多軸運動控制系統開發平臺的製作方法
2023-10-10 16:43:44 1
多軸運動控制系統開發平臺的製作方法
【專利摘要】本發明涉及多軸運動控制系統開發平臺，包括主控模塊、核心算法模塊、反饋採集模塊、專用數字IO模塊、通用數字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊、電源處理模塊；所述主控模塊分別與通用數字IO模塊、通訊模塊、核心算法模塊連接，核心算法模塊與專用數字IO模塊連接，核心算法模塊與電機控制信號輸出模塊連接，反饋採集模塊與核心算法模塊連接；通用數字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋採集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅動器接口與電機驅動器連接；本發明的優點是：系統充分利用現有設備實現多軸運動控制功能，大幅度降低了開發平臺成本，特別適用高校教學、低端產品開發需求。
【專利說明】多軸運動控制系統開發平臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及運動控制系統開發平臺，特別涉及一種多軸運動控制系統開發平臺，用於高校教學和產品開發。
【背景技術】
[0002]目前，市場上的運動控制系統開發平臺多採用嵌入式計算機或DSP核心，雖然功能強大、性能優異，但成本較高，多數低成本產品無法使用，高校教學等需求也無法大面積普及。
[0003]而以單片機為主的低成本晶片卻普遍並不為運動控制等高端應用所接受，只用來從事一些邏輯控制。然而，對於複雜的系統，如太空梭，仍然用單片機系統進行相關開發工作，以保證穩定性，並使其發揮出最大效能，說明低成本晶片仍然能在複雜的系統中應用。因此，應用低成本晶片開發用於高校教學、低端產品開發領域的運動控制系統開發平臺不僅成本底，而且能夠足用戶的需要。而目前尚無此類產品在市場上出現，文獻中也未見相關報導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的就是為克服現有技術的不足，提供一種低成本多軸運動控制系統開發平臺，利用單片機構成主控模塊，通過主控模塊控制其它電路模塊，設計製作多軸運動控制系統，系統設有和控制面板、反饋信號、計算機、限位開關、光電開關、編碼器及電機驅動器的接口，充分利用現有設備實現多軸運動控制功能，以求大幅度降低開發平臺成本，適用高校教學、低端產品開發需求。
[0005]本發明是通過這樣的技術方案實現的:一種多軸運動控制系統開發平臺，其特徵在於:開發平臺電路包括主控模塊、核心算法模塊、反饋採集模塊、專用數字IO模塊、通用數字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊、電源處理模塊；
所述電源處理模塊與主控模塊連接，主控模塊分別與通用數字IO模塊、通訊模塊、核心算法模塊連接，核心算法模塊與專用數字IO模塊連接，核心算法模塊與電機控制信號輸出模塊連接，反饋採集模塊與核心算法模塊連接；通用數字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋採集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅動器接口與電機驅動器連接；
所述主控模塊由ATmegal28單片機構成，用於完成綜合控制、邏輯控制、通訊功能；所述核心算法模塊由一塊ATmegal28單片機構成，主要用於對反饋信息、專用IO信息進行採集和運算；
所述反饋採集模塊由高速光電隔離晶片及差分電路構成，再由差分電路對隔離後的信息進行差分，然後送入主控模塊，減少反饋信息所受到的環境幹擾；
所述通用數字IO模塊採用74HC595晶片，74HC595晶片通過TLP521-4光電隔離晶片與構成主控模塊的ATmegal28單片機連接，實現I/O拓展，增加I/O數量；採用TLP521-4光電隔離晶片採集信息，從而保護主控模塊的穩定工作；
所述專用數字I/o模塊由MCU (ATmegal28)、編碼器、行程限制元件、回零標誌電路、放大器使能電路、比較相等輸出電路、方向輸出電路、電機驅動器和放大器出錯電路連接組成；
