CN102073302A - 全数字化分布式智能伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型全数字化分布式智能伺服驱动器，该智能伺服驱动器采用了全数字化DSP+FPGA的结构。所提出的智能伺服驱动器集运动控制、电机驱动和简单的PLC功能于一体，无需上位机运动控制器(卡)即可方便地构建运动控制系统。无需修改硬件而只需通过软件配置，该智能伺服驱动器就可以用来控制和驱动直流有刷(无刷)电机、交流伺服电机和直线电机。该智能伺服驱动器可以实现的操作模式有：A、RS232网络控制模式；B、RS485分布式网络控制模式；C、无需上位机的驱动器独立运行模式；D、脉冲命令运行模式；E、模拟信号命令运行模式。本发明所提出的伺服驱动器采用模块化的结构，相同的控制模块可以与不同功率等级的驱动模块相配对组成不同功率等级的智能伺服驱动系统。应用本发明能够实现低成本、系统配置灵活、操作简便、性能可靠且维护方便的运动控制系统。

Description

全数字化分布式智能伺服驱动器

技术领域

本发明涉及一种具有多种功能的伺服驱动器，具体地说，是涉及一种可以驱动多种电机及具有多种操作模式的新型全数字化分布式智能伺服电机驱动器。

背景技术

随着信息技术与机械装置和动力设备的结合日益紧密，伺服驱动技术得到了迅猛的发展。中国制造业大国的角色无比清晰地勾勒出产业机械迅猛发展的明朗前景，而产业机械自动化程度升级的浪潮，也为伺服驱动技术和市场的快速发展起到了强大的助推作用。

伺服驱动技术发展至今，已经开发出为数众多的专用或通用运动控制和电机驱动系统。但是在这些系统中，运动控制系统的控制功能和驱动功能通常都是由不同的功能单元来完成，即运动控制器(卡)和伺服驱动器。专利CN1260521A、CN101156312A就是这里所描述的具有电机驱动功能的伺服驱动器，而专利CN101382787A、CN200994117Y则是描述了具有运动控制功能的运动控制器(卡)。

上面所描述的传统的运动控制器(卡)主要实现如多轴同步运动的控制、运动轨迹规划、控制系统位置环的控制等功能，而伺服驱动器只完成电机驱动的相关功能，如系统速度环和电流环的控制。多轴运动控制系统构架还处于集中式控制的模式。也就是一个多轴控制系统需要由运动控制主控制器(卡)和多个伺服驱动器组成，主控制器和驱动器之间通过传统配线以脉冲命令或模拟信号命令等方式连接。通过主控制器来实现伺服电机运动的控制和多轴同步运动(如插补运动)。

图1所示的是一个典型的集中式运动控制系统，在这个系统中电机驱动器(2)和运动控制器(1)是两个独立的系统。系统工作时由运动控制器(1)发送脉冲命令到电机驱动器(2)，电机驱动器驱动电机(3)运转，电机带动机械装置(4)进行运转。

这种控制和驱动功能分开且由一个运动控制器(卡)来控制多个伺服电机驱动器的结构具有以下不足之处：

1).复杂的系统连接

驱动器和控制器分开的结构不但增加了运动控制系统连接的复杂程度、降低了系统的可靠性和性能、同时也增加系统的造价，系统的控制性能也会受到影响；

2).较差的系统可扩展性

运动控制器或控制卡一般都有控制轴数的连接限制，所以系统控制轴数的可扩展性较差，给系统控制轴数的增加带来一定的困难；

3).功能单一

这样的驱动器通常需要运动控制器(卡)的配合才能进行工作，驱动器不具有脱离控制器运行的独立运行功能；驱动器和控制器之间的连接信号是由脉冲或模拟信号实现的，不具有更先进的网络功能；控制器(卡)也不能得到更多的关于驱动器内部的参数和信息；

