电机的运动控制与运行状态监测；所述上位机客户端是人机交互界面，用于显示伺服电机的当前状态，以及供用户发送控制指令；所述实时控制软件与上位机客户端之间通过OPCUA通信协议进行通信，通过OPCUA变量的读写实现用户指令的下发与运行状态的监测。2.根据权利要求1所述的多轴高精度闭环反馈运动控制系统，其特征在于：所述伺服电机包括伺服驱动器；伺服电机用于接收来自运动控制单元的指令与反馈组件的反馈信号，对二者进行运算，以输出一定的转矩、转速与位移。3.根据权利要求2所述的多轴高精度闭环反馈运动控制系统，其特征在于：所述伺服驱动器通过E...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋云涛，胡乐星，吴昱城，丁开忠，姚凯，张伟，陈永华，李君君，
申请(专利权)人：合肥中科离子医学技术装备有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34