[发明专利]多轴运动伺服控制与保护系统

说明书

技术领域

本发明涉及信息技术与自动化控制技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是利用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，本发明的技术解决方案是：

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10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。