多轴运动伺服控制与保护系统技术方案

本发明专利技术一种多轴运动伺服控制与保护系统，涉及自动化技术，该控制系统由ＡＲＭ控制器、ＣＡＮ通讯卡、ＣＰＬＤ器件、ＦＰＧＡ计数器、电机驱动器、直流或步进电机、光电码盘或光栅尺、传感器等组成。ＡＲＭ控制器通过ＣＡＮ总线接收上位机发送的位置或速度控制命令，利用内置算法计算出控制量，通过ＣＰＬＤ产生相应的脉宽信号或频率信号，经由电机驱动器驱动电机的运动；通过ＦＰＧＡ处理光电码盘或光栅尺信号，作为反馈信号送至ＡＲＭ处理器实现伺服控制；通过传感器检测机构和电机的运行状态，由ＡＲＭ处理器对过载、限位等情况及时控制，保护执行机构的安全运行。本发明专利技术系统可同时对至少８轴电机进行控制，方便了多轴运动机构的电气控制。

Multi axis motion servo control and protection system

The invention relates to a multi axis servo control and protection system, involving the automation technology, the control system is composed of ARM controller, CAN communication card, CPLD devices, FPGA counter, motor drive, DC or stepper motor, photoelectric encoder or grating, sensor etc.. The ARM controller sends through CAN bus position or speed control command, use the built-in algorithm to calculate the control quantity, generate the corresponding pulse signal or frequency signal through CPLD, through the motor drive motor; processing by FPGA photoelectric encoder or grating ruler signal, as servo control to realize the feedback signal is sent to the ARM processor by running the state; sensor detection mechanism and motor, a ARM processor to limit overload, etc. in a timely manner to control, protect the safe operation of the actuator. The system of the invention can control at least 8 axle motors at the same time, and is convenient for the electric control of the multi axis movement mechanism.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信息技术与自动化控制
，涉及多轴联动的运动控 制系统与电气机构保护系统，是利用嵌入式软硬件技术和现场总线技术组 成的新型嵌入式多轴运动伺服控制与包含装置，形成了适用于多自由度、 关节耦合性强的串并联机构的运动控制设备。
技术介绍
多轴运动控制系统广泛应用与自动化设备，特别是轻工包装机械、 印刷机械和专用数控加工设备以及串并联机器人中。其特点是控制轴数 多、设备布置范围广、同步性要求高。针对这类运动轴的控制，多采用基于现场总线的分布式控制技术实现多轴联动伺服控制。SERCOS就是 一种适用于数字伺服和传动系统的现场总线接口和数据交换协议，能够 实现工业控制计算机与数次伺服系统、传感器和可编程控制器I/O 口之间 的实时数据通讯。但这种方式下各轴的伺服控制装置都是独立的，各个 运动轴都需要由伺服控制器、电机驱动器、电动机、光电码盘构成，对 于轴数较多的设备，其硬件设备成本较高，系统结构复杂。