多轴运动控制平台方案
基于EtherCAT技术的多轴运动控制系统
基于EtherCAT技术的多轴运动控制系统张从鹏;赵康康【摘要】以EtherCAT通信技术为基础,设计了一种基于ARM和FPGA双核的EtherCAT总线式多轴运动控制系统.提出了STM32作为系统管理芯片,通过SPI通信控制ET1200从站控制芯片实现Eth-erCAT总线从站通信功能的解决方案;并采用FPGA作为协处理器,完成运动控制算法的实现和执行.完成了运动控制系统的硬件电路设计和软件开发,并制作了样机.经试验测试,实现了EtherCAT总线通信功能,采用TwinCAT完成了闭环运动控制,并且可以独立工作实现运动规划,满足工业控制工程中的应用要求.%An EtherCAT bus based multi axis motion control system was designed based on ARM and FPGA , after systemat-ically study on EtherCAT technology .The solution of main control chip STM 32 controlling ET1200 through SPI was presented .A motion control algorithm based on FPGA was developed .The specific hardware circuit and software of control system was de-signed, and a prototype was produced .The experiment demonstrates that the communication function of EtherCAT bus was real -ized, and the closed-loop motion control was completed by TwinCAT .Motion control system can work independently to achieve motion planning , meetting the application of industrial control in engineering .【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P115-118,122)【关键词】EtherCAT;多轴;STM32;运动控制;FPGA;插补算法;TwinCAT【作者】张从鹏;赵康康【作者单位】北方工业大学机械与材料工程学院,北京 100144;北方工业大学机械与材料工程学院,北京 100144【正文语种】中文【中图分类】TP23现代制造系统正朝着柔性化、开放化、网络化方向发展，覆盖多学科、多领域相关技术。
多轴同步运动控制系统应用软件初步设计方案
运动控制系统应用软件初步设计方案一、软件应实现的功能1. 运动控制功能（1）.根据运动控制系统的技术要求绘制出负载轴速度图；根据设计要求本系统为多轴位置同步运动方式。
即控制5个机架辊的驱动电机SM11～SM51在运行过程中保持角位置同步。
以使各负载轴位置角θL51～θL55在高速运行中满足下关系：θL51=θL52=θL53=θL54=θL5=给定值 （1）我们可利用三菱运动控制器Q173中的虚拟主轴技术实现上述要求。
即由虚拟伺服电机发出位置给定，并通过各机架辊电机伺服驱动器的位置闭环实现对给定指令的跟踪。
从而实现各负载轴的位置同步。
根据上述，各负载轴与给定轴（虚拟主轴）的速度曲线如下图所示：图1— 伺服电机速度与指令脉冲（2）.分析运动控制算法，确定被控量与指令脉冲之间的函数关系；若已知伺服电机位置传感器的分辨率为P f0=131072 （PLS/rev ），则每个脉冲所对应的负载轴转动角度△θC 为：Z1131072360C ⨯=∆θ （2） 因此被控量θL5i （i=1～5）与指令脉冲P C 之间的函数关系为： C C C P Z P i ⨯⨯=⨯∆=1131072360L5θθ （3） （3）.应解决的中心问题加减速过程中，在保持机架辊角位置同步的同时，当产品位置出现偏差时应能进行在线动态补偿，以保证将产品的误差控制在允许的范围内。
2. 自动化功能（1）.运动指令脉冲的算法处理；（2）.生产过程数据采集和处理；（3）.应能实现生产工艺所要求的各种自动检测和自动控制功能；3. 人机界面（HMI）功能（1）.运行参数设定功能：操作人员可根据产品规格，工艺要求及材料特性，对希望的运行参数。
如：传动比、最大车速、升/降速时间、等进行自动或手动设定；（2）.操作指导功能：系统应能根据操作规程及工艺要求，以交互方式指导操作人员进行正确的操作，当误操作发生时，系统应能做出判断，警示操作人员并给出相应提示信息；（3）.运行状态监视功能：系统在线实时监视生产线各种运行状态及运行参数，并能以各种形式进行显示，如表计、棒图、趋势图、指示灯等，当故障发生时，除声光报警外，还应显示并记录故障，减少停机率。
