一种用于伺服压力机控制系统的控制器

技术领域

本发明涉及伺服压力机控制系统，特别涉及一种用于伺服压力机控制系统的控制器。

背景技术

伺服压力机由伺服电机驱动高精度滚珠丝杠，通过精密力传感器、编码器编码、高性能伺服运动控制器对压装过程中压装位置、压力、速度实现全闭环控制，实时准确监测压装压力、位置、速度等参数，可实现实时产品质量控制管理。具有高效、高精度、高柔性、机电智能压装系统等优点，并且低噪音、环保、节能。但是，现有的伺服压力机控制系统缺少方案成熟且通讯接口完善的控制器。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于伺服压力机控制系统的控制器，通过集成数据存储模块，增加多路高速工业级通讯接口，并且扩展多路外部输入及输出接口，提升现有的伺服压力机控制系统的实时运算控制及通讯性能。

本发明的技术方案是：

一种用于伺服压力机控制系统的控制器，包括处理器及分别与处理器连接的第一以太网通信接口电路、第二以太网通信接口电路、数据存储模块、全双工RS485通讯接口电路、CAN通讯接口电路、隔离数字信号输入电路、隔离数字信号输出电路、模拟信号输入电路、模拟信号输出电路，其中：

处理器通过第一以太网通信接口电路实时接收上位机控制指令，通过第二以太网通信接口电路将控制指令实时的发送至伺服驱动器，以便伺服驱动器根据上位机控制指令实时的驱动伺服电机运行；

数据存储模块用于存储控制器运行程序以及处理器算法数据；

全双工RS485通讯接口电路和CAN通讯接口电路，用于工业环境下多模块组网通信以及匹配各类工业应用传感器；

隔离数字信号输入电路实时检测外部数字信号以及采集外部中断信号，隔离数字信号输出电路驱动外部的功率开关器件；

模拟信号输入电路实时检测外部传感器的模拟信号输出，模拟信号输出电路用来对外部传感器提供可调模拟电压。

优选的，所述控制器还包括隔离电源输入模块、隔离电源管理模块和电源管理模块，其中：

隔离电源输入模块将伺服压力机控制系统输入到控制器的直流电压进行隔离降压；

隔离电源输入模块隔离降压后的电压通过隔离电源管理模块产生隔离电压，为全双工RS485通讯接口电路和CAN通讯接口电路的总线供电；

电源管理模块将隔离电源输入模块隔离降压后的电压分别升压及降压，为控制器各功能电路提供电源。

优选的，所述第一以太网通信接口电路采用工业以太网接口，第二以太网通信接口电路采用支持EtherCAT主站协议栈的实时以太网接口。

优选的，所述隔离数字信号输入电路、隔离数字信号输出电路均采用光耦隔离从而增加抗干扰性能。

优选的，所述处理器采用ARM Cortex-A8 32位RISC处理器。

优选的，所述全双工RS485通讯接口电路采用隔离全双工通讯方案，控制器同时作为主机和从机进行数据收发。

优选的，所述CAN通讯接口电路采用隔离通讯方案，控制器连接支持CAN open通讯协议的编码器以及进行多模块组网通讯。

优选的，所述全双工RS485通讯接口电路支持RS485与4G信号转换模块以及RS485与Wi-Fi信号转换模块，实现伺服压力机控制系统与人机控制界面形成无线联网通信、工作状态实时监测及智能控制。

优选的，控制器的软件部分包括信号处理及控制模块，所述信号处理及控制模块包括控制指令解析模块、时序逻辑控制模块、数字输入信号检测模块、数字输出信号驱动模块、模拟输出信号控制模块、模拟输入信号检测模块、任务实时调度模块、反馈信号解析模块、控制算法处理模块、控制器参数配置读写模块、寄存器配置读写模块。

优选的，控制器的软件部分还包括通信模块，通信模块包括FIFO通信模块、DPRAM通信模块；FIFO通信模块实现控制系统中的相关进程线性连接进而实现信息及数据交换；DPRAM通信模块的实现实时的数据传输。

