[發明專利]基于EtherCAT的全閉環步進電機伺服控制系統

在審

• 申請號: 201610264289.7
• 申請日: 2016-04-26
• 公開（公告）號: CN107317529A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 沈鋼群
• 申請（專利權）人: 上海安浦鳴志自動化設備有限公司
• 主分類號: H02P8/12
• 分類號: H02P8/12;H02P8/14;G05B19/042;H02K11/20
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 應小波

技術領域

本發明涉及一種步進電機伺服控制系統，尤其是涉及一種基于EtherCAT的全閉環步進電機伺服控制系統。

背景技術

目前，工業現場對于現場總線的需求越來越頻繁，對于總線的功能和性能也要求越來越高。

傳統的工業現場總線，如RS485，CAN等總線，速率低，數據量傳輸小，特別是在遠距離傳輸時更加的需要降低速率來實現傳輸的可靠性，否者需要額外增加中繼器來減小信號的衰減，從而提高速率，但同時增加布線難度和繁瑣，并增加成本。另外，傳統的工業實時以太網協議Modbus/TCP、EtherNet/IP等，由于未修改以太網協議并通過軟件協議棧來實現通信，數據包的打包和解析必然會導致一定意義上的延時，所以也未能達到真正意義上的實時性。

另外，基于高性能高速率的現場總線動作執行機構，目前大多數為交流伺服驅動器，但在某些應用場合，如測量儀、雕刻機、木工加工等，需要低功率大力矩，高精度，且多軸聯動和多軸同步控制的設備，如果使用伺服系統，則需要配備減速器等，大大增加了成本。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于EtherCAT的全閉環步進電機伺服控制系統，基于響應時間小于1ms的硬實時工業以太網EtherCAT實時工業以太網現場總線，基于自定義協議或者標準CoE協議，采用高精度編碼器位置反饋，配備第二編碼器輸入接口，實現真正意義上的低成本、高通信速率、高精度、高性能、高可靠性、全速率的全閉環步進伺服控制驅動系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于EtherCAT的全閉環步進電機伺服控制系統，該系統與EtherCAT主站通信連接，其特征在于，所述的控制系統包括共享內存以及分別與共享內存連接的基于ARM的EtherCAT通信子系統和基于DSP的電機驅動全閉環控制子系統；

所述的基于ARM的EtherCAT通信子系統接收EtherCAT主站的數據，并按照應用層協議解析命令，發送給電機驅動全閉環控制子系統，或者從電機驅動全閉環控制子系統中獲取電機狀態信息，并打包成EtherCAT通信數據幀傳輸回EtherCAT主站；

所述的基于DSP的電機驅動全閉環控制子系統檢測共享內存中通過EtherCAT通信子系統的控制命令，根據得到的反饋信息并結合用戶的配置，閉環或者全閉環伺服控制步進電機。

所述的基于ARM的EtherCAT通信子系統包括依次連接的EtherCAT通信模塊和EtherCAT應用層協議模塊，所述的EtherCAT通信模塊與EtherCAT主站通信連接，所述的EtherCAT應用層協議模塊與電機驅動全閉環控制子系統連接；

所述的EtherCAT通信模塊，用于基于EtherCAT協議的數據幀發送和接收，根據協議規定和用戶配置，處理并解析相應的數據塊，并存儲至通信模塊所對應的存儲內存；

所述的EtherCAT應用層協議模塊，從EtherCAT通信模塊的存儲內存中，獲取數據，根據不同的輸入定義，處理EtherCAT通信協議狀態機的運行以及數據包的解析和打包，并在此基礎上，處理用戶應用層協議包。

所述的EtherCAT通信模塊設有用于實現多軸同步控制的DC同步信號輸出端。

所述的應用層協議包括用戶自定義協議或標準協議。

所述的基于DSP的電機驅動全閉環控制子系統包括電機控制驅動模塊、功率放大器模塊、步進電機模塊、以及檢測與反饋模塊，所述的電機控制驅動模塊、功率放大器模塊、步進電機模塊依次連接，所述的檢測與反饋模塊分別與步進電機模塊、電機控制驅動模塊連接；

所述的電機控制驅動模塊根據電機位置信息、電機電流反饋信息、驅動輸入電壓信息，結合用戶通過EtherCAT通信子系統的參考命令，實時計算輸出控制信號；

所述的功率放大器模塊對電機控制驅動模塊輸入的控制信號進行放大，并輸入至步進電機模塊；

所述的步進電機模塊根據功率放大器的輸出信號，控制電機新的位置；

所述的檢測與反饋模塊檢測電機的電流電壓信號、位置信息和執行機構位置信息，計算電機的速度、位置或者執行機構的位置，反饋給電機控制驅動模塊。

所述的電機控制驅動模塊根據不同用戶使用不同模式：

力矩模式下，所述的電機控制驅動模塊包括電流環閉環算法、模數轉換算法、濾波算法以及根據I/O功能提供的報警或是保護功能；