CN108181854A - 机器人用智能模块化液压伺服驱动器 - Google Patents

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孙先涛
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Abstract

本公开提供一种机器人用智能模块化液压伺服驱动器，包括主控模块、伺服放大模块、接口信号调理模块、通信模块及电源模块；主控模块包括主控芯片、模数转换器接口、数模转换器接口和通信接口；主控芯片通过模数转换器接口与接口信号调理模块连接，接收、处理接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据；主控芯片通过数模转换器接口与伺服放大模块连接，由伺服放大模块将主控芯片输出的驱动信号放大后输出至伺服阀；主控芯片通过通信模块与上位机连接，接收并处理上位机的控制信息；电源模块为主控模块、伺服放大模块、接口信号调理模块和通信模块供电，本公开的驱动器自动化程度高，采用模块化设计，便于对系统进行分布式控制。

Description

机器人用智能模块化液压伺服驱动器
技术领域
本公开涉及机器人伺服控制领域，具体涉及一种机器人用智能模块化液压伺服驱动器。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人关节要满足体积小、重量轻、输出力矩大、运动范围大等设计要求，而液压驱动的方式具有功率密度大、驱动力大、结构紧凑等优点，可以充分满足机器人关节的设计要求。同样对于液压驱动中的电磁阀的驱动也提出了接口丰富、功率密度大、支持总线控制、模块化设计的要求，能够快速集成应用于机器人关节控制。
液压伺服驱动方式满足了机器人关节所需的功率密度大、驱动力大、结构紧凑等优点，但随着机器人关节的集成度提高，如机械手臂、机械腿等的应用，迫切需要能够将液压伺服阀、液压伺服驱动器等集成于机械关节内，对当前相关产品的功率密度、体积、通信方式等有严格要求。现有技术的液压伺服驱动器存在着集成度低，控制性能、功率密度、通信接口等方面不能兼顾，可靠性不足的问题。
发明内容
本公开提供了一种机器人用智能模块化液压伺服驱动器，用以解决目前液压伺服驱动器存在的集成度低，控制性能、功率密度、通信接口等方面不能兼顾，可靠性不足的问题。
本公开的技术方案是：
一种机器人用智能模块化液压伺服驱动器，包括：主控模块、伺服放大模块、接口信号调理模块、通信模块及电源模块；所述主控模块包括主控芯片、模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)接口、数模转换器(Digital-to-Analog Converter，DAC)接口和通信接口；所述主控芯片通过所述ADC接口与所述接口信号调理模块连接，接收、处理所述接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据；所述主控芯片通过所述DAC接口与所述伺服放大模块连接，由所述伺服放大模块将所述主控芯片输出的驱动信号放大后输出至伺服阀；所述主控芯片通过通信模块与上位机连接，接收并处理上位机的控制信息；所述电源模块为所述主控模块、所述伺服放大模块、所述接口信号调理模块和所述通信模块供电。
较佳地，所述主控芯片接收、处理所述接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据，具体包括：所述ADC接口将所述接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据由模拟信号转换为数字信号；所述主控芯片通过所述ADC接口，接收经过模数转换的伺服阀数据；所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，用以实现对伺服阀的闭环控制。
较佳地，所述伺服阀数据，包括：电流信号；所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，具体包括：所述主控芯片根据接收的电流信号调整输出的驱动信号，用以稳定伺服阀的电流。
较佳地，所述接口信号调理模块包括：第一仪用放大器，所述第一仪用放大器串接至伺服阀的采样电阻，用以采集电流信号。
较佳地，所述伺服阀数据，包括：被控对象的位置信号；所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，具体包括：所述主控芯片根据接收的被控对象的位置信号调整输出的驱动信号，用以实现位置环闭环控制。
较佳地，所述接口信号调理模块包括：线性可变差动变压器(Linear VariableDifferential Transformer，LVDT)LVDT及与之连接的接口电路，所述LVDT用以采集LVDT位置信号，所述接口电路用以将LVDT位置信号转换为一个比例直流信号。
较佳地，所述伺服阀数据，包括：液压缸中的压力信号；所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，具体包括：所述主控芯片根据接收的液压缸中的压力信号调整输出的驱动信号，用以实现稳定性和高动态响应控制。