行程限制元件用於電機的限位、回零標誌電路用於觸發電機，令其轉動到零點、放大器出錯電路用於採集電機驅動器工作電壓，當電機電流過大，觸發放大器出錯電路向系統傳送出錯信號，主控模塊發出指令使電機停止轉動；
放大器使能電路輸入端與ATmegal28的一個I/O埠連接，當ATmegal28的I/O埠電平有效時，觸發則放大器電路使能；
比較相等輸出電路分別與ATmegal28的一個I/O埠、放大器使能電路輸出端、方向輸出電路連接，對從放大器出錯電路採集的電平與系統設定電平進行比較，如採集的電平與系統設定電平相等，則觸發此功能；
方向輸出電路由比較相等輸出電路控制，其輸出端連接電機驅動器，電機的運動方向由ATmegal28的兩個I/O埠與比較相等輸出的電路的輸出電平進行邏輯運算，如比較相等輸出電路的輸出電平為低電平時，則方向輸出電路不工作，如比較相等輸出電路的輸出電平為高電平，則電機具體的輸出方向由ATmegal28的兩個I/O埠控制；
放大器出錯電路包括AD電壓採集晶片，AD電壓採集晶片採集電機驅動器的工作電壓，對電機驅動器的工作電壓進行監控，如果電機驅動器工作電壓異常，則放大器出錯電路輸出低電平，如電機驅動器工作電壓正常，則放大器出錯電路輸出高電平；
專用數字I/O模塊的I/O信息優先級最高，如正向行程限制I/O被觸發時，系統優先處理此信息，使電機停止運動，即使上位機再次下達正向運動指令，此電路部分仍舊不予處理，當上位機下達負向運動指令時，此電路部分將解除鎖定予以處理；
所述通訊模塊包括RS232模塊、CAN模塊、乙太網模塊，此三個模塊並行通訊，使用者可採用這三種中任何一種通訊方式使上位機與控制系統建立聯繫；採用RS232、CAN、乙太網三種通訊方式與上位機進行通訊，通訊模塊使主控模塊與上位機進行數據交換，根據交換的信息可在上位機上進行參數設置，波形分析，圖像顯示；
所述電機控制信號輸出模塊由HCPL2630高速光電隔離晶片與其相關濾波電路構成，因控制信號輸出頻率較高，此模塊採用高速的光隔晶片；
所述電源處理模塊由7805晶片與7812晶片及其相關濾波電路構成，為系統提供5V及土 12V系統電源。
[0006]利用多軸運動控制系統開發平臺控制電機工作的步驟:
(1)首先根據任務要求，通過PC機、工控機、控制面板、手輪或傳感器向多軸運動控制系統開發平臺發布指令，選擇執行項目，
(2)多軸運動控制系統對上位機下達的指令進行分析並儲存，並對相應的電機下達運動指令；
(3)電機轉動時所對應的反饋信息，如編碼器信息，電流的大小，傳送給多軸運動控制系統，系統對所反饋的信息進行分析運算，並根據所存儲的上位機指令對電機下達二次運動指令，指令以脈衝或模擬電壓方式輸出，此次下達的二次運動指令會根據系統所設定的伺服周期及反饋信息進行不停的運算及修改，如第一次的運動指令不足以使電機的實際運動平滑，或電機的實際速度不能按照指令中預想的速度運行，則二次運動指令會對輸出脈衝或模擬電壓進行比例，積分，微分的三種方式運算，從而達到電機按照指令中預想的運動效果，並告知上位機電機所運動的軌跡及波形；
(4)當外部信號觸發了系統中的專用數字I/O模塊，此時系統停止運算，優先處理此類信息，使電機停止或進行回零運動。
[0007]本發明的技術效果是具有標準的運動控制開發平臺架構，具有多軸開發能力，可在低成本的基礎上對大多數運動控制系統進行開發、驗證及改進。系統充分利用現有設備實現多軸運動控制功能，大幅度降低了開發平臺成本，特別適用高校教學、低端產品開發需求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1、是本發明的系統組成框圖；
圖2、是本發明的核心算法模塊控制原理圖；
圖3、是本發明系統應用不意圖；
圖4、電機控制原理圖；
圖5、專用數字IO模塊組成框圖。
【具體實施方式】
[0009]為了更清楚的理解本發明，結合附圖和實施例詳細描述本發明:
具體實施例子:飛機模擬機的「隨動油門臺」
在此項目中採用本發明對兩個電機進行高精度控制，本項目中電機帶動兩個油門擺杆進行圓周運動，油門擺杆總行程為120度，要求控制精度達到0.05度，當油門擺杆達到O度與120度這兩端時，電機不再向前運動。本發明中採用6000線的差分編碼器作為反饋器件，本發明可對6000線的差分信號進行4分頻，從而使精度提高四倍。在O度與120度兩端採用光電開關進行限位，當油門擺杆運動到這兩端時觸動「專用I/O」則停止運動，不會出現超出這個範圍的運動。本發明對電機實行高精度控制，控制精度達到0.015度，並把電機運動軌跡反饋到上位機，同時反饋速度信息，位置信息。
