CN103488126B - 多轴运动控制***开发平台及利用开发平台控制电机工作的方法 - Google Patents
多轴运动控制***开发平台及利用开发平台控制电机工作的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及多轴运动控制***开发平台及利用开发平台控制电机工作的方法，包括主控模块、核心算法模块、反馈采集模块、专用数字I/O模块、通用数字I/O模块、通讯模块、电机控制信号输出模块、电源处理模块；主控模块分别与通用数字I/O模块、通讯模块、核心算法模块连接，核心算法模块与专用数字I/O模块连接，核心算法模块与电机控制信号输出模块连接，反馈采集模块与核心算法模块连接；通用数字I/O模块通过I/O接口分别与控制面板、手轮、显示器连接，反馈采集模块通过增量型编码器光栅接口与增量编码器连接，电机控制信号输出模块通过电机驱动器接口与电机驱动器连接；本发明的优点是：***充分利用现有设备实现多轴运动控制功能，大幅度降低了开发平台成本，特别适用高校教学、低端产品开发需求。
Description
技术领域
本发明涉及运动控制***开发平台，特别涉及一种多轴运动控制***开发平台及利用开发平台控制电机工作的方法，用于高校教学和产品开发。
背景技术
目前，市场上的运动控制***开发平台多采用嵌入式计算机或DSP核心，虽然功能强大、性能优异，但成本较高，多数低成本产品无法使用，高校教学等需求也无法大面积普及。
而以单片机为主的低成本芯片却普遍并不为运动控制等高端应用所接受，只用来从事一些逻辑控制。然而，对于复杂的***，如航天飞机，仍然用单片机***进行相关开发工作，以保证稳定性，并使其发挥出最大效能，说明低成本芯片仍然能在复杂的***中应用。因此，应用低成本芯片开发用于高校教学、低端产品开发领域的运动控制***开发平台不仅成本底，而且能够足用户的需要。而目前尚无此类产品在市场上出现，文献中也未见相关报道。
发明内容
本发明的目的就是为克服现有技术的不足，提供一种多轴运动控制***开发平台及利用开发平台控制电机工作的方法，利用单片机构成主控模块，通过主控模块控制其它电路模块，设计制作多轴运动控制***，***设有和控制面板、反馈信号、计算机、限位开关、光电开关、编码器及电机驱动器的接口，充分利用现有设备实现多轴运动控制功能，以求大幅度降低开发平台成本，适用高校教学、低端产品开发需求。
本发明是通过这样的技术方案实现的：多轴运动控制***开发平台，其特征在于：开发平台电路包括主控模块、核心算法模块、反馈采集模块、专用数字I/O模块、通用数字I/O模块、通讯模块、电机控制信号输出模块和电源处理模块；
所述电源处理模块与主控模块连接，主控模块分别与通用数字I/O模块、通讯模块、核心算法模块连接，核心算法模块与专用数字I/O模块连接，核心算法模块与电机控制信号输出模块连接，反馈采集模块与核心算法模块连接；通用数字I/O模块通过I/O接口分别与控制面板、手轮、传感器连接，反馈采集模块通过增量型编码器光栅接口与增量编码器连接，电机控制信号输出模块通过电机驱动器接口与电机驱动器连接；
所述主控模块由ATmega128单片机构成，用于完成综合控制、逻辑控制、通讯功能；
所述核心算法模块由一块ATmega128单片机构成，主要用于对反馈信息、专用数字I/O模块的专用I/O信息进行采集和运算；
所述反馈采集模块由高速光电隔离芯片及差分电路构成，再由差分电路对隔离后的信息进行差分，然后送入主控模块，减少反馈信息所受到的环境干扰；
所述通用数字I/O模块采用74HC595芯片，74HC595芯片通过TLP521-4光电隔离芯片与构成主控模块的ATmega128单片机连接，实现I/O拓展，增加I/O数量；采用TLP521-4光电隔离芯片采集信息，从而保护主控模块的稳定工作；
所述专用数字I/O模块由ATmega128、编码器、行程限制元件、回零标志电路、放大器使能电路、比较相等输出电路、方向输出电路、电机驱动器和放大器出错电路连接组成；
行程限制元件用于电机的限位、回零标志电路用于触发电机，令其转动到零点、放大器出错电路用于采集电机驱动器工作电压，当电机电流过大，触发放大器出错电路向***传送出错信号，主控模块发出指令使电机停止转动；