4).只能驱动单一种类的电机

当前的通用性驱动器一般只能驱动一种电机，而不能用来驱动多种电机，如直流有刷电机、直流无刷电机、交流伺服电机和直线电机。

发明内容

为了改善现有通用型伺服驱动器的诸多不足之处，本发明提出了一种全数字化分布式智能型伺服驱动器。其主要目的在于提供一种系统连接简单、有良好的系统可扩展性、功能丰富、且能驱动多种电机的智能型伺服驱动器。以实现低成本、系统配置灵活、操作简便、性能可靠且维护方便的运动控制系统。

与集中式运动控制系统不同，本发明所提出的智能伺服驱动系统集成了电机驱动与运动控制以及简单的PLC功能于一体，无需外部运动控制器，即可实现运动控制功能。驱动器可执行位置、速度、单轴、多轴或独立工作模式等多种功能。为运动控制应用提供一个高性能、高可靠性、功能丰富、低成本的运动控制解决方案。智能伺服驱动器适用于控制驱动永磁直流无刷伺服电机、永磁交流伺服电机、直流有刷电机和直线电机。智能伺服驱动器可以通过RS232或RS485通讯组成运动控制网络，或者是由事先存储在驱动器Flash中的运动程序执行运动控制任务。在独立运行模式，运动任务可以由输入/输出接口的状态进行触发运行，或者由上位机的命令进行触发运行。图形化的运动程序编程和独立运行模式使得运动控制系统的应用和构建变得方便的同时减少了系统的成本。多种控制模式为用户组建运动控制系统提供多了方位的解决方案。

与控制和驱动功能分开传统运动控制系统和基于脉冲的驱动器相比，本发明所提出的智能性伺服驱动器具有以下优点：

1).系统连接简便可靠

驱动器和控制器集成一体的结构不但增加了运动控制系统连接的可靠程度、降低了系统的故障点、同时也减少了构建运动控制系统的造价。系统控制部分和驱动部分不是通过电缆而是通过芯片之间的并行总线进行通讯，通讯速度和可靠性的增加也会大幅度的提高系统的控制性能；

2).具有良好的系统可扩展性

通过RS485总线，运动控制系统控制轴数可以很容易进行扩展，这不但增加了系统的可扩展性同时也减少了扩展系统的工程费用；

3).功能丰富

本发明所提出的智能伺服驱动器可以运行于多种控制模式，分别为：RS232网络控制模式；RS485分布式网络控制模式；脉冲命令控制模式；模拟信号命令控制模式；独立运行控制模式；

4).可以驱动多种类电机

本发明所提出的智能伺服驱动器可以用来控制和驱动多种类的电机，如直流有刷电机、直流无刷电机、交流伺服电机和直线电机；

为了实现以上描述的优点和功能，本专利所描述的分布式智能化伺服驱动器具有如下的技术细节：

1).所提出的智能伺服驱动器采用全数字化设计；

2).智能伺服驱动器集运动控制功能、伺服驱动功能和简单的PLC功能于一体，智能驱动器在无需外部运动控制器(卡)的情况下，即可实现运动控制和电机驱动功能；

3).智能驱动器采用模块化结构设计，一个智能驱动器由一个控制模块和一个驱动模块组成，可以替换不同的驱动模块而组成不同功率等级的智能驱动系统；

4).智能驱动器可执行运动控制轨迹规划、位置控制、速度控制、力矩控制、单轴、多轴或独立工作模式等多种功能；

5).通过软件的设置，同一个系统可以用来驱动直流有刷电机、直流无刷电机、交流伺服电机和直线电机等诸多种类的电机，而不需要改变硬件的设计；

6).具有网络功能，即RS232和RS485，并可利用网络通信进行系统调试和实时控制；

7).具有分布式网络功能(RS485)，在分布式网络控制模式下一个RS485网络可以连接32台驱动器，共可驱动64台电机，并可通过系统扩展连接更多的驱动器；

8).提出的智能驱动器可以和通用伺服驱动器一样运行于脉冲或模拟信号命令模式(这种工作模式下智能驱动器只有驱动功能而不具有轨迹规划等运动控制功能)；

9).提出的智能驱动器具有独立运行功能，即可以将运动控制程序存储于驱动器的存储器中，在不需要上位机的情况下由驱动器的输入/输出口状态来触发或停止电机的运动。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1示出了基于传统的基于脉冲的伺服驱动器和运动控制器(卡)所组成的集中式运动控制系统；