还有一种运 动控制系统是使用多轴运动控制卡与计算机直接相连，由多轴运动控制 卡实现各轴的联动和伺服控制，但这种方式下多轴运动控制卡不具有开放性，对于特殊控制要求不能满足，且目前一般的运动控制卡都是不超 过四轴的联动控制，满足不了复杂机构系统中更多轴数的联动控制，且 对于执行机构的运行状态不能及时反馈。为此，有必要开发一种能够进 行多轴联动控制的，具有现场总线通讯接口的，能够对执行机构状态及 时反馈的，开放式结构的多轴运动伺服控制系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用ARM嵌入式软硬件技术和现场总线通讯技术提供一种新型的多轴运动伺服控制与保护系统，在自动化机械设备中实现多 个运动轴的联动伺服控制，保护机构的机械运动极限和电机的过载电流， 降低该运动伺服系统的成本，提高系统的开放性和应用范围。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案是一种多轴运动伺服控制与保护系统，包括电机驱动器、直流或步进电机、光电码盘或光栅尺、各种传感器；其还包括ARM控制器、CAN通讯 卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器，其中，ARM控制器、CAN 通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器都含有相同定义的系统总 线接口 ，通过104芯插针相互叠插在一起，CAN通讯卡含有CAN总线通 讯接口， FPGA加减计数器含有差分信号输入接口，电机驱动器为直流电 机驱动器或步进电机驱动器，含有控制信号输入接口和电机驱动接口， ARM控制器含有开关量信号输入接口，传感器包括限位开关传感器、过 载检测传感器；电机驱动器的控制信号输入接口与CPLD脉冲发生器相连， 电机驱动接口与相应类型的电动机连接，光电码盘或光栅尺安装在运动机构上，其信号输出与FPGA的差分信号输入接口连接，各种传感器信号与 ARM控制器的开关量信号输入接口连接；CPLD脉冲发生器有至少8路信号输出接口，同时连接至少8路电机 驱动器；FPGA加减计数器有至少8路信号输入接口，同时连接至少8 路光电码盘或光栅尺信号；多轴运动伺服控制与保护系统通过CAN总线通讯接口与负责规划控 制的上位机相连，由上位机产生各轴的位置或速度控制命令，并发送给 ARM控制器，利用内置算法计算出控制量，通过CPLD产生各轴所需的 相应脉宽信号或频率信号，经由各电机驱动器驱动各轴电机的运动；通过 FPGA处理安装在各轴机构上的光电码盘或光栅尺信号，作为反馈信号送 至ARM处理器实现多轴伺服控制；通过限位开关传感器检测机构的机械 到位情况，通过过载传感器检测电机的运行状态，由ARM处理器对电机 过载、机械限位的情况及时停车控制，以保护执行机构的安全运行。所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其所述传感器信号在接入系统 后分为两路， 一路接入到ARM控制器上由ARM处理器读取其状态，另 一路接入到CPLD脉冲发生器的控制信号输入端，由CPLD脉冲发生器的 内部逻辑直接控制限位、过载的情况下执行机构停车。所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其所述FPGA加减计数器上含 有备用锂电池，在整个控制系统断电时保证光电码盘或光栅尺的反馈信号 不丢失，实时记录执行机构的绝对位置。所述的多轴运动伺服控制与保护系统，其所述ARM控制器含有 ARM9处理器，由两个IO位BDC码拨盘开关构成地址选择开关，通过手动拨动来设定该ARM控制器在CAN总线通讯系统中的ID地址。本专利技术提出的多轴运动伺服控制与保护系统的主要优点如下利用基 于ARM处理器的嵌入式系统技术研制的多轴联动伺服控制系统，其开放 性高，能同时控制多达8个运动轴的联动伺服控制；利用CAN总线通讯 技术技术实现了多轴运动伺服控制系统与上位计算机之间的实时数据通 讯，提高了整个控制系统的实时性和可扩展性；使用备用电池为FPGA计 数器提供备用供电电源，保证在系统断电的情况下光电码盘和光栅尺的信 息不丢失，对执行机构的位置进行实时记录；使用硬件逻辑电路直接在控制信号输出前端加入保护控制逻辑，保证即使在CPU不能正常工作的情况下也不会对机构和电机造成损坏。 