一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统

摘要

本发明公开一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，属于机器人与数控装备技术领域。本发明的基于实时控制器的多轴伺服控制系统包括电机，所述电机用于向机器人或数控机床提供工作动力，还包括伺服驱动器、实时控制器以及上位机，所述实时控制器用于执行控制算法程序生成控制量信息；所述伺服驱动器用于根据所述控制量信息驱动所述电机控制所述机器人或数控机床的工作并反馈实际位置信息；所述上位机，用于显示并保存所述实时控制器的控制量信息和所述伺服驱动器反馈的实际位置信息。本发明的一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，能够提供开放式的软件开发环境和丰富的硬件接口，为用户提供快速便捷的二次开发。

权利要求

1.一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，包括电机，所述电机用于向机器人或数控机床提供工作动力，其特征在于，还包括伺服驱动器、实时控制器以及上位机，所述实时控制器，包括对外开放的多种功能模块，用于执行控制算法程序生成控制量信息；所述伺服驱动器，用于根据所述控制量信息驱动所述电机控制所述机器人或数控机床的工作并反馈实际位置信息，其中所述伺服驱动器的工作模式包括力矩模式、速度模式和位置模式；所述上位机，用于显示并保存所述实时控制器的控制量信息和所述伺服驱动器反馈的实际位置信息；

所述实时控制器包括程序执行模块和接口模块，所述程序执行模块执行控制算法程序生成控制量信息并通过接口模块发送给所述伺服驱动器和上位机；

所述程序执行模块包括伺服使能单元、G代码编译单元、速度规划模块单元、数控插补单元、运动学逆解单元、单轴运动控制单元、轮廓误差控制单元和编码器反馈单元；

伺服使能单元，用于向伺服驱动器提供使能信号和抱闸信号；

G代码编译单元，用于编译控制算法程序并获取控制量信息；

速度规划单元，用于根据控制量信息规划各个采样时刻所需的进给切向速度；

数控插补单元，用于接收所述速度规划单元所规划的合成进给线速度，并在在笛卡尔坐标系下生成运动轨迹；

运动学逆解单元，用于逆解所述运动轨迹到各个运动轴上；

单轴控制单元，用于根据所述运动学逆解单元的逆解结果向所述伺服驱动器输出单轴控制信息，控制所述机器人或数控机床的单轴运动，所述单轴控制信息包括力矩信号、速度信号、位置信号和方向信号；

轮廓误差控制单元，用于进行连续轨迹运动的轮廓误差估计、交叉耦合控制和基于坐标系变换的轮廓误差控制，并将轮廓误差控制量补偿到单轴控制单元中；

编码器反馈单元，用于采集所述伺服驱动器和电机的位置信号，并发送给所述上位机和实时控制器；

所述接口模块包括模拟量转数字量接口(AD)、数字量转模拟量接口(DA)、增量式编码器接口、旋转变压器接口、RS232/485/422接口、CAN接口、PWM接口、三相桥式逆变专用PWM接口以及数字量输入输出接口；

所述上位机通过TCP/IP与所述实时控制器进行通信，所述实时控制器通过RS232/485/

422接口与所述伺服驱动器进行通信；

所述伺服驱动器包括增量式编码器单元，用于获取所述机器人或数控机床的各个运动轴的实际位置信息；

当所述伺服驱动器工作在力矩模式时，所述伺服驱动器进行电流闭环控制，所述实时控制器进行电流环控制和位置环控制，并向伺服驱动器发送力矩信号，获取所述增量式编码器单元反馈的实际位置信息，所述单轴控制单元对所述机器人或数控机床进行位置闭环控制和速度闭环控制，通过所述数字量转模拟量(DA)接口向所述伺服驱动器发送力矩信号；

当所述伺服驱动器工作在速度模式时，所述伺服驱动器进行电流闭环控制和速度闭环控制，所述实时控制器进行位置环控制，并向所述伺服驱动器发送速度信号，获取所述增量式编码器单元反馈的实际位置信息，所述单轴控制单元对所述机器人或数控机床进行位置闭环控制，通过所述数字量转模拟量接口(DA)向所述伺服驱动器发送速度信号；

当所述伺服驱动器工作在位置模式时，所述伺服驱动器进行电流闭环控制、速度闭环控制和位置闭环控制，所述实时控制器向所述伺服驱动器发送位置信号和方向信号，获取所述增量式编码器单元反馈的实际位置信息，所述单轴控制单元通过所述PWM接口向所述伺服驱动器发送位置信号和方向信号；

