基於epa現場總線的多軸直流伺服電機控制系統及方法
2023-08-02 04:34:21
專利名稱：基於epa現場總線的多軸直流伺服電機控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及伺服電機控制領域，特別涉及一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服 電機控制系統及方法。
背景技術：
多軸直流伺服電機控制系統在實際生產過程中的應用日益廣泛，在配料、傳動等 生產過程中和仿人機器人上，都需要多臺直流伺服電機來驅動，多臺伺服電機之間的協調 控制直接影響生產過程的質量和機器人的運動性能。針對這類運動軸的控制，傳統的多軸 直流伺服電機運動控制系統依靠機械凸輪和齒輪來實現，但是，這種控制系統需要通過復 雜的機械設計才能實現多軸協調運動，機械損耗大，維護不方便。因此，基於各種現場總線 技術的多軸直流伺服電機控制系統應運而生。基於現場總線技術的多軸直流伺服電機控制系統能夠有效地節約安裝和維護費 用，為多軸直流伺服電機控制系統的應用開拓了更為廣闊的領域。但是，現有基於各種現場 總線技術的多軸直流伺服電機控制系統在傳遞信息的過程中無法避免碰撞，不能保證通信 的確定性和實時性，無法實現高速高精度的同步通信。另外，製造企業的信息化必須建立包 含從工業現場設備層到控制層、管理層等各個層次的綜合自動化網絡平臺。在企業的不同 網絡層次間傳遞信息變得越來越複雜，這對工業現場總線技術的開放性、互連性和帶寬提 出了更高要求。而現有各種基於現場總線技術的多軸直流伺服電機控制系統無法實現直 接集中監控和無縫接入到工廠信息化乙太網中，從而無法實現工業企業綜合自動化智能工 廠系統中從底層的現場設備層到上層的控制層、管理層的通信網絡平臺基於乙太網技術的 統一，使得系統擴展性差。因此，如何實現多軸直流伺服電機控制系統高速同步、實時可靠 通信且提高系統可擴展性，更好地控制多軸直流伺服電機系統成為一個亟待解決的技術問 題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高速同步、實時可靠且可擴展性良好的基於EPA現場 總線的多軸直流伺服電機控制系統。本發明的另一目的在於提供一種高速同步、實時可靠且可擴展性良好的基於EPA 現場總線的多軸直流伺服電機控制方法。為達到上述目的，本發明提供一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制系 統，包括一主控上位機和至少一個直流伺服驅動器，主控上位機與直流伺服驅動器通過 EPA通信網絡連接，其中，主控上位機包括一 EPA主站通信模塊，EPA主站通信模塊與EPA通信網絡同步，用 以與直流伺服驅動器進行數據交換，其進一步包括若干第一數據發送區用以對主控上位機的控制數據進行存儲，並將數據發送至 相應的直流伺服驅動器；
若干第一數據接收區用以接收並存儲直流伺服驅動器發送給主控上位機的數 據；每個直流伺服驅動器包括一 EPA從站通信模塊，EPA從站通信模塊與EPA通信網 絡同步，用以與EPA主站通信模塊進行數據交換，其進一步包括第二數據發送區用以存儲直流伺服驅動器發送給主控上位機的數據，並將數據 發送至相應的第一數據接收區；第二數據接收區用以接收並存儲第一數據發送區發送來的數據。依照本發明較佳實施例所述的系統，其直流伺服驅動器還包括控制板和電源板， 控制板上設置有DSP，EPA從站通信模塊設置在電源板上，且通過SPI接口與DSP連接。依照本發明較佳實施例所述的系統，其電源板上設置有EPA通信接口、CAN接口和 232 接口。依照本發明較佳實施例所述的系統，其EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊均 採用雙絞線方式與EPA網絡連接。依照本發明較佳實施例所述的系統，其第一數據發送區和第一數據接收區的數 量與直流伺服驅動器的數量相同。本發明還提供一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制方法，包括以下步 驟(1)將主控上位機與各直流伺服驅動器連接，構成EPA通信網絡，並設置EPA主站 通信模塊和各個EPA從站通信模塊的IP位址為同一網段；(2)系統上電，EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊分別自動快速與EPA通信網 絡完成同步，並分別輸出同步信號給主控上位機和DSP ；(3)主控上位機和直流伺服驅動器通過EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊按 照EPA應用層的數據協議進行通信，具體為主控上位機或DSP在第N個宏通信周期內將需要發送的數據寫入到EPA主站通信 模塊或EPA從站通信模塊中；EPA主站通信模塊或各EPA從站通信模塊在第N+1個宏通信 周期內將數據發送到EPA通信網絡上，並接收EPA通信網絡中的數據；主控上位機或DSP在 第N+2個宏通信周期內讀出EPA主站通信模塊或EPA從站通信模塊中接收的數據並進行處理。