优选的，控制器的软件部分还包括控制系统的伺服电机控制方案；伺服驱动器对电机的控制分为三个环节：力矩，转速和位置，每个环节都是一个闭环的PID调节系统；

最外的调节环是位置，电机的位置直接对应滑块的位置，因此首先要找到电机角度与滑块位置的关系：

其中ra为曲柄半径，rb为连杆长度，θ为曲柄角度，yb2为滑块位置；

当θ＝0时，yb2＝0，这是滑块上死点位置；

当θ＝180时，yb2＝2ra，这是滑块下死点位置；

滑块位置yb2在0--2ra之间运动；

用pu值表示：

式中：

y

在驱动器端，位置环的运算结果反馈到速度环，速度环PID的结果反应到力矩环，最终驱动器通过施加于电机上的力矩，得以控制电机运行；滑块的位置则可由装在电机上编码器读数所计算得出。

本发明的优点是：

1.本发明控制器集成了工业级超稳定双路Ethernet 10Mbps/100Mbps通讯接口电路，可以同时连接上位机以及连接支持EtherCAT通讯接口的伺服驱动器，提升了伺服压力机控制系统的智能控制性，系统集成性和实时运算及通讯性能。

2.控制器支持隔离全双工RS485通讯接口电路，可以同时作为主机和从机进行组网通讯。并且支持RS485与4G信号转换模块以及RS485与Wi-Fi信号转换模块，实现伺服压力机控制系统与人机控制界面形成无线联网通信、工作状态实时监测及智能控制。

3.控制器支持隔离CAN通讯接口电路，可以接入CAN open类型编码器以及形成菊花链型多模块组网通讯。

4.控制器的电源输入部分，数字信号输入及数字信号输出端口均采用隔离方案，并且集成了工业级静电防护，可以可靠工作于工业应用环境。

5.控制器集成了数据存储模块电路，适用于高端复杂的伺服压力机控制系统。

6.控制器集成了32路数字信号输入，16路数字信号输出以及2路单刀双掷继电器输出。输入及输出端口充足，并且支持端口扩展功能，适用于大型的伺服压力机控制系统。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例中用于伺服压力机控制系统的控制器的结构原理图；

图2为本发明实施例中用于伺服压力机控制系统的控制器的外接管脚图；

图3为本发明实施例中用于伺服压力机控制系统的控制器的软件结构图；

图4为曲柄连杆机构运动简图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于伺服压力机控制系统的控制器，包括隔离电源输入模块1、隔离电源管理模块2、电源管理模块3、隔离数字信号输入电路4、隔离数字信号输出电路5、模拟信号输入电路6、模拟信号输出电路7、ARM Cortex-A8 32位RISC处理器电路8、数据存储模块9、全双工RS485通信接口电路10、CAN通信接口电路11、第一以太网通信接口电路12、第二以太网通信接口电路13。

隔离电源输入模块1将伺服压力机控制系统输入到控制器的直流电压进行隔离降压；

隔离电源管理模块2隔离降压后的电压通过隔离电源管理模块产生隔离电压，为隔离RS485和隔离CAN的总线供电；

电源管理模块3将隔离电源输入模块隔离降压后的电压分别升压及降压，为控制器各功能电路提供电源。

隔离数字信号输入电路4可以实时检测外部数字信号以及采集外部中断信号，并且采用光耦隔离从而增加抗干扰性能。

隔离数字信号输出电路5可以驱动外部继电器、电磁阀以及接触器等功率开关器件，并且采用光耦隔离从而增加抗干扰性能。

模拟信号输入电路6可以实时检测外部传感器的模拟信号输出。

模拟信号输出电路7用来提供可调模拟电压至外部传感器，从而提高传感器的工作精度。

处理器8采用ARM Cortex-A8 32位RISC处理器，处理器的运行频率最高可达1GHz,提升了控制器及伺服压力机控制系统的实时运算速度。控制器中处理器会实时接收上位机控制信号指令、外部信号及数据采集等，并相应的做出回应，比如实时信息交互、外部信号驱动、内部数据调用及存储等。