多轴运动控制技术实验平台的设计
段ｔ 日期：２０ — ３２ ０ ７０— ８ 作者 ■介 ，刘遥 生 （９ ５） １５－ ，男 ，广 东韶关 人 ，高级 实验 师 ，主要 从事 自动 控制 技术 教学 及应用 研 究 。
维普资讯
第 ４期
刘 遥 生 ，等 ：多轴运 动控 制 技术 实验 平 台的 设计
控 制 电机搭 建一 套综 合性 的实 验平 台 。 ２ 通 过交 流 、 流伺 服 电机和 步进 电机 的驱动 ） 直
１ 平 台设计
１ １ 设计思 想及 原理 ．
器 与 Ｉ 接 口电路及 信号采 集模 块 ，将被 控参 数输 ／ Ｏ
入 计算 机 。
整 个平 台 的主导 设计 思想是 通过 计算 机组 成
（ 深圳职业技术学 院 自动化技术实验 室，广东 深圳 ５ ８ ５ ） １ ０ ５
摘 要： 介绍了以摩信 ＭＣ ８０Ｆ 运动控制器为核心，以 直流伺服电机、步进电机为控制对象的４ Ｔ ００４ 轴
运动控制 实 平 台的设 计思想、基本组成和主要 功能。该平 台能满足 学生理解运 动控制的基本概念 ，掌握单轴 验
２１
３ ）在计 算机 上用 Ｄ ｌｈ、Ｖ ｓａ Ｂａｉ ６ ｅｐ ｉ ｉ ｌ ｓ ． ｕ ｃ ０或 Ｖ ｓａ Ｃ等 高级语 言调 用控 制 函数 ，灵 活地 与 自 ｉ ｌ ｕ 己控 制系 统所 需 的数据 处理 ，完 成 符合特 定应 用 要 求 的控 制 系统 。 ４ ）运动 控制 器功 能 的实现 采用 Ｃ语 言编 程 ，
由上位 机 编 译器 将 应 用 程序 编 译 生 成 为 Ｃ Ｆ ２ Ｏ Ｆ
格 式文件 ，然 后调 用程 序加 载器 把 该 目标 文 件 以 Ｃ Ｆ ２格 式直接 发送 到控 制器 内存 中并运 行 。 ＯＦ １ ２ 平 台的基 本组 成 ． 整个 平 台系统 由运 动控 制部 件和 实验 控制 对 象二 大部 分组 成 ，如 图 ２所 示 。
如何通过伺服系统实现多轴控制
如何通过伺服系统实现多轴控制伺服系统是一种常用于实现多轴控制的技术，它能够准确控制多个电机坐标轴的运动。
在工业自动化领域中，伺服系统广泛应用于机床、机器人、自动化生产线等设备中。
本文将介绍如何通过伺服系统来实现多轴控制。
一、伺服系统概述伺服系统是指由伺服电机、位置传感器、控制器和运动控制算法组成的控制系统。
伺服电机是通过传感器来测量电机的位置，并将位置信号传回给控制器。
控制器利用这些位置信号进行计算，然后输出控制电压来控制电机的运动。
通过对伺服电机的精确控制，可以实现准确、高速、高精度的多轴控制。
二、伺服系统的工作原理伺服系统的工作原理可以分为三个步骤：反馈、比较和控制。
首先，位置传感器测量电机的实际位置，并将位置信号反馈给控制器。
接下来，控制器将实际位置信号与期望位置信号进行比较，计算出控制误差。
最后，控制器根据误差值输出控制信号，使得电机按照期望位置进行运动。
伺服系统的控制算法主要包括位置控制、速度控制和力控制。
位置控制是指通过控制电机的位置来达到期望位置。
速度控制是指通过控制电机的转速来达到期望速度。
力控制则是通过控制电机的扭矩来达到期望力。
三、伺服系统的多轴控制在实际应用中，常常需要控制多个轴的运动。
通过伺服系统，可以实现多轴之间的协调运动。
多轴控制主要包括点位控制、直线插补和圆弧插补。
1. 点位控制点位控制是指控制多个轴同时到达预定位置的控制方法。
在点位控制中，每个轴都有独立的位置控制器。
通过控制器对每个轴的位置进行计算和调整，可以实现多轴同时到达所需位置。
2. 直线插补直线插补是指通过控制多个轴的协同运动，实现直线路径的控制方法。
在直线插补中，每个轴按照给定的速度和加速度进行调整，以保持运动的平滑性和精度。
3. 圆弧插补圆弧插补是指通过控制多个轴的协同运动，实现圆弧路径的控制方法。
在圆弧插补中，通过控制器对多个轴的速度和位置进行调整，使得轴能够按照给定的半径、角度和方向进行协同运动。
多轴运动控制系统设计研究
多轴运动控制系统设计研究摘要：本文详细阐述了多轴运动控制系统的设计和实现，包括系统的硬件设计、软件设计、仿真和验证以及实际应用。
最后，本文分析了多轴运动控制系统的优化和改进，包括性能评价、问题分析与解决、优化和改进方法以及未来发展趋势。
本文的研究结论对于进一步推动多轴运动控制系统的发展和应用具有一定的参考意义。
关键词：多轴运动控制系统；运动控制算法；实时控制1引言随着工业自动化程度的不断提高，多轴运动控制系统已经成为现代工业自动化生产的重要组成部分。
多轴运动控制系统不仅具有高精度、高效率、高灵活性等优点，而且广泛应用于机器人、航空航天、医疗设备、半导体制造等领域。
为了满足不同应用场景下的需求，多轴运动控制系统的设计和研究日益成为学术和工业界关注的热点[1]。
2多轴运动控制系统概述2.1 多轴运动控制系统的基本概念多轴运动控制系统是一种将多个运动控制轴组合在一起的控制系统，用于控制多个电机实现复杂的运动轨迹控制和位置精确定位。
多轴运动控制系统通常由运动控制器、电机驱动器和机械结构组成。
其中，运动控制器用于发送指令和控制电机运动，电机驱动器则将运动控制器发送的指令转换为电机能够理解的信号，驱动电机运动。
