一种三轴伺服电机控制系统技术方案

本实用新型专利技术旨在设计一套通用型基于MODBUS

【技术实现步骤摘要】
一种三轴伺服电机控制系统


[0001]本技术涉及伺服电机的运动控制领域。

技术介绍

[0002]随着社会工业化进程的加快，自动化流水线在各行各业中的应用也越来越普遍，特别是各种样式的工业机床，具体到一台机床上的运动控制部分，目前普遍采用带编码器类型的高精度伺服电机进行搭建，以一台具有X，Y，Z三轴方向的简单机床为例，则至少需要三台伺服电机进行协作运动，以实现精确的位点控制。但现有的各类机床普遍造价高昂，针对机床运动控制部分，无法实现模块化，通用化。
[0003]因此，如何设计一套低成本，可扩展的伺服电机运动控制系统，具有相当的必要性。在工业控制领域，目前大多数采用步进电机加工控机的模式搭建多轴电机运动控制系统，步进电机相比伺服电机而言，具有扭矩大，价格便宜等优点，但其缺点是步距角固定，因此精度较差。在电机控制部分，步进电机驱动器通常不支持数字通信接口，因而必须搭配工控机使用PWM脉宽调制波形进行驱动，随之带来的就是控制信号不稳定，扩展性差，以及工控机价格昂贵等问题。

技术实现思路

[0004]针对以上各种问题，本技术以三轴伺服电机控制系统为例，旨在设计一套通用性强，可扩展性高，价格低廉的三轴伺服电机控制系统。
[0005]通过本系统可以较为便利的实现对三轴伺服电机系统的运动控制，且具有可扩展性。
[0006]为了达到以上目的，本技术采用的技术方案是：
[0007]一种三轴伺服电机控制系统，其特征在于，包括：三台伺服电机及其驱动器，一块单片机主控板，9个限位开关以及一个急停按钮；
[0008]所述三台伺服电机驱动器采用RS
‑
485总线进行串联，并连接到主控板的RS
‑
485通信接口上；三台伺服电机与其驱动器的连接包括编码器数据线，与U，W，V三相电机线；
[0009]所述9个限位开关采用继电器模块与主控板进行隔离连接，急停按钮同样采用继电器模块与主控板进行隔离连接；
[0010]从三台伺服电机驱动器上分别引出电机到位信号，采用继电器模块与主控板进行隔离连接；
[0011]所述单片机主控板采用UART串口与上位机进行通讯，执行给定信号帧所规定的操作；
[0012]上述所述硬件连接结构均可进行扩展，且在单片机主控板上预留有空余接口，可扩展为五轴或多轴控制系统；
[0013]所述的限位开关，为光电式限位开关，具有发射端和接收端，当发射端被拨片挡住时输出低电平，否则输出高阻态。
[0014]所述的限位开关，分别布置在三轴电机运动范围的上限，下限，零点部分。
[0015]单片机主控板采用STM32F407作为主控MCU，单片机与电机驱动器的 RS
‑
485连接采用SP3485转接芯片将RS
‑
485信号转接为UART信号。
[0016]所述的伺服电机及其驱动器，能够给出电机运动到位的信号，到位时输出低电平，未到位时输出高阻态。
[0017]由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本技术可以较为便利的实现对三轴伺服电机系统的运动控制，实现RS
‑
485通信、控制电机运行至指定位置、读取电机运行参数、与上位机通讯并执行相关指令等功能，并具有可扩展性。
附图说明
[0018]图1是三轴伺服电机控制系统整体架构图
[0019]图2是三轴伺服电机连接关系图
[0020]图3是电机控制软件三轴伺服电机控制程序整体结构图
[0021]图4是三轴伺服电机与单片机主控板关系结构图
[0022]图5是三轴伺服电机控制程序主函数程序流程图
具体实施方式
[0023]下面结合具体实施例对本技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本技术，但不以任何形式限制本技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本技术的保护范围。
[0024]图1为本技术的整体架构，电机控制部分利用硬石科技的YS4
‑ꢀ
ProSTM32开发板实现，负责对三轴电机进行控制。外围部分通过四块24V四路继电器模块进行信号隔离输入。
[0025]电机控制采用板上自带的UART转RS
‑
485模块输出A、B两线信号串接三个型号为TSDA
‑
C12B的伺服电机驱动器，并由驱动器对三台伺服电机进行控制。
[0026]在三轴的导轨上分别安装有九个光电式限位开关，用于给出电机的限位与回零信号，此外电机驱动器上也引出了三个电机到位信号，用于指示三台电机是否走到给定位置，还有一路急停信号用于机器在运行过程中的紧急停止。所有信号通过四块继电器进行隔离输入到STM32中。当各限位开关被接通或关断时会给出控制信号，并由STM32接收处理用于控制电机运行。
[0027]为防止电磁干扰对信号造成影响，各信号均通过继电器进行隔离并输入至 STM32,其中各导轨限位开关以及电机驱动器到位信号均为低电平有效。当信号有效，继电器导通，并将板载5V或GND输入到信号IO端口，借此实现信号输入。
[0028]在控制电路各个部分的接线过程中，均需要共地，接地是为了使整个系统具有共同的零电位参考平面，并使整个系统正常工作。它不仅是保护设备和人身安全的必要手段，还是抑制EMI和改善系统EMC的关键。正确的接地可以为干扰信号提供低阻抗电路，使各信号能够正确的工作，这是抑制干扰和解决大多数 EMC问题的最有效方法。
[0029]STM32使用UART串口与上位机通讯，由于STM32内部并没有RS
‑
485通讯功能，故采
用探索者开发板上自带的SP3485芯片作为收发器件，该芯片可实现串口到RS
‑
485的转换。
[0030]系统整体供电部分需要三种开关电源，分别是12V、24V、48V，其中12V用于供给限位开关工作，24V用于供给继电器工作，48V用于供给电机驱动器工作，由于电机驱动器需要驱动电机，因此需要选取大功率电源。控制板供电采用自带变压器。
[0031]控制板与电机驱动器的连接采用串联式组网，其示意图如图2所示，需要注意的是在电机驱动器上的RS
‑
485接口，其中标有“RS232”的为输入口，标有“LOAD”的为输出口。
[0032]主控芯片采用STM32F407ZGT6，该伺服电机控制程序基于TODA电机经销商华创商城提供的模板程序进行编写，开发环境采用Keil v5，采用的MODBUS 通讯协议参照“GB/Z 19582.1
‑
2004基于Modbus协议的工业自动化网络规范
‑
第一部分”与“TSDA
‑
C12B低压伺服用户手册”进行编写实现，程序包括主程序与中断共两部分，软件架构如图3所示。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三轴伺服电机控制系统，其特征在于，包括：包括三台伺服电机及其驱动器，一块单片机主控板，9个限位开关以及一个急停按钮；所述三台伺服电机驱动器采用Modbus总线进行串联，并连接到主控板的RS
‑
485通信接口上；三台伺服电机与其驱动器的连接包括编码器数据线，与U，W，V三相电机线；所述9个限位开关采用继电器模块与主控板进行隔离连接，急停按钮同样采用继电器模块与主控板进行隔离连接；从所述三台伺服电机驱动器上分别引出电机到位信号，采用继电器模块与主控板进行隔离连接；所述单片机主控板采用UART串口与上位机进行通讯，执行给定信号帧所规定的程序。2.如权利要求1所述的一种三轴伺服电机控制系统，其特征在于，所述的伺服电机及其驱动器，支持RS
‑
485通讯接口，且能够串...

【专利技术属性】
技术研发人员：万国春，马冲，钟宁，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：新型
国别省市：