專利名稱：一種用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，特別是涉及一種用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
數(shù)控系統(tǒng)中通過伺服驅(qū)動器控制電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的常見控制方式有1、變頻器實現(xiàn)主軸模擬量控制數(shù)字控制和模擬控制是數(shù)控系統(tǒng)配置的兩種機(jī)床主軸控制方式。由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床對主軸的功率、控制精度和動態(tài)響應(yīng)等要求不高，使用變頻器實現(xiàn)主軸模擬量控制是低端數(shù)控車床的首選方式。2、模擬量PLC控制電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速觸摸屏是人機(jī)對話接口，最初的指令信息要從這里輸入。輸入的信息通過通訊端口傳送到PLC。經(jīng)PLC運算后，PLC輸出模擬量，并連接到伺服控制器的模擬量輸入端口。 伺服控制器對接收到的模擬量進(jìn)行內(nèi)部運算，而后驅(qū)動伺服電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)通過測速元件將轉(zhuǎn)速信息反饋到伺服控制器，形成閉環(huán)系統(tǒng)。實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的效果。3、PC機(jī)并口伺服驅(qū)動板脈沖控制電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速以上做法的缺點通過變頻器對電機(jī)主軸控制適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。當(dāng)對主軸的功率、控制精度和動態(tài)響應(yīng)等要求很高的場合時不適用；采用模擬量控制時抗干擾能力弱，實時性不強(qiáng)；伺服驅(qū)動板依賴于具體的硬件，當(dāng)換成其它伺服系統(tǒng)時，需要更換伺服驅(qū)動板?，F(xiàn)有技術(shù)中，中國專利申請?zhí)朇N200820239247公開一種機(jī)械壓力機(jī)數(shù)控液壓墊的控制系統(tǒng)，它存在不足的問題是(1)它使用windows操作系統(tǒng)，運用TwinCAT軟件，這套軟件運行系統(tǒng)經(jīng)常會導(dǎo)致系統(tǒng)藍(lán)屏死機(jī)，造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；(2)它采用專用的模擬量輸入輸出板卡和伺服閥，伺服驅(qū)動板依賴于具體的硬件；(3)它采用專用硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電氣控制，硬件冗余。由于采用硬件控制，易造成故障率升高，維護(hù)成本較高，可靠性無法保障。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對上述數(shù)控系統(tǒng)中采用模擬量控制電機(jī)主軸的抗干擾性較差，實時性不強(qiáng)的問題；針對上述數(shù)控系統(tǒng)中采用專用伺服驅(qū)動板卡，故障率較高，專用伺服驅(qū)動板靈活性較差(如果伺服系統(tǒng)更換成其它廠家的伺服驅(qū)動器，需要更換伺服驅(qū)動板)；針對上述數(shù)控系統(tǒng)采用windows操作系統(tǒng)產(chǎn)生藍(lán)屏不穩(wěn)定的缺點。本實用新型提供一種用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，其抗干擾性較強(qiáng)、實時性較好、穩(wěn)定性和可靠性均均較好。為達(dá)到上述的目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是一種用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，包括嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站和數(shù)控系統(tǒng)從站，嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站與數(shù)控系統(tǒng)從站之間通過EtherCAT通信協(xié)議總線相互通信連接；所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站包括控制模塊和主站接口模塊；所述控制模塊包括帶有網(wǎng)卡的嵌入式硬件平臺和置于嵌入式硬件平臺上的軟體部分；所述軟體部分里包括嵌入式Linux用戶空間和嵌入式Linux內(nèi)核空間；所嵌入式Linux用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)置有包含SoE協(xié)議的EtherCAT通信協(xié)議棧；所述嵌入式Linux內(nèi)核空間里置有嵌入式 Linux操作系統(tǒng)以及包含軟電路層、EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)態(tài)驅(qū)動模塊和網(wǎng)卡驅(qū)動模塊的驅(qū)動層；所述數(shù)控系統(tǒng)從站包括帶有從站接口的伺服裝置和與其連接的電機(jī)，其中從站接口與上述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站內(nèi)的主站接口模塊連接；所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站通過嵌入式Linux用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)的 EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)的SoE協(xié)議向軟電路層發(fā)出主軸控制字，使能于數(shù)控系統(tǒng)從站內(nèi)的伺服裝置；通過嵌入式Linux內(nèi)核空間里的軟電路層周期性地發(fā)出速度指令值，并通過 EtherCAT通信協(xié)議總線傳送給數(shù)控系統(tǒng)從站內(nèi)的伺服裝置，伺服裝置按照接收到該速度指令值控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)；伺服裝置通過KherCAT通信協(xié)議總線周期性地將速度反饋值反饋給嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站內(nèi)驅(qū)動層內(nèi)的軟電路層，以此完成閉環(huán)控制。