所述实时控制器为dSPACE实时控制器；

所述控制算法程序为在Matlab/Simulink开发环境中编写和编译，并通过dSPACE开发环境的Control Desk软件下载到所述实时控制器中执行。

说明书

一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，属于机器人与数控装备技术领域。

背景技术

[0002] 目前商用的六自由度串联机器人、并联机器人往往是从ABB、安川、发那科、库卡等公司购买的整套系统；而商用的数控机床往往是从西门子、发那科、三菱等公司购买数控系统，然后再配合伺服驱动装置和机床本体组装而成。用户只能按照其使用说明书限定的功能进行操作，由于其采用专用的控制芯片作为CPU，具有加密功能，对于多轴伺服系统关键的功能如运动插补、速度规划、位置环控制、速度环控制、系统模型辨识、数据采集和通讯等功能，用户难以深入其中进行修改和采集机器人或数控机床相关数据信息，并不具有开放性。而国内外有很多企业、科研机构和高校对于六自由度串联机器人、并联机器人和数控机床等多轴伺服系统的控制系统要求要有开放性，可以让用户自由的修改所有的控制策略，验证其在多轴伺服系统研究的各类算法和功能，获取多轴伺服系统的信息，同时需要有丰富的外设接口，因此，研究设计一款开放式多轴伺服控制系统就显得尤为必要。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，能够提供开放式的软件开发环境和丰富的硬件接口，为用户提供快速便捷的二次开发。

[0004] 本发明提供技术方案如下：

[0005] 本发明提供了一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，包括电机，[0006] 所述电机用于向机器人或数控机床提供工作动力，其特征在于，还包括伺服驱动器、实时控制器以及上位机，

[0007] 所述实时控制器，包括对外开放的多种功能模块，用于执行控制算法程序生成控制量信息；

[0008] 所述伺服驱动器，用于根据所述控制量信息驱动所述电机控制所述机器人或数控机床的工作并反馈实际位置信息，其中所述伺服驱动器的工作模式包括力矩模式、速度模式和位置模式；

[0009] 所述上位机，用于显示并保存所述实时控制器的控制量信息和所述伺服驱动器反馈的实际位置信息。

[0010] 根据本发明的一实施方式，所述实时控制器包括程序执行模块和接口模块，所述程序执行模块执行控制算法程序生成控制量信息并通过接口模块发送给所述伺服驱动器和上位机。

[0011] 根据本发明的另一实施方式，所述程序执行模块包括伺服使能单元、G代码编译单元、速度规划模块单元、数控插补单元、运动学逆解单元、单轴运动控制单元、轮廓误差控制单元和编码器反馈单元，

[0012] 伺服使能单元，用于向伺服驱动器提供使能信号和抱闸信号；

[0013] G代码编译单元，用于编译控制算法程序并获取控制量信息；

[0014] 速度规划单元，用于根据控制量信息规划各个采样时刻所需的进给切向速度；

[0015] 数控插补单元，用于接收所述速度规划单元所规划的合成进给线速度，并在在笛卡尔坐标系下生成运动轨迹；

[0016] 运动学逆解单元，用于逆解所述运动轨迹到各个运动轴上；

[0017] 单轴控制单元，用于根据所述运动学逆解单元的逆解结果向所述伺服驱动器输出单轴控制信息，控制所述机器人或数控机床的单轴运动，所述单轴控制信息包括力矩信号、速度信号、位置信号和方向信号；

[0018] 轮廓误差控制单元，用于进行连续轨迹运动的轮廓误差估计、交叉耦合控制和基于坐标系变换的轮廓误差控制，并将轮廓误差控制量补偿到单轴控制单元中；

[0019] 编码器反馈单元，用于采集所述伺服驱动器和电机的位置信号，并发送给所述上位机和实时控制器。

[0020] 根据本发明的另一实施方式，所述接口模块包括模拟量转数字量接口（AD）、数字量转模拟量接口（DA）、增量式编码器接口、旋转变压器接口、RS232/485/422接口、CAN接口、PWM接口、三相桥式逆变专用PWM接口以及数字量输入输出接口。

[0021] 根据本发明的另一实施方式，所述上位机通过TCP/IP与所述实时控制器进行通信，所述实时控制器通过RS232/485/422接口与所述伺服驱动器进行通信。