机械结构则将电机转换的动能转化为物理运动，实现机器人、机床等设备的运动控制。
2.2 多轴运动控制系统的特点多轴运动控制系统具有以下特点：（1）高精度：多轴运动控制系统具有很高的控制精度，可实现微米级甚至更高的位置控制精度。
（2）高效率：多轴运动控制系统具有较高的运动速度和响应速度，可以实现快速的位置控制和高效的运动控制。
（3）高灵活性：多轴运动控制系统可以根据需要进行自由配置和组合，实现多种不同的运动模式和控制方式，适用于不同的应用场景（4）复杂性高：多轴运动控制系统中需要对多个电机进行同步控制，需要考虑多轴之间的协调性和运动一致性，因此系统设计和调试难度较大[2]。
2.3 多轴运动控制系统的分类根据运动控制器的类型，多轴运动控制系统可以分为基于PLC、DSP、FPGA、ARM等不同处理器的控制系统。
PMAC运动控制系统
编程语言与开发环境
编程语言
PMAC运动控制系统支持多种编程语 言，如C、C、Python等，方便用户 根据项目需求选择合适的编程语言进 行开发。
开发环境
PMAC提供完整的集成开发环境（IDE ），包括代码编辑器、编译器、调试 器等，方便用户进行软件开发和调试 。
运动控制算法
控制器通常采用高性能的微处理器或专用集成电路（ASIC），具有高速运 算和控制能力。
控制器可以实现多轴联动控制，支持多种运动模式和轨迹规划，满足复杂 运动控制需求。
伺服驱动器
伺服驱动器是连接控制器和 伺服电机的桥梁，负责接收 控制器的控制信号，并将其 转换为适合伺服电机运行的
电压或电流信号。
伺服驱动器具有过载保护、 速度控制、转矩控制等功能 ，能够确保伺服电机在各种
PMAC运动控制系统的应用案例
数控机床的改造
数控机床是现代制造业的重要设备， 通过改造数控机床，使用PMAC运动 控制系统，可以提高加工精度、加工 效率和加工质量。
PMAC运动控制系统能够实现高精度 的位置控制和速度控制，同时具有强 大的编程和调试功能，可以根据不同 的加工需求进行定制化配置。
自动化生产线控制
自动化生产线
用于控制生产线的传送带、机械臂等设备的 运动，实现自动化生产。
机器人
用于控制机器人的关节运动，实现机器人的 精确轨迹跟踪和动作控制。
激光加工
用于控制激光切割、焊接和打标设备的运动 ，实现高精度的激光加工。
PMAC的发展历程
1980年代
PMAC的原型问世，主要用于高 精度机床的控制。
1990年代
工况下的稳定运行。
伺服驱动器还具有多种反馈 接口，可以与传感器配合使 用，实现高精度的位置和速 度控制。
基于DSP-FPGA的多轴运动控制系统设计
式 中Ｌ 为弹 目距 离初值 ，ｖ 弹 目接近 速 度 ，ｔ ｎ 为
为工 作时 间 。
步 变 速 控 制 ， 以及 两 个 干 扰 投 放 电机 间 的 同步 控 制 ，并 且 完成 了对 它们 的精 确 定位 。系统 中对ＤＳ Ｐ 和Ｆ Ｇ Ｐ Ａ进 行 了功能 划 分 ，在硬 件 上 实现 了对 多路
３１ 同步变速算法 ． 可 变 光 阑 电机 在 有 效 工 作 时 间 内运 行 轨 迹 为 不 规 则 的 ，所 以采 用 多份 匀速 运 动 来拟 合 变 速 运
动 。 当弹 目接近 速 度 为ｖ ，可变 光 阑 电机 从 闭合 时 运 行到 最大 尺 寸 时（ 模拟 目标 从 初 始位 置 到 终点 ） 即 的 工 作 时 问为 ｔ 设 每 份 匀 速 运动 时 间为 Ｔ 与 系 （
目标 模 拟 器 系统 是 由黑 体 作 为 红 外 光 源 产 生 两 路 红 外 光 ， 经 光 学 系 统形 成 一 路平 行 目标 光线 和 两 路 平 行干 扰 光 线 。其 光 学 总体 结构 中包 括 离 轴 抛 物 面 镜 组 、 可 变 光 阑 、干 扰模 拟 组 件 和 目标 模 拟 组 件 。它 是 一 种 对称 的 结 构 ， 包括 两 个 对 称 的 干 扰通 道 和一 个 目标通 道 ， 主要 受控 部 件 为可 变 光 阑（ 目标通 道） 干扰 模 拟组 件 （ 和 干扰 通道 ） ，共
数 字 控 制 器 具 有对 环 境 变 化 不 敏 感 、可 实 现 复 杂
算 法 和 可 增 加 附 属功 能 等 优 点 ，是 今 后 控 制 器 发 展 的方 引 。数 字 信 号 处理 器 （ Ｐ 被 广 泛 应 用 于 ＤＳ ） 电机 控 制 中 ，￣ Ｔ 公 司 的Ｃ２ ０ 系 列ＤＳ ／ Ｉ Ｉ ００ Ｐ，其 可 以高 速 完成 一 些较 为 复杂 的 算法 ，但 是 其 外 设 模
三轴运动平台操作规程
三轴运动平台操作规程
《三轴运动平台操作规程》
一、前言
三轴运动平台是一种常见的设备，用于实现三维运动控制。
为了确保设备的安全和有效运行，制定并遵守操作规程是十分必要的。
二、操作规程
1. 操作前检查
在操作三轴运动平台之前，必须进行严格的设备检查。
包括但不限于检查电源线、安全开关、控制面板和其他关键部件的完好性和连接情况。
2. 启动操作
启动三轴运动平台时，必须按照正确的步骤进行。