依照本發明較佳實施例所述的方法，上述的通信宏周期包括周期時間和非周期時 間，其中，周期時間內傳輸實時數據，非周期時間內傳輸非實時數據。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、本發明採用EPA現場總線進行通信，通信速率可達100Mbps，同步精度小於lus， 實現了高速通信和高精度同步。2、本發明採用EPA現場總線進行通信，通訊誤碼率小於10E-12，並且，EPA現場總 線採用確定性通信技術，把通信宏周期劃分為周期報文傳輸階段和非周期報文傳輸階段， 有效避免了碰撞，保證了通信的確定性和實時性，實現了高可靠性通信。3、本發明採用EPA現場總線進行通信，多軸直流伺服電機控制系統通過EPA現場 總線二級網段可直接集中監控和無縫接入到工廠信息化工業乙太網中，可擴展性好。
圖1為本發明基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制系統的架構示意圖；圖2為本發明實施例的直流伺服驅動器的結構示意圖；圖3為本發明基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制方法的流程原理圖；圖4為本發明實施例的網絡同步信號波形圖；圖5為本發明實施例的數據傳送順序示意具體實施例方式以下結合附圖，具體說明本發明。本發明的核心是採用EPA現場總線連接多軸直流伺服電機控制系統中的主控上 位機和直流伺服驅動器，使得它們之間以EPA現場總線的通信方式進行數據交互。從而使 得多軸直流伺服電機控制系統具有高速同步和高可靠性的通信性能，並且可以簡易地集成 到工廠自動化信息網絡中。請參閱圖1，一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制系統，包括主控上位 機10和多個直流伺服驅動器20，主控上位機10與直流伺服驅動器20通過EPA通信網絡 30連接。主控上位機10包括EPA主站通信模塊101，EPA主站通信模塊101採用雙絞線方 式與EPA網絡連接30，與EPA通信網絡30同步，用以與直流伺服驅動器20進行數據交換， 其進一步包括若干第一數據發送區102和若干第一數據接收區103。其中，第一數據發送 區102用以對主控上位機10的控制數據進行存儲，並將數據發送至相應的直流伺服驅動器 20。第一數據接收區103用以接收並存儲直流伺服驅動器20發送給主控上位機10的數 據。每個直流伺服驅動器20包括EPA從站通信模塊201，EPA從站通信模塊201採用 雙絞線方式與EPA網絡30連接，與EPA通信網絡30同步，用以與EPA主站通信模塊101進 行數據交換，其進一步包括第二數據發送區202和第二數據接收區203。第二數據發送區 202用以存儲直流伺服驅動器20發送給主控上位機10的數據，並將數據發送至相應的第一 數據接收區103。第二數據接收區203用以接收並存儲第一數據發送區102發送來的數 據。每個EPA從站通信模塊201隻有一個第二數據發送區202和第二數據接收區203。 EPA主站通信模塊101則包含了多個第一數據發送區102和第一數據接收區103，假設有N 個直流伺服驅動器20連接到EPA通信網絡30上，那麼在EPA主站通信模塊101就有N個第 一數據發送區102和第一數據接收區103，第一數據發送區102和第一數據接收區103的數 量與直流伺服驅動器20的數量相同，每個數據第一數據發送區102及第一數據接收區103 對應一個直流伺服驅動器20。請參閱圖2，其為本發明實施例的直流伺服驅動器的結構示意圖。直流伺服驅動器 20包括控制板204、電源板205和功率驅動板206。其中，控制板204主要完成接收並處理 命令和發出命令的功能，其上設置有DSP207。上述的EPA從站通信模塊202設置在電源板 205上，通過SPI接口與DSP207連接。電源板205上還設置有電源管理模塊、電源接口、電 機接口和各種通信接口，在本實例中，通信接口包括EPA通信接口、CAN接口和232接口，該直流伺服驅動器可支持EPA通信、CAN通信以及RS232通信。功率驅動板206包括驅動電 路和過流檢測電路，該直流伺服驅動器可以驅動有刷直流電機和無刷直流電機。本發明還定義了多軸直流伺服電機控制系統的EPA通信的應用層數據協議。主控 系統與各從控系統按應用層數據協議規範進行通信。上位機通過乙太網口訪問EPA主站通 信模塊，各直流伺服驅動器上的DSP通過SPI接口訪問EPA從站通信模塊。