[0022] 根据本发明的另一实施方式，所述伺服驱动器包括增量式编码器单元，用于获取所述机器人或数控机床的各个运动轴的实际位置信息。

[0023] 根据本发明的另一实施方式， 当所述伺服驱动器工作在力矩模式时，所述伺服驱动器进行电流闭环控制，所述实时控制器进行电流环控制和位置环控制，并向伺服驱动器发送力矩信号，获取所述增量式编码器单元反馈的实际位置信息；

[0024] 当所述伺服驱动器工作在速度模式时，所述伺服驱动器进行电流闭环控制和速度闭环控制，所述实时控制器进行位置环控制，并向所述伺服驱动器发送速度信号，获取所述增量式编码器单元反馈的实际位置信息；

[0025] 当所述伺服驱动器工作在位置模式时，所述伺服驱动器进行电流闭环控制、速度闭环控制和位置闭环控制，所述实时控制器向所述伺服驱动器发送位置信号和方向信号，获取所述增量式编码器单元反馈的实际位置信息。

[0026] 根据本发明的另一实施方式，当所述伺服驱动器处于力矩模式时，所述单轴控制单元对所述机器人或数控机床进行位置闭环控制和速度闭环控制，通过所述数字量转模拟量（DA）接口向所述伺服驱动器发送力矩信号；

[0027] 当所述伺服驱动器处于速度模式时，所述单轴控制单元对所述机器人或数控机床进行位置闭环控制，通过所述数字量转模拟量接口（DA）向所述伺服驱动器发送速度信号；

[0028] 当所述伺服驱动器处于位置模式时，所述单轴控制单元通过所述PWM接口向所述伺服驱动器发送位置信号和方向信号。

[0029] 根据本发明的另一实施方式，所述实时控制器为dSPACE实时控制器。

[0030] 根据本发明的另一实施方式，所述控制算法程序为在Matlab/Simulink[0031] 开发环境中编写和编译，并通过dSPACE开发环境的Control Desk软件下载到所述实时控制器中执行。

[0032] 本发明的有益效果如下：

[0033] 本发明的一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，包括电机，伺服[0034] 驱动器、实时控制器以及上位机，通过实时控制器执行控制算法程序生成控制量信息控制伺服驱动器驱动电机运转，进而控制机器人或数控机床的工作，同时将伺服驱动器反馈的实际位置信息以及生成的控制量信息传送到上位机进行显示和保存。本发明实施例的实时控制器集成有多种硬件接口，且通过运行的算法控制程序可更改伺服驱动器的工作模式实现多种功能，且功能全部开放，因此，本发明的一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，能够提供开放式的软件开发环境和丰富的硬件接口，为用户提供快速便捷的二次开发。

附图说明

[0035] 图1为本发明的一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统的一个实施[0036] 例的结构框图；

[0037] 图2为本发明实时控制器的程序执行模块的一个实施例的结构框图；

[0038] 图3为本发明实时控制器的接口模块的一个实施例的结构框图。

具体实施方式

[0039] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 如图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于实时控制器的多轴伺服[0041] 控制系统，包括电机1，电机用于向机器人5或数控机床6提供工作动力，还包括伺服驱动器2、实时控制器3以及上位机4，

[0042] 实时控制器3包括对外开放的多种功能模块，用于执行控制算法程序生成控制量信息；

[0043] 本发明实施例的实时控制器主要功能是按设定的采样周期进行各种算法控制程序的执行，采样周期最小可以设置为10us。

[0044] 伺服驱动器2用于根据控制量信息驱动电机控制机器人或数控机床的工作并反馈实际位置信息，其中所述伺服驱动器的工作模式包括力矩模式、速度模式和位置模式；

[0045] 上位机4，用于显示并保存实时控制器的控制量信息和伺服驱动器反馈的实际位置信息。

[0046] 本发明实施例的上位机主要功能是与实时控制器进行通讯获取数据，通过Control Desk软件的控件设置数据采集和显示的界面，同时可以进行数据的保存。

