CN108829173A - 一种振镜模拟伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种振镜模拟伺服驱动器，其使用ADC采样芯片实现伺服驱动系统的运行状态信息的实时采样，通过ADC采样芯片的通讯接口将信息反馈给上位激光控制系统，由上位激光控制系统实现伺服电机过流、过载保护功能以及相应保护阀值在线配置功能。本发明的使用带标准通讯接口的ADC采样芯片，无须使用昂贵的模拟乘法器芯片，降低了伺服驱动器的成本，在振镜模拟伺服驱动器上没有处理器和存储器的情况下，利用上位激光控制系统中的处理器和存储器实现伺服电机过流、过载保护功能以及相应保护阀值在线灵活配置功能，一定程度上实现了带模拟伺服驱动器的激光控制系统的全数字化控制。

Description

一种振镜模拟伺服驱动器

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种振镜模拟伺服驱动器。

背景技术

振镜作为激光打标、激光蚀刻、激光3D打印等激光加工设备的关键零部件，应用非常广泛。目前市场上的振镜系统都使用模拟伺服驱动器，模拟伺服驱动器各个控制环路是由运算放大器电路实现。通常此类伺服驱动器不能实时地向上位激光控制系统反馈伺服驱动系统的电流、电压、位置等运行状态信息，同时，针对振镜伺服电机的过流和过载保护，均使用模拟乘法器芯片与固定阻值的电阻和固定容值的电容器件与伺服电机参数匹配后，构成保护电路实现相关功能。模拟伺服驱动器与上位激光控制系统除了存在位置运行到位信息反馈外，没有其他信息反馈，使得模拟伺服驱动器在整个激光控制系统中仅为一个独立的执行环节，上层激光控制系统给模拟伺服驱动器发送完位置指令信号后只能等待特定的时间再发下一个指令(做下一个动作)，不能充分发挥上层激光控制系统控制的灵活性，无法实现在整个运行过程中伺服电机运行状态的实时监控，从而实时更新位置控制指令、停止或保护伺服电机。此外，使用模拟乘法器芯片实现伺服电机的过流和过载保护的方法，保护阀值一旦设定将无法更改，如需更换不同参数的伺服电机或负载，则需要重新计算相应的电阻和电容值并更换器件。而且，模拟乘法器芯片通常价格较贵，增加了模拟伺服驱动器的成本。

发明内容

本发明的目的在于通过一种振镜模拟伺服驱动器，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种振镜模拟伺服驱动器，其包括具有通讯接口的ADC采样芯片；所述ADC采样芯片通过其通讯接口与上位激光控制系统通讯连接，将伺服驱动系统的运行状态信息通过所述通讯接口反馈至所述上位激光控制系统。

特别地，所述上位激光控制系统用于通过所述ADC采样芯片实现伺服电机过流保护功能：

上位激光控制系统预设伺服电机额定电流值及最大电流值相应数据表格，同时通过通讯接口配置ADC采样芯片内部比较器对应的比较阀值寄存器，当伺服驱动器满足过流保护触发条件时，该比较器将输出伺服驱动器保护触发信号。

特别地，所述上位激光控制系统还用于通过所述ADC采样芯片实现伺服电机过载保护功能：

上位激光控制系统预设伺服电机额定电流值、最大电流值以及过载保护反时限曲线相关数据表格，由上位激光控制系统时钟作为执行过载保护运行时间的时间基准源，当满足过载保护触发条件时，通过通讯接口配置ADC采样芯片内部比较器对应的比较阀值寄存器，该比较器将输出伺服驱动器保护触发信号。

特别地，所述上位激光控制系统进一步用于在线配置伺服电机过流保护阈值和伺服电机过载保护阈值：

根据不同参数的伺服电机或负载，通过上位激光控制系统中预设伺服电机额定电流值、最大电流值以及过载保护反时限曲线相关数据表格，在线配置伺服电机过流保护阈值和伺服电机过载保护阈值。

特别地，所述伺服驱动系统的运行状态信息包括但不限于伺服电机电流采样信息、伺服电机位置反馈信息及伺服驱动电压信息。

特别地，所述通讯接口采用I²C接口、SPI接口的任一种。

本发明提出的振镜模拟伺服驱动器使用ADC采样芯片实现伺服驱动系统的运行状态信息的实时采样，通过ADC采样芯片的通讯接口将信息反馈给上位激光控制系统，由上位激光控制系统实现伺服电机过流、过载保护功能以及相应保护阀值在线配置功能。本发明的使用带标准通讯接口的ADC采样芯片，无须使用昂贵的模拟乘法器芯片，降低了伺服驱动器的成本，在振镜模拟伺服驱动器上没有处理器和存储器的情况下，利用上位激光控制系统中的处理器和存储器实现伺服电机过流、过载保护功能以及相应保护阀值在线灵活配置功能，一定程度上实现了带模拟伺服驱动器的激光控制系统全数字化控制。

附图说明

图1为传统采用乘法器芯片振镜伺服电机的过流和过载保护电路示意图；

图2为本发明实施例提供的上位激光控制系统伺服驱动过流及过载保护功能实现软件流程图；

图3为本发明实施例提供的上位激光控制系统伺服驱动保护参数在线配置功能软件流程图；

图4为本发明实施例提供的采用ADC采样芯片的振镜模拟伺服驱动器在单轴伺服驱动应用示意图；

图5为本发明实施例提供的采用ADC采样芯片的振镜模拟伺服驱动器在双轴伺服驱动应用示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，图1为传统采用乘法器芯片振镜伺服电机的过流和过载保护电路示意图。伺服电机电流流经采样电阻R，经过放大和调理电路(Signal Process&AmplifyCircuit)输出得到Vcurrent电压信号，输入模拟乘法器芯片U1的输入端，经过电阻R1，R2与C1参数配置网络，可以得到拟乘法器芯片U1的W引脚上输出电压为：