放大器使能电路输入端与 ATmega128 的一个I/O端口连接，当ATmega128 的I/O端口电平有效时，触发则放大器电路使能；
比较相等输出电路分别与 ATmega128 的一个I/O端口、放大器使能电路输出端、方向输出电路连接，对从放大器出错电路采集的电平与***设定电平进行比较，如采集的电平与***设定电平相等，则触发此功能；
方向输出电路由比较相等输出电路控制，其输出端连接电机驱动器，电机的运动方向由ATmega128 的两个I/O端口与比较相等输出的电路的输出电平进行逻辑运算，如比较相等输出电路的输出电平为低电平时，则方向输出电路不工作，如比较相等输出电路的输出电平为高电平，则电机具体的输出方向由ATmega128的两个I/O端口控制；
放大器出错电路包括AD电压采集芯片，AD电压采集芯片采集电机驱动器的工作电压，对电机驱动器的工作电压进行监控，如果电机驱动器工作电压异常，则放大器出错电路输出低电平，如电机驱动器工作电压正常，则放大器出错电路输出高电平；
专用数字I/O模块的I/O信息优先级最高，如正向行程限制I/O被触发时，***优先处理此信息，使电机停止运动，即使上位机再次下达正向运动指令，***仍旧不予处理，当上位机下达负向运动指令时，***将解除锁定予以处理；
所述通讯模块包括RS232模块、CAN模块、以太网模块，此三个模块并行通讯，使用者可采用这三种中任何一种通讯方式使上位机与控制***建立联系；采用RS232、CAN、以太网三种通讯方式与上位机进行通讯，通讯模块使主控模块与上位机进行数据交换，根据交换的信息可在上位机上进行参数设置，波形分析，图像显示；
所述电机控制信号输出模块由HCPL2630高速光电隔离芯片与其相关滤波电路构成；
所述电源处理模块由7805芯片与7812芯片及其相关滤波电路构成，为***提供5V及±12V***电源。
利用多轴运动控制***开发平台控制电机工作的方法，其特征在于步骤如下：
（1）首先根据任务要求，通过PC机、工控机、控制面板、手轮或传感器向多轴运动控制***开发平台发布指令，选择执行项目；
（2）多轴运动控制***对上位机下达的指令进行分析并储存，并对相应的电机下达运动指令；
（3）电机转动时所对应的反馈信息，反馈信息是编码器信息和电流的大小，传送给多轴运动控制***，***对所反馈的信息进行分析运算，并根据所存储的上位机指令对电机下达二次运动指令，指令以脉冲或模拟电压方式输出，此次下达的二次运动指令会根据***所设定的伺服周期及反馈信息进行不停的运算及修改，当第一次的运动指令不足以使电机的实际运动平滑，或电机的实际速度不能按照指令中预想的速度运行，则二次运动指令会对输出脉冲或模拟电压进行比例，积分，微分的三种方式运算，从而使电机按照指令中预想的运动效果，并告知上位机电机所运动的轨迹及波形；
（4）当外部信号触发了***中的专用数字I/O模块，此时***停止运算，优先处理专用数字I/O模块的I/O信息，使电机停止或进行回零运动。
本发明的技术效果是具有标准的运动控制开发平台架构，具有多轴开发能力，可在低成本的基础上对大多数运动控制***进行开发、验证及改进。***充分利用现有设备实现多轴运动控制功能，大幅度降低了开发平台成本，特别适用高校教学、低端产品开发需求。
附图说明
图1、是本发明的***组成框图；
图2、是本发明的核心算法模块控制原理图；
图3、是本发明***应用示意图；
图4、电机控制原理图；
图5、专用数字I/O模块组成框图。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，结合附图和实施例详细描述本发明：
具体实施例子：飞机模拟机的“随动油门台”
在此项目中采用本发明对两个电机进行高精度控制，本项目中电机带动两个油门摆杆进行圆周运动，油门摆杆总行程为120度，要求控制精度达到0.05度，当油门摆杆达到0度与120度这两端时，电机不再向前运动。本发明中采用6000线的差分编码器作为反馈器件，本发明可对6000线的差分信号进行4分频，从而使精度提高四倍。在0度与120度两端采用光电开关进行限位，当油门摆杆运动到这两端时触动“专用I/O”则停止运动，不会出现超出这个范围的运动。本发明对电机实行高精度控制，控制精度达到0.015度，并把电机运动轨迹反馈到上位机，同时反馈速度信息，位置信息。