图2为本发明所提出的分布式智能伺服驱动器结构示意图；

图3显示了智能驱动器故障指示单元工作示意图；

图4显示了由智能型伺服驱动器组成的多轴运动控制网络系统示意图；

图5是智能伺服驱动器应用于RS232网络控制模式的示意图；

图6是智能伺服驱动器应用于RS485分布式网络控制模式示意图；

图7为智能伺服驱动器应用于脉冲信号命令控制模式示意图；

图8是智能伺服驱动器应用于模拟信号命令控制模式示意图；

图9为智能伺服驱动器应用于独立运行控制模式示意图；

图10为智能伺服驱动器独立运行模式操作过程；

具体实施方式

为使本发明的实施方法、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图说明所提出的分布式智能化伺服驱动器并举例说明实施例，对本发明进一步详细说明。

图2为本发明所提出的分布式智能伺服驱动器结构示意图；

本发明提出的智能伺服驱动器由两部分组成，分别是(1)控制模块和(2)驱动模块。控制模块(1)实现了运动控制功能，驱动模块(2)实现了电机驱动功能。其中控制模块(1)包含了(3)DC-DC电源模块、(4)数字信号处理单元、(5)程序及系统参数存储单元、(6)系统通讯接口、(7)驱动器工作状态以及故障指示单元、(8)数据总线、(16)电源总线等子模块。驱动模块(2)包含了(8)数据总线、(9)电流检测单元、(10)现场可编程门阵列单元、(11)输入输出接口电路、(12)电源滤波电路、(13)编码器解析电路、(14)制动单元、(15)驱动电路、(16)电源总线等子模块。

每个功能子模块所实现的功能描述如下，控制模块(1)的主要功能有：

1).实现智能伺服驱动器与上位机的通讯；

2).实现运动控制的轨迹规划功能；

3).实现运动控制的控制功能，包括电流环、速度环、位置环的控制以及其它辅助控制功能；

4).将运动控制DSP程序、FPGA配置文件、独立运行电机运动程序、系统及电机参数存储于FLASH ROM中；

5).驱动器工作状态指示；

6).系统供电；

各个子系统的主要功能描述如下：

DC-DC电源模块(3)的功能是将24V直流电转换为更低的电压，如3.3V、2.5V，提供系统芯片供电之用；

数字信号处理器单元(4)包含数字信号处理器及其外围电路，是系统的中央处理器，用于整个系统的控制和调度。其功能包括系统通讯的调度和网络命令接收、系统轨迹规划、位置环控制、速度环控制以及电流环控制；

程序及系统参数存储单元FLASH ROM(5)用于存储运动控制DSP程序、FPGA配置文件、独立运行模式运动程序、系统及电机参数等程序和参数；

通讯接口(6)提供上位机和驱动器之间的通讯功能，有RS232和RS485两种方式供选择。当使用RS485通讯方式的时候，一路RS485通讯线路可以连接32台驱动器，并可扩展到更多台驱动器；