本實用新型的有益效果本實用新型控制系統(tǒng)是全閉環(huán)控制，而且基本是在軟件部分內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。所以， 不受外界干擾，基本上無干擾穩(wěn)定性較好，故障率低。而且減少了伺服驅(qū)動的硬件，極大地提高了數(shù)控系統(tǒng)的伺服閉環(huán)控制的質(zhì)量，使得數(shù)控系統(tǒng)的實時控制取得了顯著的進(jìn)步和提升。本實用新型中的嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站與數(shù)控系統(tǒng)從站之間所有的通信往來都是通過EtherCAT通信協(xié)議總線，在用戶空間里置有EtherCAT通信協(xié)議棧，在驅(qū)動層內(nèi)含有EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)態(tài)驅(qū)動模塊。所以，本實用新型具有EtherCAT通信協(xié)議棧的所有的優(yōu)點，其傳送速度快，使得全閉環(huán)控制的循環(huán)時間達(dá)到1 μ s。本實用新型的主站是嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站，采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)， 設(shè)置為嵌入式硬件平臺。所以本實用新型的穩(wěn)定性和可靠性都比較好。本實用新型的穩(wěn)定性和可靠性都得到了保障，全閉環(huán)控制的循環(huán)速度又快。所以， 控制精度可達(dá)到lnm，電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到16000rpm。

圖1是本實用新型用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中主站與從站具體運行一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型的用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)包括嵌入式 Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1和數(shù)控系統(tǒng)從站2。其中嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1包括控制模塊11和主站接口模塊12。數(shù)控系統(tǒng)從站2包括帶從站接口 21的伺服裝置(或稱伺服驅(qū)動裝置)22，與伺服裝置22連接的電機(jī)23。在本實施例中，主站接口模塊12為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口 RJ45網(wǎng)口。數(shù)控系統(tǒng)從站2中的伺服裝置22為AMK KW-r03伺服驅(qū)動器，其控制方式為速度控制?？刂齐姍C(jī)為0. Skw永磁同步交流伺服電機(jī)。從站接口 21也是標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口與主站接口模塊12的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口 RJ45網(wǎng)口連接，EtherCAT通信協(xié)議總線(包括SoE協(xié)議)通過該標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口使嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站與數(shù)控系統(tǒng)從站之間相互通信。所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站中的控制模塊11內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂颇K11內(nèi)包括帶有網(wǎng)卡的嵌入式硬件平臺和運行于嵌入式硬件平臺上的軟體部分。如圖2所示，在本實施例中，嵌入式硬件平臺為嵌入式X86硬件平臺，在嵌入式X86硬件平臺上的網(wǎng)卡為8139網(wǎng)卡。所述軟體部分包括嵌入式Linux用戶空間和嵌入式Linux內(nèi)核空間。如圖2所示，位于嵌入式Linux用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)包含主軸轉(zhuǎn)速接口、包含 SoE協(xié)議的EtherCAT通信協(xié)議棧和應(yīng)用接口(或稱用戶應(yīng)用接口)。所述EtherCAT通信協(xié)議棧包含SoE協(xié)議。SoE(SERC0S OVEREtherCAT)協(xié)議是指在KherCAT通信協(xié)議下運行的 SERCOS協(xié)議定義的伺服設(shè)備行規(guī)。具體地說，也就是使用EtherCAT通信協(xié)議操作SERCOS 設(shè)備行規(guī)所定義的伺服參數(shù)和控制數(shù)據(jù)。如圖2所示，位于嵌入式Linux內(nèi)核空間里有嵌入式Linux操作系統(tǒng)和驅(qū)動層。驅(qū)動層內(nèi)包含軟電路層、EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)態(tài)驅(qū)動模塊和網(wǎng)卡驅(qū)動模塊。其中軟電路層內(nèi)包含云動控制層、主軸控制層和位于兩者之間的單位換算模塊。如圖1、圖2所示，由嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1發(fā)出主軸的速度給定值至數(shù)控系統(tǒng)從站2，并接收數(shù)控系統(tǒng)從站2中電機(jī)主軸的速度反饋值。嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1的驅(qū)動層內(nèi)的軟電路層自定義的配置文件，在該配置文件中定義為兩個線程基礎(chǔ)線程和伺服線程?