[0010]多軸運動控制系統開發平臺，開發平臺電路包括主控模塊、核心算法模塊、反饋採集模塊、專用數字IO模塊、通用數字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊、電源處理模塊；
電源處理模塊與主控模塊連接，主控模塊分別與通用數字IO模塊、通訊模塊、核心算法模塊連接，核心算法模塊與專用數字IO模塊連接，核心算法模塊與電機控制信號輸出模塊連接，反饋採集模塊與核心算法模塊連接；通用數字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋採集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅動器接口與電機驅動器連接；
主控模塊由ATmegal28單片機構成，其功能用於完成綜合控制、邏輯控制、通訊；
所述核心算法模塊由一塊ATmegal28單片機構成，主要用於對反饋信息、專用IO信息進行採集和運算；如對兩個電機進行同時控制，並使這兩個電機在平面空間上進行圓弧運動(如在一張白紙上畫圓)，這時須核心算法模塊對兩個電機的反饋進行插補運算，並對電機驅動器進行脈衝輸出完成運動控制功能。電機的反饋信息由電流、位置、速度三種方式組成，故核心算法模塊由電流環控制、位置環控制、速度環控制三種閉環控制方式組成；
反饋採集模塊由高速光隔及差分電路構成，對所採集到的反饋信息首先進行光電隔離使其不會損壞電路，因反饋信息頻率較高，故此處應採用高速光電隔離晶片，再對隔離後的信息進行差分進入主控模塊，減少反饋信息所受到的環境幹擾；
通用數字IO模塊採用74HC595晶片，74HC595晶片通過TLP521-4光電隔離晶片與構成主控模塊的ATmegal28單片機連接，實現I/O拓展，增加I/O數量；採用TLP521-4光電隔離晶片採集信息隔離開，從而保護主控模塊的穩定工作。
[0011]專用數字I/O模塊由行程限制元件、回零標誌電路、放大器出錯電路、放大器使能電路、方向輸出電路、比較相等輸出電路組成；
行程限制元件(電機的限位)、回零標誌電路(如觸發此功能電機將運動到零點)、放大器出錯電路(如電機電流過大，則觸發此功能停止電機運動)、放大器使能電路(當觸發此I/0，則放大器電路使能)、方向輸出電路(電機的運動方向由此I/O信號控制)、比較相等輸出電路(對採集的電機驅動器的工作電壓電壓進行比較，如採集的電源電壓與系統設定電壓相等,則觸發此功能)組成。
[0012]專用數字I/O模塊的I/O信息優先級最高，如正向行程限制I/O被觸發時，系統優先處理此信息，使電機停止運動，即使上位機再次下達正向運動指令，此電路部分仍舊不予處理，當上位機下達負向運動指令時，此電路部分將解除鎖定予以處理。
[0013]專用數字I/O模塊由行程限制元件、回零標誌電路、放大器出錯電路、放大器使能電路、方向輸出電路、比較相等輸出電路連接組成。
[0014]採用光隔晶片使主控模塊與IO採集信息隔離開，從而保護主控模塊的穩定工作； 通訊模塊包括RS232模塊、CAN模塊、乙太網模塊，採用RS232、CAN、乙太網三種通訊方
式與上位機進行通訊，通訊模塊使主控模塊與上位機進行數據交換，根據交換的信息可在上位機上進行參數設置，波形分析，圖像顯示等；
所述電機控制信號輸出模塊由HCPL2630高速光電隔離晶片與其相關濾波電路構成，因控制信號輸出頻率較高，顧此模塊採用高速的光隔晶片。
[0015]電源處理模塊由7805晶片與7812晶片及其相關濾波電路構成，為系統提供5V及土 12V系統電源。
[0016]根據上述說明，結合本領域技術可實現本發明的方案。
【權利要求】