数据存储模块9用来存储控制器以及控制系统的运行程序和处理算法，并且支持掉电保存和实时数据读取。如图2和3所示，本发明的控制器的数据存储模块包括：Flash存储器、eMMC存储器、DRAM存储器、EEPROM存储器，各存储器分别采用Flash NOR SPI 64M-bit存储器、eMMC 4Gbyte存储器、DRAM DDR3 2GBIT存储器、EEPROM 256kb I2C Serial CMOS存储器，数据存储模块还可以采用外接的MicroSD卡，J4为MicroSD卡的接口。

全双工RS485通讯接口电路10和CAN通讯接口电路11，用于工业环境下多模块组网通信以及匹配各类工业应用传感器；其中：

全双工RS485通信接口电路10采用隔离全双工通讯方案，控制器可以同时作为主机和从机进行数据收发；如图3所示，所述全双工RS485通讯接口电路支持RS485与4G信号转换模块以及RS485与Wi-Fi信号转换模块，实现伺服压力机控制系统与人机控制界面形成无线联网通信、工作状态实时监测及智能控制，所述人机控制界面包括手机、平板电脑、笔记本电脑等交互界面。

如图3所示，CAN通讯接口电路11采用隔离通讯方案，控制器可以连接支持CANopen通讯协议的编码器以及进行多模块组网通讯，同时采用隔离方案提升了抗干扰性能。

第一以太网通信接口电路12电路采用工业以太网接口，支持上位机通过工业以太网跟控制器进行实时通讯。第二以太网通信接口电路13采用支持EtherCAT主站协议栈的实时以太网接口，控制器与伺服驱动器可以通过实时以太网进行实时通讯。如图2所示，J1、J2分别为集成在控制器上的工业以太网接口和实时以太网接口，接口类型均为RJ45。工业以太网接口J1连接上位机，通过工业以太网跟上位机进行实时通讯；实时以太网接口J2通过EtherCAT总线连接伺服驱动器。

控制器通过第一以太网通信接口电路12实时接收上位机控制指令，通过第二以太网通信接口电路13将控制指令实时的发送至伺服驱动器，以便伺服驱动器根据上位机控制指令实时的驱动伺服电机运行。

如图3所示，控制器的软件部分包括通信模块、信号处理及控制模块，所述信号处理及控制模块包括控制指令解析模块、时序逻辑控制模块、数字输入信号检测模块、数字输出信号驱动模块、模拟输出信号控制模块、模拟输入信号检测模块、任务实时调度模块、反馈信号解析模块、控制算法处理模块、控制器参数配置读写模块、寄存器配置读写模块。通信模块包括FIFO通信模块、DPRAM通信模块。数据存储模块的Flash存储器、DRAM存储器、EEPROM存储器、eMMC存储器分别通过SPI协议、EMIF协议、II2协议、MMC协议与通信模块、信号处理及控制模块进行数据和指令的传输。FIFO通信模块可实现控制系统中的相关进程线性连接进而实现信息及数据交换。DPRAM通信模块的快速通信特性可以实现实时的数据传输。

控制器的软件部分还包括控制系统的伺服电机控制方案。伺服驱动器对电机的控制分为三个环节：力矩，转速和位置，每个环节都是一个闭环的PID调节系统。

最外的调节环是位置，电机的位置(即角度)直接对应滑块的位置(暂忽略减速机构齿轮的间隙)，因此首先要找到电机角度与滑块位置的关系。

下面是曲柄连杆机构运动简图。

图中ra为曲柄半径，rb为连杆长度，θ为曲柄角度，yb2为滑块位置；

当θ＝0时，yb2＝0，这是滑块上死点位置；

当θ＝180时，yb2＝2ra，这是滑块下死点位置；

滑块(yb2)在0--2ra之间运动。

用pu值表示：

式中：

y

在驱动器端，位置环的运算结果反馈到速度环，速度环PID的结果反应到力矩环，最终驱动器通过施加于电机上的力矩，得以控制电机运行。滑块的位置则可由装在电机上编码器读数所计算得出。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。