[0047] 本发明实施例的机器人可为六自由度串联机器人本体、并联机器人本体，数控机床可为三轴数控机床本体。

[0048] 本发明实施例的基于实时控制器的多轴伺服控制系统，包括电机，[0049] 伺服驱动器、实时控制器以及上位机，通过实时控制器执行控制算法程序生成控制量信息控制伺服驱动器驱动电机运转，进而控制机器人或数控机床的工作，同时将伺服驱动器反馈的实际位置信息以及生成的控制量信息传送到上位机进行显示和保存。本发明实施例的实时控制器集成有多种硬件接口，且通过运行的算法控制程序可更改伺服驱动器的工作模式实现多种功能，且功能全部开放，因此，本发明实施例的一种基于实时控制器的多轴伺服控制系统，能够提供开放式的软件开发环境和丰富的硬件接口，为用户提供快速便捷的二次开发。

[0050] 作为一个举例说明，本发明实施例的实时控制器3包括程序执行模块31和接口模块32（未示出），程序执行模块执行控制算法程序生成控制量信息并通过接口模块发送给伺服驱动器和上位机。

[0051] 作为另一个举例说明，本发明实施例的程序执行模块31包括伺服使能单元310、G代码编译单元311、速度规划模块单元312、数控插补单元313、运动学逆解单元314、单轴运动控制单元315、轮廓误差控制单元316和编码器反馈单元317，

[0052] 伺服使能单元310，用于向伺服驱动器提供使能信号和抱闸信号；

[0053] G代码编译单元311，用于编译控制算法程序并获取控制量信息；

[0054] 速度规划单元312，用于根据控制量信息规划各个采样时刻所需的进给切向速度；

[0055] 数控插补单元313，用于接收速度规划单元所规划的合成进给线速度，并在在笛卡尔坐标系下生成运动轨迹；

[0056] 运动学逆解单元314，用于逆解运动轨迹到各个运动轴上；

[0057] 单轴控制单元315，用于根据运动学逆解单元的逆解结果向伺服驱动器输出单轴控制信息，控制机器人或数控机床的单轴运动，单轴控制信息包括力矩信号、速度信号、位置信号和方向信号；

[0058] 轮廓误差控制单元316，用于进行连续轨迹运动的轮廓误差估计、交叉耦合控制和基于坐标系变换的轮廓误差控制，并将轮廓误差控制量补偿到单轴控制单元中；

[0059] 编码器反馈单元317，用于采集伺服驱动器和电机的位置信号，并发送给上位机和实时控制器。

[0060] 本发明实施例的程序执行模块包括多种功能单元，可完成多项其中伺服使能单元主要功能是通过控制数字量输入输出接口的高低电平来给伺服驱动器提供使能信号和抱闸信号，打开伺服驱动器及电机的抱闸，并进入伺服使能状态，等待执行运动命令；G代码编译单元主要是读取CAM软件生成的标准G代码，获取控制量信息；速度规划单元主要是规划控制系统每个采样时刻的所需要的合成进给线速度；数控插补单元主要功能是接收速度规划单元所规划的速度信号；运动学逆解单元主要通过将数控插补单元生成的在笛卡尔坐标系下的运动轨迹逆解到每个运动轴上；编码器反馈单元主要的功能是采集伺服驱动器及电机的位置信号，发送给上位机用于位置显示和实时控制器用于位置控制；单轴控制单元主要完成六自由度串联机器人本体、并联机器人本体或三轴数控机床本体的各个单轴的控制；轮廓误差控制单元主要功能是进行连续轨迹运动的轮廓误差估计、交叉耦合控制和基于坐标系变换的轮廓误差控制，并将轮廓误差控制量补偿到单轴控制单元中。

[0061] 作为另一个举例说明，本发明实施例的接口模块32包括模拟量转数字量接口（AD）320、数字量转模拟量接口（DA）321、增量式编码器接口322、旋转变压器接口323、RS232/
485/422接口324、CAN接口325、PWM接口326、三相桥式逆变专用PWM接口327以及数字量输入输出接口328。本发明时候实施例的实时控制器集成多种接口，方便接入各种多轴伺服装置，为多轴伺服系统相关算法研究提供便利。

[0062] 作为另一个举例说明，本发明实施例的上位机通过TCP/IP与实时控制器进行通信，实时控制器通过RS232/485/422接口与伺服驱动器进行通信。本发明实施例的实时控制器通过模拟量信号接口向伺服驱动器发送速度信号或电流信号，通过增量式编码器接口得到伺服驱动器的输出信号，通过数字量接口控制伺服驱动器的抱闸开关及伺服使能，六自由度串联机器人本体、并联机器人本体或三轴数控机床本体主要通过增量式编码器接口向伺服驱动器反馈各个运动轴实际运动的位置。