多轴运动控制***开发平台，开发平台电路包括主控模块、核心算法模块、反馈采集模块、专用数字I/O模块、通用数字I/O模块、通讯模块、电机控制信号输出模块、电源处理模块；
电源处理模块与主控模块连接，主控模块分别与通用数字I/O模块、通讯模块、核心算法模块连接，核心算法模块与专用数字I/O模块连接，核心算法模块与电机控制信号输出模块连接，反馈采集模块与核心算法模块连接；通用数字I/O模块通过I/O接口分别与控制面板、手轮、显示器连接，反馈采集模块通过增量型编码器光栅接口与增量编码器连接，电机控制信号输出模块通过电机驱动器接口与电机驱动器连接；
主控模块由ATmega128单片机构成，其功能用于完成综合控制、逻辑控制、通讯；
所述核心算法模块由一块ATmega128单片机构成，主要用于对反馈信息、专用I/O信息进行采集和运算；如对两个电机进行同时控制，并使这两个电机在平面空间上进行圆弧运动（如在一张白纸上画圆），这时须核心算法模块对两个电机的反馈进行插补运算，并对电机驱动器进行脉冲输出完成运动控制功能。电机的反馈信息由电流、位置、速度三种方式组成，故核心算法模块由电流环控制、位置环控制、速度环控制三种闭环控制方式组成；
反馈采集模块由高速光隔及差分电路构成，对所采集到的反馈信息首先进行光电隔离使其不会损坏电路，因反馈信息频率较高，故此处应采用高速光电隔离芯片，再对隔离后的信息进行差分进入主控模块，减少反馈信息所受到的环境干扰；
通用数字I/O模块采用74HC595芯片，74HC595芯片通过TLP521-4光电隔离芯片与构成主控模块的ATmega128单片机连接，实现I/O拓展，增加I/O数量；采用TLP521-4光电隔离芯片采集信息隔离开，从而保护主控模块的稳定工作。
专用数字I/O模块由行程限制元件、回零标志电路、放大器出错电路、放大器使能电路、方向输出电路、比较相等输出电路组成；
行程限制元件（电机的限位）、回零标志电路（如触发此功能电机将运动到零点）、放大器出错电路（如电机电流过大，则触发此功能停止电机运动）、放大器使能电路（当触发此I/O，则放大器电路使能）、方向输出电路（电机的运动方向由此I/O信号控制）、比较相等输出电路（对采集的电机驱动器的工作电压电压进行比较，如采集的电源电压与***设定电压相等，则触发此功能）组成。
专用数字I/O模块的I/O信息优先级最高，如正向行程限制I/O被触发时，***优先处理此信息，使电机停止运动，即使上位机再次下达正向运动指令，此电路部分仍旧不予处理，当上位机下达负向运动指令时，此电路部分将解除锁定予以处理。
专用数字I/O模块由行程限制元件、回零标志电路、放大器出错电路、放大器使能电路、方向输出电路、比较相等输出电路连接组成。
采用光隔芯片使主控模块与I/O采集信息隔离开，从而保护主控模块的稳定工作；
通讯模块包括RS232模块、CAN模块、以太网模块，采用RS232、CAN、以太网三种通讯方式与上位机进行通讯，通讯模块使主控模块与上位机进行数据交换，根据交换的信息可在上位机上进行参数设置，波形分析，图像显示等；
所述电机控制信号输出模块由HCPL2630高速光电隔离芯片与其相关滤波电路构成，因控制信号输出频率较高，顾此模块采用高速的光隔芯片。
电源处理模块由7805芯片与7812芯片及其相关滤波电路构成，为***提供5V及±12V***电源。
根据上述说明，结合本领域技术可实现本发明的方案。
Claims (2)
1. 多轴运动控制***开发平台，其特征在于：开发平台电路包括主控模块、核心算法模块、反馈采集模块、专用数字I/O模块、通用数字I/O模块、通讯模块、电机控制信号输出模块和电源处理模块；
所述电源处理模块与主控模块连接，主控模块分别与通用数字I/O模块、通讯模块、核心算法模块连接，核心算法模块与专用数字I/O模块连接，核心算法模块与电机控制信号输出模块连接，反馈采集模块与核心算法模块连接；通用数字I/O模块通过I/O接口分别与控制面板、手轮、传感器连接，反馈采集模块通过增量型编码器光栅接口与增量编码器连接，电机控制信号输出模块通过电机驱动器接口与电机驱动器连接；