驱动器工作状态以及故障指示单元(7)：用于指示驱动器的工作状态，可以实现系统的本地故障诊断，其具体实现方式在下节描述；

数据总线(8)：用于系统各个单元之间，以及控制模块和驱动模块之间的通讯。

驱动模块(2)的主要功能有：

1).驱动电路的电流检测；

2).电机的驱动电路即三相桥电路；

3).输入/输出接口模块；

4).编码器信号解析以及位置和速度观测器；

5).脉冲宽度调制控制功能；

6).模拟信号到数字信号的转换；

驱动模块(2)的每个子系统的主要功能描述如下：

数据总线(8)用于驱动模块内各个子系统之间以及控制模块和驱动模块之间的通讯；

电流检测单元(9)的功能是检测驱动电路电机的相电流；

现场可编程门阵列单元(10)主要用来实现电机编码器信号四倍频解析、位置和速度观测器、输入输出逻辑和脉冲宽度调制控制功能；

输入输出接口电路(11)包括光电隔离输入输出、差分输入输出和模拟输入输出信号；

电源滤波电路(12)用于对输入电源进行滤波，以去掉电压的波动；

编码器解析单元(13)是电机编码器差分输入的接口电路；

制动单元(14)是电机刹车系统的接口；

驱动电路(15)是伺服电机驱动模块的核心，是一个由六个功率管组成的三相桥电路；

电源总线(16)是给系统驱动电路供电的电源总线；

图3为本发明所提出的分布式智能伺服驱动器的故障指示单元工作示意图，说明如下：

图3(a)显示了所提出的智能伺服驱动器故障指示单元由两个数码管组成，左边的数码管用于第一轴状态的显示，右边的数码管用于第二轴状态的显示。状态指示器可以用于驱动器工作状态下(电机使能状态)驱动器故障指示和非工作状态下(电机在非使能状态)驱动器状态的指示。

图3(b)和图3(c)显示了状态指示器在驱动器非工作状态下的工作指示。图3(d)显示了状态指示器在驱动器工作状态下的故障指示，在此模式下数码管显示1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F分别显示驱动器状态1到15，其中A、B、C、D、E、F的显示方式如图3(d)所示，用于指示驱动器的不同故障代码。

当驱动器处于非工作状态且电机静止时数码管的显示与驱动器处于工作状态时的工作方式相同。当驱动器处于非工作状态时手动转动电机轴时，状态指示器可以显示电机和驱动器的连接以及霍尔信号和编码器信号是否正常。当手动转动电机轴，电机第一圈转动用于检测霍尔信号是否正常，电机转动第二圈用于检测编码器工作是否正常，第三圈又回到霍尔信号的检测，依此类推。图3(b)显示了状态指示器用于霍尔信号的检测，检测和显示方法为：转动电机轴，根据霍尔传感器的信号不同分别点亮数码管的其中一段。如图3(b)显示的六段数码管分别表示霍尔传感器的6个不同的信号，随着电机的转动，数码管的显示也形成一个顺时针或逆时针的转动。当霍尔信号出现故障时可以清楚的看到是那一位霍尔信号有误。当电机转动到第二圈(或偶数圈)的时候，状态指示器用于显示编码器信号是否正常。当电机顺时针转动时，数码管的点亮方式如图3(c)所示，反之亦然。这样的工作方式可以很快的用来检测电机和驱动器的连接是否正常，而无需通过打开上位机的调试软件进行检查。特别是在工作现场，可以大大的节省检测时间。

图4显示了用本发明所提出的智能型伺服驱动器组成的一个多轴运动控制系统。图中(1)是上位机，上位机可以是计算机、PLC、HMI或其它运动控制器，主要用来管理和协调驱动器及各个电机的运动，如进行插补或同步控制。(2)是运动控制网络RS485，所提出的系统最多可以连接多达32台伺服驱动器(64轴电机)。(3)是智能型伺服驱动器，每个驱动器可以驱动2个不同类型的伺服电机。(4)和(5)分别是电机和机械装置。本发明所提出的智能型伺服驱动器可以应用于多个领域，如机器人、数控机床、各种生产机械以及其它需要运动控制的领域。