1.多軸運動控制系統開發平臺，其特徵在於:開發平臺電路包括主控模塊、核心算法模塊、反饋採集模塊、專用數字IO模塊、通用數字IO模塊、通訊模塊、電機控制信號輸出模塊和電源處理模塊； 所述電源處理模塊與主控模塊連接，主控模塊分別與通用數字IO模塊、通訊模塊、核心算法模塊連接，核心算法模塊與專用數字IO模塊連接，核心算法模塊與電機控制信號輸出模塊連接，反饋採集模塊與核心算法模塊連接；通用數字IO模塊通過IO接口分別與控制面板、手輪、顯示器連接，反饋採集模塊通過增量型編碼器光柵接口與增量編碼器連接，電機控制信號輸出模塊通過電機驅動器接口與電機驅動器連接； 所述主控模塊由ATmegal28單片機構成，用於完成綜合控制、邏輯控制、通訊功能；所述核心算法模塊由一塊ATmegal28單片機構成，主要用於對反饋信息、專用IO信息進行採集和運算； 所述反饋採集模塊由高速光電隔離晶片及差分電路構成，再由差分電路對隔離後的信息進行差分，然後送入主控模塊，減少反饋信息所受到的環境幹擾； 所述通用數字IO模塊採用74HC595晶片，74HC595晶片通過TLP521-4光電隔離晶片與構成主控模塊的ATmegal28單片機連接，實現I/O拓展，增加I/O數量；採用TLP521-4光電隔離晶片採集信息，從而保護主控模塊的穩定工作； 所述專用數字I/O模塊由MCU (ATmegal28)、編碼器、行程限制元件、回零標誌電路、放大器使能電路、比較相等輸出電路、方向輸出電路、電機驅動器和放大器出錯電路連接組成； 行程限制元件用於電機的限位、回零標誌電路用於觸發電機，令其轉動到零點、放大器出錯電路用於採集電機驅動器工作電壓，當電機電流過大，觸發放大器出錯電路向系統傳送出錯信號，主控模塊發出指令使電機停止轉動； 放大器使能電 路輸入端與ATmegal28的一個I/O埠連接，當ATmegal28的I/O埠電平有效時，觸發則放大器電路使能； 比較相等輸出電路分別與ATmegal28的一個I/O埠、放大器使能電路輸出端、方向輸出電路連接，對從放大器出錯電路採集的電平與系統設定電平進行比較，如採集的電平與系統設定電平相等，則觸發此功能； 方向輸出電路由比較相等輸出電路控制，其輸出端連接電機驅動器，電機的運動方向由ATmegal28的兩個I/O埠與比較相等輸出的電路的輸出電平進行邏輯運算，如比較相等輸出電路的輸出電平為低電平時，則方向輸出電路不工作，如比較相等輸出電路的輸出電平為高電平，則電機具體的輸出方向由ATmegal28的兩個I/O埠控制； 放大器出錯電路包括AD電壓採集晶片，AD電壓採集晶片採集電機驅動器的工作電壓，對電機驅動器的工作電壓進行監控，如果電機驅動器工作電壓異常，則放大器出錯電路輸出低電平，如電機驅動器工作電壓正常，則放大器出錯電路輸出高電平； 專用數字I/O模塊的I/O信息優先級最高，如正向行程限制I/O被觸發時，系統優先處理此信息，使電機停止運動，即使上位機再次下達正向運動指令，此電路部分仍舊不予處理，當上位機下達負向運動指令時，此電路部分將解除鎖定予以處理； 所述通訊模塊包括RS232模塊、CAN模塊、乙太網模塊，此三個模塊並行通訊，使用者可採用這三種中任何一種通訊方式使上位機與控制系統建立聯繫；採用RS232、CAN、乙太網三種通訊方式與上位機進行通訊，通訊模塊使主控模塊與上位機進行數據交換，根據交換的信息可在上位機上進行參數設置，波形分析，圖像顯示； 所述電機控制信號輸出模塊由HCPL2630高速光電隔離晶片與其相關濾波電路構成，因控制信號輸出頻率較高，此模塊採用高速的光隔晶片； 所述電源處理模塊由7805晶片與7812晶片及其相關濾波電路構成，為系統提供5V及土 12V系統電源。
2.一種利用多軸運動控制系統開發平臺控制電機工作的步驟: (1)首先根據任務要求，通過PC機、工控機、控制面板、手輪或傳感器向多軸運動控制系統開發平臺發布指令，選擇執行項目； (2) 多軸運動控制系統對上位機下達的指令進行分析並儲存，並對相應的電機下達運動指令； (3)電機轉動時所對應的反饋信息，如編碼器信息，電流的大小，傳送給多軸運動控制系統，系統對所反饋的信息進行分析運算，並根據所存儲的上位機指令對電機下達二次運動指令，指令以脈衝或模擬電壓方式輸出，此次下達的二次運動指令會根據系統所設定的伺服周期及反饋信息進行不停的運算及修改，如第一次的運動指令不足以使電機的實際運動平滑，或電機的實際速度不能按照指令中預想的速度運行，則二次運動指令會對輸出脈衝或模擬電壓進行比例，積分，微分的三種方式運算，從而達到電機按照指令中預想的運動效果，並告知上位機電機所運動的軌跡及波形； (4)當外部信號觸發了系統中的專用數字I/O模塊，此時系統停止運算，優先處理此類信息，使電機停止或進行回零運動。
【文檔編號】G05B19/414GK103488126SQ201310457241
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】史屹君, 孫成文, 張萌, 劉洋, 陳廣永, 毛雪冬 申請人:天津市中環電子計算機有限公司