首先确保设备处于稳定的工作台面上，然后按照设备说明书上的启动步骤逐步进行，保证设备正常启动。
3. 运动操作
在进行运动操作时，必须先进行设备调试和预热，然后按照操作手册上的指导进行运动控制。
注意避免超出设备规定的极限运动范围，以免造成设备损坏和人身伤害。
4. 关机操作
结束使用三轴运动平台时，必须按照正确的关机步骤进行，包括关闭控制面板、切断电源和做好设备的相关后续维护工作。
5. 安全注意事项
在操作三轴运动平台时，必须严格遵守相关的安全规定，包括但不限于穿戴好个人防护装备、避免同时操作多个控制按钮和关注设备运行状态等。
三、总结
三轴运动平台是一种重要的设备，正确的操作规程对于设备的安全和有效运行至关重要。
制定并严格遵守操作规程，是每个使用者的责任和义务。
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Automation and Drives
FM357-2 模块订货号
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SIMATIC Technology 纵览
FM 357-2 Hardware
6ES7357-4AH01-0AE0
FM 357-2 L System firmware 6ES7357-4AH03-3AE0 on coded memory card* + configuration package FM 357-2 LX System firmware 6ES7357-4BH03-3AE0 on coded memory card* + configuration package FM 357-2 H System firmware 6ES7357-4CH03-3AE0 on coded memory card* + configuration package Configuration Package (German, English, French, Italian) contains parameterization tool, electronic documentation, S7-Technology blocks, OP-Example masks Printed Manual (German=A, English=B, French=C, Italian=E) 6ES7357-4AH00-8?G0
Distributed configuration
S7-300, S7-400
Multi-tier configuration
IM360 FM 357-2 CPU IM361 FM 357-2 Local I/O IM361FM 357-2 Local I/O IM153-2 Local I/O
CPU31xT-2DP
Automation and Drives
FM357-2 Gantry 功能
作者简介
SIMATIC Technology 纵览
轴之间的同步位置控制
Position setting independently of operating mode
FM357-2
FM357-2 Feature
Position controller 1
FM357-2
FM357-2 Feature
FM357-2 Application
CPU31xT-2DP
CPU31xT-2DP Branches Technology Data Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature
Wang Xuhui（王旭晖）
CPU31xT-2DP
CPU31xT-2DP Branches Technology Data Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature CPU31xT-2DP Application
BSPLINE
...approximated path
Motor 1
Canting
+
Actual pos. value 2
Internet
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SLC A&D AS BU. SIMATIC Technology Manager, Wang XuHui 2006年3月2日 Page 7
Automation and Drives
FM357-2 Spline 插补算法
CPU31xT-2DP Branches Technology Data Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature CPU31xT-2DP Application
DP
CPU315-2DP
FM 357-2 Local I/O FM 357-2
作者简介
SIMATIC Technology 纵览
使用几个给定点，完成复杂的连续路径控制
Spline type Resulting path
FM357-2
FM357-2 Feature