以上介绍了智能驱动器的组成以及实现方式，下面说明本发明所提出驱动器的工作模式以及其特点和应用：

与传统的伺服驱动器相比，本专利所提出的智能型伺服驱动器具有更多的操作和运行模式，用来满足多种应用场合的需求。

驱动器的操作模式有：

1).RS232网络控制模式

2).RS485分布式网络控制模式

3).脉冲命令控制模式

4).模拟信号命令控制模式

5).独立运行控制模式

RS232网络控制模式：

在RS232工作模式下，驱动器通过RS232通讯和上位机相连(上位机可以是PC、PLC、HMI或其它设备)，由上位机发送运动控制命令到驱动器，驱动器控制电机带动机械装置运动，如图5所示。特点如下：

(1)驱动器通过RS232通讯和上位机相连(PC，PLC，HMI或其它控制器)，由主机发送运动命令到驱动器，驱动器控制电机带动机械装置运动；

(2)每个RS232口只能连接一台驱动器(两个控制轴)，如果有多个RS232口则可以连接多个驱动器；

(3)驱动器的参数和I/O接口的配置都可以由上位机的配置软件完成，上位机可以监控每个I/O口的状态；

(4)系统状态可以由上位机进行监控，控制器本地也能通数码管的状态进行快速诊断。RS485分布式网络控制模式：

在RS485网络模式下，能联网32台驱动器，带动64台伺服电机。在分布式多轴运动控制系统中，主机能给网络中的各个轴发送数据控制电机的运动。这样控制器可以置于离电机最近的地方，而不受控制柜的限制。这不但增加了系统配置的灵活性，电缆数量和长度的减少和降低也增加了系统的可靠性。系统如图6所示，其特点如下：

(1)能联网32台iDrive智能驱动器，带动64台伺服电机，并可扩展；

(2)驱动器可以置于离电机最近的地方，而不受控制柜的限制；这样不但增加了系统配置的灵活性，电缆数量和长度的减少也增加了系统的可靠性，同时也增加了系统的可维护性；

(3)驱动器的参数和I/O接口的配置都可以由上位机的配置软件完成，上位机可以监控每个I/O口的状态；

(4)统状态可以由上位机进行监控，控制器本地也能通过数码管的状态进行快速故障诊断。

脉冲信号命令控制模式：

本发明所提出的智能驱动器可以作为通用驱动器使用工作于脉冲信号方式，在脉冲工作模式下需要运动控制器(卡)配合完成运动控制和驱动的功能。系统示意图如图7所示，系统特点如下：

(1)此工作状态下，智能驱动器能接受外部运动控制器(运动控制卡或PLC)发送来的脉冲和方向控制信号作为位置或速度运动命令，完成对系统的控制和驱动；

(3)在脉冲控制模式下，可以由上位机软件来设置不同的电子齿轮比例值。其操作模式就如同传统的基于脉冲和方向控制模式的驱动器相同。

模拟信号命令控制模式：

智能伺服驱动器作为通用驱动器使用时，能接受外部控制器发送来的±10V模拟信号作为位置或速度运动命令，进行电机运动的控制。系统如图8所示，系统特点如下：

(1)在此工作状态下，智能驱动器能接受外部运动控制器(运动控制卡或PLC)发送来的模拟信号作为速度运动命令，完成对系统的控制和驱动；

(3)在模拟信号控制模式下，智能驱动器的操作模式就如同传统的基于模拟信号控制模式的驱动器相同。

独立运行控制模式：

独立运行模式即在没有上位机的情况下，由智能驱动器根据特定I/O口的状态触发所要运行的运动控制程序。而运动程序则事先编写并存储在驱动器中的FLASH ROM中。独立运行模式具有结构简单、系统构建方便、低成本等特点。系统示意如图9所示，系统特点如下：