[0063] 作为另一个举例说明，本发明实施例的伺服驱动器2包括增量式编码器单元21（未示出），用于获取机器人或数控机床的各个运动轴的实际位置信息。

[0064] 作为另一个举例说明，本发明实施例当伺服驱动器工作在力矩模式时；伺服驱动器进行电流闭环控制，实时控制器进行电流环控制和位置环控制，并向伺服驱动器发送力矩信号，获取增量式编码器单元反馈的实际位置信息；

[0065] 当伺服驱动器工作在速度模式时，伺服驱动器进行电流闭环控制和速度闭环控制，实时控制器进行位置环控制，并向伺服驱动器发送速度信号，获取增量式编码器单元反馈的实际位置信息；

[0066] 当伺服驱动器工作在位置模式时，伺服驱动器进行电流闭环控制、速度闭环控制和位置闭环控制，实时控制器向伺服驱动器发送位置信号和方向信号，获取增量式编码器单元反馈的实际位置信息。

[0067] 本发明实施例的伺服驱动器可工作在力矩模拟、速度模式和位置模式。伺服驱动器工作在力矩模式时，在伺服驱动器内完成电流闭环控制，在实时控制器内完成电流环和位置环控制，通过正负10V模拟量向伺服驱动器发送力矩信号，通过增量式编码器从伺服驱动器反馈多轴伺服系统的位置信号。伺服驱动器工作在速度模式时，在伺服驱动器内完成电流闭环控制和速度闭环控制，在实时控制器内完成位置环控制，通过正负10V模拟量向伺服驱动器发送速度信号，通过增量式编码器从伺服驱动器反馈多轴伺服系统的位置信号。伺服驱动器工作在位置模式时，在伺服驱动器内完成电流闭环控制、速度闭环控制和位置闭环控制，实时控制器通过数字量脉冲和方向信号向伺服驱动器发送位置信号，通过增量式编码器从伺服驱动器反馈多轴伺服系统的位置信号。

[0068] 作为另一个举例说明，本发明实施例当伺服驱动器处于力矩模式时，单轴控制单元对机器人或数控机床进行位置闭环控制和速度闭环控制，通过数字量转模拟量（DA）接口向伺服驱动器发送力矩信号；

[0069] 当伺服驱动器处于速度模式时，单轴控制单元对机器人或数控机床进行位置闭环控制，通过数字量转模拟量接口（DA）向伺服驱动器发送速度信号；

[0070] 当伺服驱动器处于位置模式时，单轴控制单元通过PWM接口向伺服驱动器发送位置信号和方向信号。

[0071] 本发明实施例的单轴控制单元当设置伺服驱动器在力矩模式时，在单轴控制单元内完成六自由度串联机器人本体、并联机器人本体或三轴数控机床本体的位置闭环控制和速度闭环控制，通过数字量转模拟量接口向伺服驱动器发送力矩指令信号，信号的范围为正10V到负10V；当设置伺服驱动器在速度模式时，在单轴控制单元内完成六自由度串联机器人本体、并联机器人本体和三轴数控机床本体的位置闭环控制控制，通过数字量转模拟量接口向伺服驱动器发送速度指令信号，信号的范围为正10V到负10V；当设置伺服驱动器在位置模式时，单轴控制单元通过PWM接口向伺服驱动器发送位置指令信号和方向指令信号，方向指令信号为高低电平信号，高电平代表电机正转，低电平代表电机反转，位置指令信号为PWN信号，PWM脉冲个数代表运动位置的大小，PWM脉冲频率代表运动速度的大小。

[0072] 作为另一个举例说明，本发明实施例的实时控制器为dSPACE实时控制器。

[0073] 作为另一个举例说明，本发明实施例的控制算法程序为在Matlab/

[0074] -Simulink开发环境中编写和编译，并通过dSPACE开发环境的Control Desk软件下载到实时控制器中执行。本发明实施例的多轴伺服控制系统，通过更改伺服驱动器的工作模式，可以在dSPACE控制器中完成位置环控制、速度环控制、电流环控制、速度规划、系统辨识、数控插补、数据采集和显示等功能，所有功能具有开放性，可以在Matlab/Simulink开发环境中修改。

[0075] 以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。