FM357-2 Application
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
...directly through interpol. points ASPLINE P1 X30 Y20 P2 X50 Y40 P3 X70 Y20 P4 X90 Y10 P5 X120 Y50 P6 X170 Y30 P7 X200 Y20
Automation and Drives
FM357-2 模块系统配置图
作者简介
SIMATIC Technology 纵览
Single-tier configuration
CPU
FM357-2
FM357-2 Feature
FM357-2 Application
Local I/O FM 357-2 FM 357-2 FM 357-2 I/O
Local bus segment with up to 2 I/O modules for fast reaction (on right side of FM only !) SLC A&D AS BU. SIMATIC Technology Manager, Wang XuHui
SIMATIC S7 - Motion Control with FMs
PROFIBUS DP MPI/PROFIBUS DP
SIMODRIVE 611U
analog
SIMODRIVE 611U
POSMO CD/CA
Internet
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SLC A&D AS BU. SIMATIC Technology Manager, Wang XuHui 2006年3月2日 Page 5
+/- 10 V 模拟量接口 脉冲/方向步进驱动器接口
Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature CPU31xT-2DP Application
PROFIBUS DP接口
Internet
SIMATIC S7 - Motion Control with FMs
Automation and Drives
Mitsubishi Servo VS SIMATIC FM
SIMATIC
Technology
Technological tasks with SIMATIC
Automation and Drives
作者介绍
作者简介
SIMATIC Technology 纵览
57-2
FM357-2 Feature
FM357-2 Application
CPU31xT-2DP
CPU31xT-2DP Branches Technology Data Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature CPU31xT-2DP Application
CPU31xT-2DP
CPU31xT-2DP Branches Technology Data Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature CPU31xT-2DP Application
•位置触发凸轮输出信号
•时间触发凸轮输出信号 •通用闭环控制、多通道、预编程控制器 •4个模拟输出端或者8个数字量输出端 •适用于印刷、包装机，等等
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Automation and Drives
SIMATIC Technology 纵览
作者简介
CSPLINE Interpolation points
...continuous transitions through points
FM 357-2
Internet
LX, H
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SIMATIC Technology 纵览
高速计数和测量功能
FM357-2
FM357-2 Feature
FM357-2 Application
定位控制
•快速接近、爬行进给定位 •1/2/3/4轴直线插补，独立定位 •2轴圆弧插补连续路径控制 •独立轴之间的位置同步控制
•连续计数、单次计数、周期计数 •频率、速度、周期测量 •比例器 •适用范围非常宽泛
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FM 357-2
CPU31xT-2DP
CPU31xT-2DP Branches Technology Data Profibus DP (Drive) Interface Module CPU31xT-2DP Feature CPU31xT-2DP Application POSMO SI
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