；A(chǔ)線程為嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1至數(shù)控系統(tǒng)從站2的線程；伺服線程為數(shù)控系統(tǒng)從站2至嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1的線程。在本實施例中，基礎(chǔ)線程每隔100 μ s運行一次，伺服線程每隔Ims運行一次。如圖2所示，所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1的控制模塊11的嵌入式Linux用戶空間里應(yīng)用層中的應(yīng)用接口(用戶通過應(yīng)用接口輸出的指令)通過調(diào)用嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1的控制模塊11的嵌入式Linux內(nèi)核空間里驅(qū)動層內(nèi)WKherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)核態(tài)驅(qū)動模塊，同時加載網(wǎng)卡驅(qū)動，激活網(wǎng)卡，啟動EtherCAT通信協(xié)議棧，在其數(shù)據(jù)鏈路層通過KherCAT通信協(xié)議的SoEGercos over EtherCAT)協(xié)議發(fā)送主軸轉(zhuǎn)速控制指令給伺服裝置22，從而控制電機(jī)23主軸旋轉(zhuǎn)。嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1與數(shù)控系統(tǒng)從站2之間的通信由EtherCAT的SoE 協(xié)議實現(xiàn)，該協(xié)議通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)RJ45網(wǎng)口實現(xiàn)通信功能。通過設(shè)置伺服裝置的伺服參數(shù)設(shè)置 EtherCAT通信協(xié)議總線的周期時間。根據(jù)SoE協(xié)議中規(guī)定的速度控制模式下周期性數(shù)據(jù)報文MDT (Master Data Telegram主站數(shù)據(jù)報)和AT (Driver Telegram驅(qū)動數(shù)據(jù)包)與KherCAT周期性數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)膶?yīng)關(guān)系建立主軸的軟電路層，并將該軟電路層編譯加載到嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1的軟體部分的驅(qū)動層中，該軟電路層的功能是通a^herCAT協(xié)議周期性地將伺服的輸出過程數(shù)據(jù)(MDT)發(fā)送到數(shù)控系統(tǒng)從站2的伺服裝置22側(cè)，并周期性地將伺服裝置22的輸入過程數(shù)據(jù)(AT)讀取到嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1中，實現(xiàn)閉環(huán)控制。如圖2所示，嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站1控制模塊11軟體部分中驅(qū)動層的軟電路層內(nèi)的運動控制層實現(xiàn)運動控制功能，生成主軸速度給定值，通過軟電路層的運動控制層發(fā)出主軸速度經(jīng)過單位換算模塊換算后輸出速度指令值；通過主軸控制層的速度反饋值經(jīng)過單位換算模塊換算后向運動控制層輸入主軸速度，運動控制層讀入到該反饋的主軸速度，并進(jìn)行進(jìn)一步的控制處理。數(shù)控系統(tǒng)從站2伺服裝置22的速度反饋值單位為0. OOOlrpm,經(jīng)過單位換算模塊的單位換算后傳送到運動控制層側(cè)的主軸轉(zhuǎn)速輸入的單位為rps。運動控制層側(cè)的主軸轉(zhuǎn)速輸出的單位為rpm，經(jīng)過單位換算模塊的單位換算后傳送到數(shù)控系統(tǒng)從站2伺服裝置22 側(cè)的速度給定值單位為0. OOOlrpm0例如，數(shù)控系統(tǒng)從站2伺服裝置22反饋回的速度反饋值=600000，單位為O.OOOlrpm，即60rpm，經(jīng)過單位換算模塊換算到運動控制層側(cè)的主軸轉(zhuǎn)速輸入= 600000/10000/60 = lrps。運動控制層側(cè)的主軸轉(zhuǎn)速輸出=60rpm，經(jīng)過單位換算模塊換算后傳送到數(shù)控系統(tǒng)從站2伺服裝置22的速度給定值=60*10000 = 600000，單位為 0.OOOlrpm0本實用新型的用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制方法，采用閉環(huán)控制的方法首先，建立一個嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站(簡稱主站)，將數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的伺服裝置及與伺服裝置連接的電機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)從站(簡稱從站)，采用EtherCAT通信協(xié)議總線使嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站與數(shù)控系統(tǒng)從站進(jìn)行通信連接。建立的嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站的具體結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。在嵌入式Linux 數(shù)控系統(tǒng)主站內(nèi)設(shè)置嵌入式硬件平臺和設(shè)置于嵌入式硬件平臺上的軟件部分；在軟件部分中，設(shè)置嵌入式Linux用戶空間和嵌入式Linux內(nèi)核空間；在嵌入式Linux用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)置放包含SoE協(xié)議的EtherCAT通信協(xié)議棧；采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計一軟電路層，在軟電路層內(nèi)設(shè)置運動控制層、主軸控制層及兩者之間的單位換算模塊。編寫軟電路層的配置文件，在配置文件中定義兩個線程 基礎(chǔ)線程和伺服線程。