较佳地，所述接口信号调理模块包括：第二仪用放大器，所述第二仪用放大器采样并放大液压缸中的压力信号。
较佳地，所述主控模块还包括：控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线接口，所述主控芯片通过所述CAN总线接口与上位机通信，接收所述上位机的控制信号以及向所述上位机反馈状态信息；和/或，所述主控模块还包括：通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)，所述主控芯片通过所述UART总线接口与上位机通信，接收所述上位机的控制信号以及向所述上位机反馈状态信息。
较佳地，所述主控模块还包括：通用IO接口；所述主控芯片通过所述通用IO接口，采集机器人关节运动限位信号、驱动器使能信号，根据所采集的信号进行相应的响应动作。
较佳地，所述伺服放大模块，包括：电压跟随器、电压偏置电路、电压放大器、三极管对管放大电路，依次对所述DAC接口输出的驱动信号进行阻抗变换、电压偏置、信号放大、功率放大。
较佳地，所述主控模块还包括：flash存储，用以存储驱动器的固件信息、控制信息。
本公开将机器人用智能模块化液压伺服驱动器作集成化设计，包括主控模块、伺服放大模块、接口信号调理模块、通信模块及电源模块，设置了反馈闭环，兼顾了液压伺服驱动器的控制性能、功率密度、通信接口，提升了液压伺服驱动器的可靠性，实现了液压伺服驱动器的典型化、通用化、模块化设计。
附图说明
图1是本公开具体实施方式的机器人用智能模块化液压伺服驱动器的工作原理示意图。
具体实施方式
图1是本公开实施例提供的机器人用智能模块化液压伺服驱动器工作原理示意图，结合本实施例，对本公开内容中的各功能模块说明如下：
一、主控模块。
本实施例提供的主控模块采用STM32F103芯片，主频达70MHz，主要完成伺服运算，通过特定的控制算法完成位置环、速度环等反馈闭环的控制。同时完成信号采集工作和通信数据处理等。
STM32主控模块的接口主要包括：ADC接口、DAC接口、CAN总线接口、UART接口、通用IO接口、复位接口、内部flash接口等。
ADC接口：主要用于电流、位置等反馈信号的采集、转换。采集反馈的电流信号用于控制电流的稳定输出；采集LVDT位置信号用于位置环的闭环控制；采集压力信号用于实现对伺服系统的稳定性和高动态响应控制。
DAC接口：主要用于将伺服阀的控制信号转换为模拟信号，输出至伺服放大模块，产生对应的控制电流。
CAN总线接口：主要用于和上位机通信，完成模块化液压伺服驱动器的控制和信号采集，实现多关节伺服驱动器的总线通信。
UART接口：主要用于和上位机通信，完成模块化液压伺服驱动器的控制和信号采集。
通用IO接口：主要用于机器人关节运动限位信号、驱动器使能信号的采集。
复位接口：用于掉电复位。
内部flash接口，用于伺服驱动器的固件和控制参数的掉电存储。
二、伺服放大模块。
伺服放大模块主要通过运算放大器完成对STM32主控模块DAC输出的模拟信号进行阻抗变换、电压偏置、信号放大、功率放大等。
本实施例的驱动控制系统适用于电流控制的液压伺服阀，阀块控制额定电流为±10mA～±50mA。功率输出选用三极管对管实现。
三、接口信息调理模块：
接口信息调理模块完成功率电流信号的采集、执行机构位置信息采集、液压缸压力信息采集等。
功率电流信号的采集选用仪用放大器对串接的采样电阻进行信号采集放大，反馈到主控模块。
执行机构位置信息采集选用线性可变差动变压器(LVDT)及其接口电路完成，接口电路选用AD698实现对LVDT的信号调理。AD698能够以较高精度和可重复性将传感器机械位置转换为单极性或双极性直流电压。所有电路功能均集成于片内。只要增加几个外部无源元件以设置频率和增益，AD698就能将原始LVDT输出转换为一个比例直流信号。
液压缸压力信息采集选用仪用放大器对输入的压力信号进行采样放大，反馈到主控模块。
四、通信模块。
通信模块主要包括CAN总线通信和RS232通信两种方式。
CAN总线通信选择SN65HVD232DR收发器。CAN总线主要用于和上位机通信，包括实时控制和控制参数修改两方面内容。通信速率在500Kbps-1Mbps可配置。
RS232接口选用MAX3232芯片，用于和上位机通信，通信速率默认为115200bps。
五、电源模块。
所述电源模块主要实现系统电源转换，完成STM32微控制器、运算放大器、AD698、接口芯片等的供电。
数字电源主要为D3.3V，完成主控制模块中STM32微控制器、SN65HVD232DR收发器、MAX3232接口芯片等的供电。
模拟电源主要为A3.3V，由数字3.3V通过滤波产生；A±15V完成运算放大器、AD698等的供电。
图1所示电路的工作过程如下：STM32主控模块接收上位机通过RS232或者CAN总线发出的控制信息，通过DAC将数字信号转换为模拟信号输出，再通过电流放大器完成阻抗匹配、偏置、电流放大等，实现所需电流输出。将电流输出到伺服阀，实现液压系统中的流速控制，实现对被控对象的控制。同时将控制伺服阀的电流信号、被控对象的位置信号、液压缸中的压力信号等进行采集，通过STM32主控模块的ADC模块输入、完成模拟量到数字量的转换。STM32主控模块根据上位机输入信息和液压系统中的反馈信息实现被控对象的闭环控制。同时，电源模块为各个模块提供所需电源和参考电平。