各EPA通信模 塊中一塊連續的RAM區劃分為發送數據區和接收數據區，上位機和DSP可以在通信宏周期 內對該片RAM區進行讀寫操作。基於上述系統，本發明還提供一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制方 法，包括以下步驟 Sll 將主控上位機與各直流伺服驅動器連接，構成EPA通信網絡，並設置EPA主站 通信模塊和各個EPA從站通信模塊的IP位址為同一網段。S12 系統上電，EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊分別自動快速與EPA通信 網絡完成同步，並分別輸出同步信號給主控上位機和DSP。S13 主控上位機和直流伺服驅動器通過EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊按 照EPA應用層的數據協議進行通信，具體為主控上位機或DSP在第N個宏通信周期內將需要發送的數據寫入到EPA主站通信 模塊或EPA從站通信模塊中；EPA主站通信模塊或各EPA從站通信模塊在第N+1個宏通信 周期內將數據發送到EPA通信網絡上，並接收EPA通信網絡中的數據；主控上位機或DSP在 第N+2個宏通信周期內讀出EPA主站通信模塊或EPA從站通信模塊中接收的數據並進行處 理。通信宏周期包括周期時間和非周期時間，其中，周期時間內傳輸實時數據，非周期時間 內傳輸非實時數據。在系統運行之前，要對系統中的EPA主站通信模塊和各個EPA從站通信模塊進行 IP位址的設置，使各個EPA通信模塊(EPA主站通信模塊和各個EPA從站通信模塊)的IP 地址處在同一網段。EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊完成同步後，分別輸出網絡同 步信號給上位機和DSP。網絡同步信號波形如圖4，其中T表示通信宏周期，Tp表示周期時 間，Tn表示非周期時間。在通信宏周期T內，周期時間Tp開始時輸出上升延，非周期時間 Tn開始時輸出下降延。對於已同步的網絡，網絡中所有的EPA通信模塊將同時輸出上升延 和下降延。上位機在每個EPA通信宏周期的周期時間內傳輸實時數據(如實時位置和實時速 度)，在非周期時間內傳輸非實時數據(如伺服驅動器位置環、速度環和電流環的PID參數 以及相關配置參數)給EPA主站通信模塊，EPA主站通信模塊同樣的分別在通信宏周期的周 期時間和非周期時間內將數據同步發送給各直流伺服驅動器上的EPA從站通信模塊，並從 各直流伺服驅動器上的EPA從站通信模塊中獲得實時數據(如絕對位置、絕對速度等)和 非實時數據(如驅動器狀態參數等)，分別在通信宏周期的周期時間和非周期時間內發送 給上位機。具體數據傳送的順序如圖5:首先，主控上位機和DSP在第N個通信宏周期內把數據寫入到EPA主站通信模塊 中和EPA從站通信模塊。即在第N個通信宏周期的周期時間內，主控上位機把實時數據寫 入EPA主站通信模塊，DSP把實時數據寫入EPA從站通信模塊。在第N個通信宏周期的非 周期時間內，DSP把非實時數據寫入EPA從站通信模塊。
之後，在第N+1個通信宏周期內，發送數據的EPA通信模塊把數據發送到EPA通信 網絡上，並且接收數據的EPA通信模塊完成接收數據。即EPA主站通信模塊把需要發送給 從控系統的實時數據在通信宏周期的周期時間內發送到EPA通信網絡上，在非周期時間內 發送非實時數據到EPA網絡上；同時在周期時間接收從控系統發送的實時數據，在非周期 時間接收從控系統發送的非實時數據。各EPA從站通信模塊在通信宏周期的周期時間內發 送實時數據到EPA通信網絡上，在非周期時間內發送非實時數據到EPA通信網絡上，同時在 周期時間接收主控系統發送的實時數據，在非周期時間接收主控系統發送的非實時數據。最後，在第N+2個通信宏周期內，接收數據的控制CPU把數據從EPA通信模塊中讀 出並開始處理。即主控上位機在通信宏周期的周期時間內從EPA主站通信模塊中讀取實時 數據，在非周期時間讀取非實時數據。DSP在通信宏周期的周期時間內從EPA從站通信模塊 中讀取實時數據，在非周期時間讀取非實時數據。以下，表1列出了上位機發送給伺服驅動器的命令和在EPA通信模塊中對應的偏 移地址，表2列出了伺服驅動器發送給上位機的命令和在EPA通信模塊中對應的偏移地址。表 1 表2 在上述表1、表2中，偏移地址為0x01-0x16以及0x27-0x28上的數據為非實時數 據，在EPA通信宏周期的非周期時間傳輸，而偏移地址為0x17-0x26上的數據為實時數據， 在EPA通信宏周期的周期時間內傳輸。上位機發送給直流伺服驅動器的非實時數據用於配 置驅動器參數，在驅動器第一次上電初始化的時候由DSP通過I2C接口寫入外接EEPROM模塊，下一次上電直接從EEPROM中讀取這些參數，如果不做修改不需要再次由上位機來發送 給直流伺服驅動器。本發明的基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制系統充分發揮了 EPA現場總 線的一系列優點，從而使得多軸直流伺服電機控制系統具備高速同步通信、高可靠性通信 和可擴展性等優點。以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但本發明並非局限於此，任何本領域 的技術人員能思之的變化，都應落在本發明的保護範圍內。