(1)独立运行模式即在没有上位机的情况下，由驱动器根据I/O接口的状态选择所要运动的轨迹。而运动程序则存储在驱动器中的FLASH ROM中；

(2)I/O口可以用来触发运动程序的运行，也可以终止运动程序的运行；

(3)本发明同时提供了用于独立运行模式运动程序图形化编程的上位机应用软件，使得用户能轻松实现自己的应用；

(4)对于一些具有特定运动方式的生产设备，独立运行模式具有结构简单、低成本等特点。

独立运行模式的操作过程如图10所示，运动程序的编程都是由可视化的图形界面来完成。

至此，结束本发明所提出的全数字化分布式智能伺服驱动器的组织结构、优点、功能、操作模式等的描述。

由上述实施例可见，与集中式运动控制系统不同，本发明所提出的智能伺服驱动系统集成了电机驱动与运动控制功能于一体。为运动控制应用提供一个高性能、高可靠性、功能丰富、低成本的运动控制解决方案。所提出的智能驱动器适用于控制驱动永磁直流无刷伺服电机、永磁交流伺服电机、直流有刷电机和直线电机。智能驱动器无需外部运动控制器，即可实现运动控制，可执行位置、速度、单轴、多轴或独立工作模式等多种功能。智能伺服驱动器可以通过RS232或RS485通讯组成运动控制网络，或者是由事先存储在驱动器Flash中的运动程序执行运动控制任务。在独立运行模式，运动任务可以由输入/输出接口的状态来触发，或者由上位机的命令来触发。多种控制模式为用户组建运动控制系统提供多方位的解决方案。

Claims (8)

1.一种全数字化分布式智能伺服驱动器，其特征在于：

A、具有多种控制模式，包括：RS232网络控制模式，RS485分布式网络控制模式，脉冲命令控制模式，模拟信号命令控制模式和独立运行控制模式共五种控制模式；

B、可以控制和驱动多种电机，如直流有刷电机、直流无刷电机、交流伺服电机和直线电机；

C、采用了全数字化设计并集控制功能和驱动功能以及简单的PLC功能于一体的结构；

D、控制模块和驱动模块采用模块化的设计；

2.根据权利要求1所述的智能伺服驱动器，其特征在于，智能伺服驱动器可以工作于RS232网络控制模式，RS485分布式网络控制模式，脉冲命令控制模式，模拟信号命令控制模式，独立运行控制模式等操作模式，操作模式的切换只需改变驱动器的参数设置而无需修改驱动器的硬件或软件的设计。

3.根据权利要求2所述的智能伺服驱动器，其特征在于，所提出的智能伺服驱动器可以脱离上位机工作于独立运行模式，运动程序存储于驱动器内，只需由I/O的状态即可触发或停止运动程序的运行。

4.根据权利要求3所述的智能伺服驱动器的独立运行模式，其特征在于，智能驱动器独立运行模式下存储于驱动器内的运动程序由图形化编程方式在计算机中实现并经过编译下载到驱动器中的FLASH ROM中。

5.根据权利要求1所述的智能伺服驱动器，其特征在于：

智能驱动器可以通过改变驱动器的参数来控制和驱动多种电机，如直流有刷电机、直流无刷电机、交流伺服电机和直线电机，而无需修改驱动器的硬件和软件设计。

6.根据权利要求1所述的智能伺服驱动器，其特征在于，所述RS485分布式网络控制模式可以用来联网32台智能伺服驱动器，每台驱动器连接2个电机，共可驱动64台伺服电机。

7.根据权利要求1所述的智能驱动器的模块化设计，其特征在于，相同的控制模块可以和不同功率等级的驱动模块相配合，用来组成不同功率等级的智能运动控制系统。

8.所提出的智能伺服驱动器可以采用驱动器上自带的数码管进行电机霍尔信号和编码器信号的状态诊断。

在诊断状态下手动转动电机轴，根据电机编码器或霍尔传感器的状态数码管会点亮相对应的一段，根据电机的旋转数码管点亮的顺序会形成一定的顺时针或逆时针旋转的图案，以此来诊断编码器或霍尔传感器信号的正常与否。

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