本实施例相比现有技术，具有如下优点：
1、从机器人关节伺服驱动方面考虑，根据功能集成了主控模块、伺服放大模块、接口信息调理模块、通信模块和电源模块，实现了液压伺服驱动器的典型化、通用化、模块化设计；
2、支持LVDT位置信息反馈和压力信息反馈，能够将LVDT与压力信息融合实现伺服单元的高动态响应控制；
3、实现了基于串行总线的微小型模块化液压伺服驱动单元，便于与液压伺服阀、液压缸等快速集成，实现在多关节机器人中的快速应用。
显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样，倘若本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内，则本公开也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，包括：主控模块、伺服放大模块、接口信号调理模块、通信模块及电源模块；
所述主控模块包括主控芯片、模数转换器接口、数模转换器接口和通信接口；所述主控芯片通过所述模数转换器接口与所述接口信号调理模块连接，接收并处理所述接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据；所述主控芯片通过所述数模转换器接口与所述伺服放大模块连接，由所述伺服放大模块将所述主控芯片输出的驱动信号放大后输出至伺服阀；所述主控芯片通过所述通信模块与上位机连接，接收并处理上位机的控制信息；
所述电源模块为所述主控模块、所述伺服放大模块、所述接口信号调理模块和所述通信模块供电。
2.如权利要求1所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述主控芯片接收并处理所述接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据，具体包括：
所述模数转换器接口将所述接口信号调理模块采集、反馈的伺服阀数据由模拟信号转换为数字信号；
所述主控芯片通过所述模数转换器接口，接收经过模数转换的伺服阀数据；
所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，用以实现对伺服阀的闭环控制。
3.如权利要求1或2所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述伺服阀数据包括电流信号；
所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，具体包括：所述主控芯片根据接收的电流信号调整输出的驱动信号，用以稳定伺服阀的电流。
4.如权利要求1所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述接口信号调理模块包括：第一仪用放大器，所述第一仪用放大器串接至伺服阀的采样电阻，用以采集电流信号。
5.如权利要求1或2所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述伺服阀数据，包括：被控对象的位置信号；
所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，具体包括：
所述主控芯片根据接收的被控对象的位置信号调整输出的驱动信号，用以实现位置环闭环控制。
6.如权利要求1所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述接口信号调理模块包括：线性可变差动变压器LVDT及与之连接的接口电路，所述LVDT用以采集LVDT位置信号，所述接口电路用以将LVDT位置信号转换为一个比例直流信号。
7.如权利要求1或2所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述伺服阀数据，包括：液压缸中的压力信号；
所述主控芯片根据接收的伺服阀数据，进行相应的响应动作，具体包括：
所述主控芯片根据接收的液压缸中的压力信号调整输出的驱动信号，用以实现稳定性和高动态响应控制。
8.如权利要求1、4或6任一项所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述接口信号调理模块包括：第二仪用放大器，所述第二仪用放大器采样并放大液压缸中的压力信号。
9.如权利要求1所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述主控模块还包括：控制器局域网络CAN总线接口，所述主控芯片通过所述CAN总线接口与上位机通信，接收所述上位机的控制信号以及向所述上位机反馈状态信息；和/或，
所述主控模块还包括：通用异步收发传输器UART接口，所述主控芯片通过所述UART总线接口与上位机通信，接收所述上位机的控制信号以及向所述上位机反馈状态信息。
10.如权利要求1所述的机器人用智能模块化液压伺服驱动器，其特征在于，所述主控模块还包括：通用IO接口；
所述主控芯片通过所述通用IO接口，采集机器人关节运动限位信号、驱动器使能信号，根据所采集的信号进行相应的响应动作。
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