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權利要求
一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制系統，其特徵在於，包括一主控上位機和至少一個直流伺服驅動器，所述主控上位機與所述直流伺服驅動器通過EPA通信網絡連接，其中，所述主控上位機包括一EPA主站通信模塊，所述EPA主站通信模塊與所述EPA通信網絡同步，用以與所述直流伺服驅動器進行數據交換，其進一步包括若干第一數據發送區用以對主控上位機的控制數據進行存儲，並將數據發送至相應的直流伺服驅動器；若干第一數據接收區用以接收並存儲所述直流伺服驅動器發送給主控上位機的數據；每個所述直流伺服驅動器包括一EPA從站通信模塊，所述EPA從站通信模塊與所述EPA通信網絡同步，用以與所述EPA主站通信模塊進行數據交換，其進一步包括第二數據發送區用以存儲直流伺服驅動器發送給主控上位機的數據，並將數據發送至相應的第一數據接收區；第二數據接收區用以接收並存儲第一數據發送區發送來的數據。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述直流伺服驅動器還包括控制板和電源 板，所述控制板上設置有DSP，所述EPA從站通信模塊設置在所述電源板上，且通過SPI接口 與所述DSP連接。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述電源板上設置有EPA通信接口、CAN接 口和232接口。
4.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊 均採用雙絞線方式與所述EPA網絡連接。
5.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一數據發送區和第一數據接收區的 數量與直流伺服驅動器的數量相同。
6.一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)將主控上位機與各直流伺服驅動器連接，構成EPA通信網絡，並設置EPA主站通信 模塊和各個EPA從站通信模塊的IP位址為同一網段；(2)系統上電，EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊分別自動快速與EPA通信網絡完 成同步，並分別輸出同步信號給主控上位機和DSP ；(3)主控上位機和直流伺服驅動器通過EPA主站通信模塊和EPA從站通信模塊按照 EPA應用層的數據協議進行通信，具體為主控上位機或DSP在第N個宏通信周期內將需要發送的數據寫入到EPA主站通信模塊 或EPA從站通信模塊中；EPA主站通信模塊或各EPA從站通信模塊在第N+1個宏通信周期內 將數據發送到EPA通信網絡上，並接收EPA通信網絡中的數據；主控上位機或DSP在第N+2 個宏通信周期內讀出EPA主站通信模塊或EPA從站通信模塊中接收的數據並進行處理。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述通信宏周期包括周期時間和非周期時 間，其中，周期時間內傳輸實時數據，非周期時間內傳輸非實時數據。
全文摘要
一種基於EPA現場總線的多軸直流伺服電機控制系統及方法，該系統包括主控上位機和若干直流伺服驅動器，主控上位機與直流伺服驅動器通過EPA通信網絡連接，主控上位機包括用以與直流伺服驅動器進行數據交換的EPA主站通信模塊，該EPA主站通信模塊進一步包括若干第一數據發送區和若干第一數據接收區；每個直流伺服驅動器包括與EPA主站通信模塊進行數據交換的EPA從站通信模塊，該EPA從站通信模塊進一步包括第二數據發送區和第二數據接收區。本發明實現了高速通信、高精度同步和高可靠性通信，並且可擴展性良好。
文檔編號G08C19/00GK101907882SQ20101019519
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月8日 優先權日2010年6月8日
發明者丁輝, 王挺, 王秀君, 章永亮, 胡協和, 許書軍 申請人:浙江中控電氣技術有限公司;浙江大學