附图说明图1为本专利技术的单套多轴运动伺服控制与保护系统的结构框图； 图2为本专利技术系统中的过载、限位保护部分的功能电路原理图。具体实施例方式本专利技术的一种基于ARM处理器的多轴运动伺服控制与保护系统，是 各种自动化设备运动机构中使用的多轴伺服控制装置和过载、限位等执行 机构运动保护装置。该系统可同时实现多达8个运动轴的位置、速度联动 伺服控制，并能对各轴的运行状态进行实时检测，从硬件电路上保证机构 和电机不会因机械限位和过载过流而造成损坏，提高系统的安全性。图1为单套多轴运动伺服控制与保护系统的结构框图，主要由ARM控制电路和驱动保护硬件两部分组成。ARM控制电路是该系统的弱电控制部分，主要实现联动控制算法的实施、反馈信号的处理、控制信号的产生等，是该系统伺服过程执行的控制核心。ARM控制电路主要由ARM控 制器、CAN总线通讯卡、CPLD脉冲发生器、FPGA加减计数器等构成， 其中每个功能单元都由一块板卡实现，在每块板卡上具有自定义结构的系 统总线接口，通过104芯插针相互叠插在一起构成多轴联动伺服控制器。 驱动保护硬件部分是实现执行机构驱动与保护的硬件装置，由多个电机驱 动器、电动机、光电码盘或光栅尺、限位传感器、过载传感器等组成，其 中电机驱动器和电动机配合使用，可为直流电机或步进电机，光电码盘和 光栅尺根据该关节机构的运动特点和需求选用。CPLD脉冲发生器与8个 电机驱动器相连，每个电机驱动器连接一个相应类型的电动机，由电动机 带动各关节的执行机构，在执行机构上安装光电码盘或光栅尺，其信号与 FPGA加减计数器连接，在执行机构的相应位置安装上下限位传感器，在 电机驱动回路中安装过流检测传感器，传感器信号分为两路，分别接入到 CPLD脉冲发生器和ARM控制器上。其中FPGA加减计数器上含有备用 锂电池，在整个控制系统断电情况下仍可保证光电码盘或光栅尺的反馈信 号不丢失，实时记录执行机构的绝对位置。。该系统通过CAN总线通讯卡 与负责协调控制的上位计算机(图中未示出)连接，单套系统可实现8个 轴的联动控制，对于更多轴数的自动化设备，可采用多套该系统，由一台 上位计算机对各套系统通过CAN总线进行协调控制，实现更多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多轴运动伺服控制与保护系统，包括电机驱动器、直流或步进电机、光电码盘或光栅尺、各种传感器；其特征在于：　还包括ＡＲＭ控制器、ＣＡＮ通讯卡、ＣＰＬＤ脉冲发生器、ＦＰＧＡ加减计数器，其中，ＡＲＭ控制器、ＣＡＮ通讯卡、ＣＰＬＤ脉冲发生器、ＦＰＧＡ加减计数器都含有相同定义的系统总线接口，通过１０４芯插针相互叠插在一起，ＣＡＮ通讯卡含有ＣＡＮ总线通讯接口，ＦＰＧＡ加减计数器含有差分信号输入接口，电机驱动器为直流电机驱动器或步进电机驱动器，含有控制信号输入接口和电机驱动接口，ＡＲＭ控制器含有开关量信号输入接口，传感器包括限位开关传感器、过载检测传感器；电机驱动器的控制信号输入接口与ＣＰＬＤ脉冲发生器相连，电机驱动接口与相应类型的电动机连接，光电码盘或光栅尺安装在运动机构上，其信号输出与ＦＰＧＡ的差分信号输入接口连接，各种传感器信号与ＡＲＭ控制器的开关量信号输入接口连接；　ＣＰＬＤ脉冲发生器有至少８路信号输出接口，同时连接至少８路电机驱动器；ＦＰＧＡ加减计数器有至少８路信号输入接口，同时连接至少８路光电码盘或光栅尺信号；　多轴运动伺服控制与保护系统通过ＣＡＮ总线通讯接口与负责规划控制的上位机相连，由上位机产生各轴的位置或速度控制命令，并发送给ＡＲＭ控制器，利用内置算法计算出控制量，通过ＣＰＬＤ产生各轴所需的相应脉宽信号或频率信号，经由各电机驱动器驱动各轴电机的运动；通过ＦＰＧＡ处理安装在各轴机构上的光电码盘或光栅尺信号，作为反馈信号送至ＡＲＭ处理器实现多轴伺服控制；通过限位开关传感器检测机构的机械到位情况，通过过载传感器检测电机的运行状态，由ＡＲＭ处理器对电机过载、机械限位的情况及时停车控制，以保护执行机构的安全运行。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李恩，梁自泽，谭民，侯增广，赵晓光，景奉水，杨国栋，范长春，邓海波，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]