[发明专利]基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种步进电机伺服控制系统，尤其是涉及一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统。

背景技术

目前，工业现场对于现场总线的需求越来越频繁，对于总线的功能和性能也要求越来越高。

传统的工业现场总线，如RS485，CAN等总线，速率低，数据量传输小，特别是在远距离传输时更加的需要降低速率来实现传输的可靠性，否者需要额外增加中继器来减小信号的衰减，从而提高速率，但同时增加布线难度和繁琐，并增加成本。另外，传统的工业实时以太网协议Modbus/TCP、EtherNet/IP等，由于未修改以太网协议并通过软件协议栈来实现通信，数据包的打包和解析必然会导致一定意义上的延时，所以也未能达到真正意义上的实时性。

另外，基于高性能高速率的现场总线动作执行机构，目前大多数为交流伺服驱动器，但在某些应用场合，如测量仪、雕刻机、木工加工等，需要低功率大力矩，高精度，且多轴联动和多轴同步控制的设备，如果使用伺服系统，则需要配备减速器等，大大增加了成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，基于响应时间小于1ms的硬实时工业以太网EtherCAT实时工业以太网现场总线，基于自定义协议或者标准CoE协议，采用高精度编码器位置反馈，配备第二编码器输入接口，实现真正意义上的低成本、高通信速率、高精度、高性能、高可靠性、全速率的全闭环步进伺服控制驱动系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于EtherCAT的全闭环步进电机伺服控制系统，该系统与EtherCAT主站通信连接，其特征在于，所述的控制系统包括共享内存以及分别与共享内存连接的基于ARM的EtherCAT通信子系统和基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统；

所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统接收EtherCAT主站的数据，并按照应用层协议解析命令，发送给电机驱动全闭环控制子系统，或者从电机驱动全闭环控制子系统中获取电机状态信息，并打包成EtherCAT通信数据帧传输回EtherCAT主站；

所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统检测共享内存中通过EtherCAT通信子系统的控制命令，根据得到的反馈信息并结合用户的配置，闭环或者全闭环伺服控制步进电机。

所述的基于ARM的EtherCAT通信子系统包括依次连接的EtherCAT通信模块和EtherCAT应用层协议模块，所述的EtherCAT通信模块与EtherCAT主站通信连接，所述的EtherCAT应用层协议模块与电机驱动全闭环控制子系统连接；

所述的EtherCAT通信模块，用于基于EtherCAT协议的数据帧发送和接收，根据协议规定和用户配置，处理并解析相应的数据块，并存储至通信模块所对应的存储内存；

所述的EtherCAT应用层协议模块，从EtherCAT通信模块的存储内存中，获取数据，根据不同的输入定义，处理EtherCAT通信协议状态机的运行以及数据包的解析和打包，并在此基础上，处理用户应用层协议包。

所述的EtherCAT通信模块设有用于实现多轴同步控制的DC同步信号输出端。

所述的应用层协议包括用户自定义协议或标准协议。

所述的基于DSP的电机驱动全闭环控制子系统包括电机控制驱动模块、功率放大器模块、步进电机模块、以及检测与反馈模块，所述的电机控制驱动模块、功率放大器模块、步进电机模块依次连接，所述的检测与反馈模块分别与步进电机模块、电机控制驱动模块连接；

所述的电机控制驱动模块根据电机位置信息、电机电流反馈信息、驱动输入电压信息，结合用户通过EtherCAT通信子系统的参考命令，实时计算输出控制信号；

所述的功率放大器模块对电机控制驱动模块输入的控制信号进行放大，并输入至步进电机模块；

所述的步进电机模块根据功率放大器的输出信号，控制电机新的位置；

所述的检测与反馈模块检测电机的电流电压信号、位置信息和执行机构位置信息，计算电机的速度、位置或者执行机构的位置，反馈给电机控制驱动模块。

所述的电机控制驱动模块根据不同用户使用不同模式：

力矩模式下，所述的电机控制驱动模块包括电流环闭环算法、模数转换算法、滤波算法以及根据I/O功能提供的报警或是保护功能；