所述主控模块由ATmega128单片机构成，用于完成综合控制、逻辑控制、通讯功能；
所述核心算法模块由一块ATmega128单片机构成，主要用于对反馈信息、专用数字I/O模块的专用I/O信息进行采集和运算；
所述反馈采集模块由高速光电隔离芯片及差分电路构成，再由差分电路对隔离后的信息进行差分，然后送入主控模块，减少反馈信息所受到的环境干扰；
所述通用数字I/O模块采用74HC595芯片，74HC595芯片通过TLP521-4光电隔离芯片与构成主控模块的ATmega128单片机连接，实现I/O拓展，增加I/O数量；采用TLP521-4光电隔离芯片采集信息，从而保护主控模块的稳定工作；
所述专用数字I/O模块由ATmega128、编码器、行程限制元件、回零标志电路、放大器使能电路、比较相等输出电路、方向输出电路、电机驱动器和放大器出错电路连接组成；
行程限制元件用于电机的限位、回零标志电路用于触发电机，令其转动到零点、放大器出错电路用于采集电机驱动器工作电压，当电机电流过大，触发放大器出错电路向***传送出错信号，主控模块发出指令使电机停止转动；
放大器使能电路输入端与 ATmega128 的一个I/O端口连接，当ATmega128 的I/O端口电平有效时，触发则放大器电路使能；
比较相等输出电路分别与 ATmega128 的一个I/O端口、放大器使能电路输出端、方向输出电路连接，对从放大器出错电路采集的电平与***设定电平进行比较，如采集的电平与***设定电平相等，则触发此功能；
方向输出电路由比较相等输出电路控制，其输出端连接电机驱动器，电机的运动方向由ATmega128 的两个I/O端口与比较相等输出的电路的输出电平进行逻辑运算，如比较相等输出电路的输出电平为低电平时，则方向输出电路不工作，如比较相等输出电路的输出电平为高电平，则电机具体的输出方向由ATmega128的两个I/O端口控制；
放大器出错电路包括AD电压采集芯片，AD电压采集芯片采集电机驱动器的工作电压，对电机驱动器的工作电压进行监控，如果电机驱动器工作电压异常，则放大器出错电路输出低电平，如电机驱动器工作电压正常，则放大器出错电路输出高电平；
专用数字I/O模块的I/O信息优先级最高，如正向行程限制I/O被触发时，***优先处理此信息，使电机停止运动，即使上位机再次下达正向运动指令，***仍旧不予处理，当上位机下达负向运动指令时，***将解除锁定予以处理；
所述通讯模块包括RS232模块、CAN模块、以太网模块，此三个模块并行通讯，使用者可采用这三种中任何一种通讯方式使上位机与控制***建立联系；采用RS232、CAN、以太网三种通讯方式与上位机进行通讯，通讯模块使主控模块与上位机进行数据交换，根据交换的信息可在上位机上进行参数设置，波形分析，图像显示；
所述电机控制信号输出模块由HCPL2630高速光电隔离芯片与其相关滤波电路构成；
所述电源处理模块由7805芯片与7812芯片及其相关滤波电路构成，为***提供5V及±12V***电源。
2.一种利用多轴运动控制***开发平台控制电机工作的方法，其特征在于步骤如下：
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（3）电机转动时所对应的反馈信息，反馈信息是编码器信息和电流的大小，传送给多轴运动控制***，***对所反馈的信息进行分析运算，并根据所存储的上位机指令对电机下达二次运动指令，指令以脉冲或模拟电压方式输出，此次下达的二次运动指令会根据***所设定的伺服周期及反馈信息进行不停的运算及修改，当第一次的运动指令不足以使电机的实际运动平滑，或电机的实际速度不能按照指令中预想的速度运行，则二次运动指令会对输出脉冲或模拟电压进行比例，积分，微分的三种方式运算，从而使电机按照指令中预想的运动效果，并告知上位机电机所运动的轨迹及波形；
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