基礎(chǔ)線程是通過EtherCAT協(xié)議周期性地將對伺服裝置的輸出過程數(shù)據(jù)發(fā)送到從站伺服裝置側(cè)；伺服線程是周期性地將伺服裝置反饋的過程數(shù)據(jù)讀取到主站中，以致實現(xiàn)閉環(huán)控制。將這一軟電路層加載到嵌入式Linux內(nèi)核空間里的驅(qū)動層內(nèi)。如圖2所示，用戶通過上述用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)的EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)的 SoE協(xié)議向驅(qū)動層的軟電路層中的主軸控制層發(fā)出啟動從站的伺服裝置進(jìn)入可操作狀態(tài)的請求，當(dāng)伺服裝置進(jìn)入可操作狀態(tài)后，發(fā)出主軸控制字，主軸控制層通過肚herCAT通信協(xié)議總線向數(shù)控系統(tǒng)從站發(fā)出該主軸控制字，使能于數(shù)控系統(tǒng)從站中伺服裝置；軟電路層中的運動控制層設(shè)置主軸速度給定值，經(jīng)過單位換算模塊換算后發(fā)出速度指令值，主軸控制層將該速度指令值通過EtherCAT通信協(xié)議總線發(fā)送到伺服裝置，伺服裝置控制電機(jī)按其速度指令值旋轉(zhuǎn)；伺服裝置控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)通過KherCAT通信協(xié)議總線反饋給軟電路層的主軸控制層，主軸控制層發(fā)出驅(qū)動狀態(tài)字通過EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)的SoE協(xié)議反饋到用嵌入式Linux用戶空間的應(yīng)用層；伺服裝置控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過EtherCAT通信協(xié)議總線反饋到軟電路層內(nèi)的主軸控制層，主軸控制層輸出主軸速度反饋值經(jīng)過單位換算模塊換算后的主軸速度反饋發(fā)送到運動控制層，運動控制層周期性地發(fā)出主軸速度給定值，并周期性地讀取速度反饋值，以此完成閉環(huán)控制。
權(quán)利要求1.一種用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站和數(shù)控系統(tǒng)從站，嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站與數(shù)控系統(tǒng)從站之間通過EtherCAT 通信協(xié)議總線相互通信連接；所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站包括控制模塊和主站接口模塊；所述控制模塊包括帶有網(wǎng)卡的嵌入式硬件平臺和運行于嵌入式硬件平臺上的軟體部分；所述軟體部分里包括嵌入式Linux用戶空間和嵌入式Linux內(nèi)核空間；所嵌入式Linux用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)置有包含SoE協(xié)議的EtherCAT通信協(xié)議棧；所述嵌入式Linux內(nèi)核空間里置有嵌入式Linux 操作系統(tǒng)以及包含軟電路層、EtherCAT通信協(xié)議棧內(nèi)態(tài)驅(qū)動模塊和網(wǎng)卡驅(qū)動模塊的驅(qū)動層；所述數(shù)控系統(tǒng)從站包括帶有從站接口的伺服裝置和與其連接的電機(jī)，其中從站接口與上述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站內(nèi)的主站接口模塊連接；所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站通過嵌入式Linux用戶空間里的應(yīng)用層內(nèi)的EtherCAT 通信協(xié)議棧內(nèi)的SoE協(xié)議向軟電路層發(fā)出主軸控制字，使能于數(shù)控系統(tǒng)從站內(nèi)的伺服裝置；通過嵌入式Linux內(nèi)核空間里的軟電路層周期性地發(fā)出速度指令值，并通過KherCAT 通信協(xié)議總線傳送給數(shù)控系統(tǒng)從站內(nèi)的伺服裝置，伺服裝置按照接收到該速度指令值控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)；伺服裝置通過EtherCAT通信協(xié)議總線周期性地將速度反饋值反饋給嵌入式 Linux數(shù)控系統(tǒng)主站內(nèi)驅(qū)動層內(nèi)的軟電路層，以此完成閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站中控制模塊內(nèi)軟體部分內(nèi)的位于嵌入式Linux內(nèi)核空間里的驅(qū)動層內(nèi)的軟電路層內(nèi)包括運動控制層，電機(jī)控制層以及位于運動控制層與電機(jī)控制層之間的單位換算模塊。
專利摘要一種用于數(shù)控系統(tǒng)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的控制系統(tǒng)，包括嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站和通過EtherCAT通信協(xié)議總線通信連接的數(shù)控系統(tǒng)從站。嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站通過軟電路層周期性地向數(shù)控系統(tǒng)從站的伺服裝置發(fā)送速度指令值控制電機(jī)按其旋轉(zhuǎn)；數(shù)控系統(tǒng)從站的伺服裝置周期性地將速度反饋值反饋給嵌入式Linux數(shù)控系統(tǒng)主站，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。本實用新型采用閉環(huán)控制方法，基本上無干擾，穩(wěn)定性較好，故障率低，傳送速度快，全閉環(huán)控制的循環(huán)時間達(dá)到1μs，控制精度可達(dá)到1nm，電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到16000rpm，穩(wěn)定性和可靠性都得到了保障。
文檔編號G05D13/62GK202177831SQ20112032204
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者葉華, 李春良, 高春風(fēng) 申請人:上海三一精機(jī)有限公司