Vw＝-V²current/10v*(R1+R2)/R1+5v, (1)

则U1的Z引脚上输出电压为

Vz＝(5v-Vw)*R1/(R1+R2)+Vw, (2)

将(1)式代入(2)式，可得：

Vz＝5v-V²current*R2/(10v*R1) (3)

图1中，当Vz电压阀值超过Q1翻转触发阀值时，将触发保护电路工作，输出保护触发信号(Protection_Trig)，并由此产生关断伺服电机驱动使用的功率器件的信号(Power_Trig)以及输出故障信号(Fault)。上式(3)式V²current与伺服电机的瞬时电流的平方成正比，通过配置R1,R2的阻值可以确定Q1翻转的阀值。同时通过电容C1,C2,C3容值的选取，由RC缓冲电路控制输出保护触发信号的时间延迟。伺服电机的过载保护与电机电流的平方成反时限关系，因此利用电路图1可以实现伺服电机的过载保护功能。

但是，上述方法存在的问题是：针对不同的伺服电机或不同的电机负载，电路中R1，R2,C1,C2,C3需要更改器件参数，以满足保护伺服电机过载保护的要求，无法灵活配置过流、过载保护阈值。

针对上述问题，本实施例提供了一种振镜模拟伺服驱动器，该振镜模拟伺服驱动器包括具有通讯接口的ADC采样芯片。所述ADC采样芯片通过其通讯接口与上位激光控制系统通讯连接，将伺服驱动系统的运行状态信息通过所述通讯接口反馈至所述上位激光控制系统。

在本实施例中所述上位激光控制系统用于通过所述ADC采样芯片实现伺服电机过流保护功能：上位激光控制系统预设伺服电机额定电流值及最大电流值相应数据表格，同时通过通讯接口配置ADC采样芯片内部比较器对应的比较阀值寄存器，当伺服驱动器满足过流保护触发条件时，该比较器将输出伺服驱动器保护触发信号。其中，所述数据表格包含激光控制系统中所有可能用到的电机型号，及其对应的额定电流值和最大电流值。在本实施例中所述上位激光控制系统还用于通过所述ADC采样芯片实现伺服电机过载保护功能：上位激光控制系统预设伺服电机额定电流值、最大电流值以及过载保护反时限曲线相关数据表格，由上位激光控制系统时钟作为执行过载保护运行时间的时间基准源，当满足过载保护触发条件时，通过通讯接口配置ADC采样芯片内部比较器对应的比较阀值寄存器，该比较器将输出伺服驱动器保护触发信号。其中，所述过载保护反时限曲线是激光加工领域的通用术语，它也是通过数据表格的形式由软件实现的，但它与过流保护中使用的数据表格不同。在本实施例中上位激光控制系统伺服驱动过流及过载保护功能实现软件流程图如图2所示。

在本实施例中所述上位激光控制系统进一步用于在线配置伺服电机过流保护阈值和伺服电机过载保护阈值：根据不同参数的伺服电机或负载，通过上位激光控制系统中预设伺服电机额定电流值、最大电流值以及过载保护反时限曲线相关数据表格，在线配置伺服电机过流保护阈值和伺服电机过载保护阈值。在本实施例中上位激光控制系统伺服驱动保护参数(伺服电机过流保护阈值、伺服电机过载保护阈值)在线配置功能软件流程如图3所示，图中过载曲线参数具体包含与伺服电机参数对应的电流和时间参数。

在本实施例中所述伺服驱动系统的运行状态信息包括但不限于伺服电机电流采样信息、伺服电机位置反馈信息及伺服驱动电压信息。在本实施例中所述通讯接口可采用I2C接口、SPI接口的任一种，优选I²C接口。

下面结合具体实施例对本实施例提出的振镜模拟伺服驱动器的工作原理进行扼要说明：

如图4所示，图4为本发明实施例提供的采用ADC采样芯片的振镜模拟伺服驱动器在单轴伺服驱动应用示意图。伺服电机的电流流经采样电阻R3，经过放大和调理电路1(图中Signal Process&Amplify Circuit 1)输出得到Vcurren电压信号(Signal Process&Amplify Circuit 1输出差分信号对应电流采样得到的电压信号)，输入ADC采样芯片U1的输入端AIN0和AIN1。位置反馈信号(Position_fdb)及驱动器电压信号(Voltage)分别经过采样放大和调理电路2(Signal Process&Amplify Circuit 2)和采样放大和调理电路3(Signal Process&Amplify Circuit 3)后，输入至ADC采样芯片U1的输入端AIN2和AIN3。

ADC采样芯片U1通过I²C通讯接口(图中SCL及SDA引脚)将伺服电机电流采样信息，伺服电机位置反馈信息及伺服驱动电压信息反馈至上位激光控制系统。上位激光控制系统中通过软件方式根据伺服电机及负载信息对应表格配置参数实现伺服电机的过载保护，ADC采样芯片U1的比较器输出端口(ALERT/RDY)可以根据ADC采样芯片U1通过I²C通讯接口对应的配置参数，产生伺服驱动器保护触发信号(Protection_Signal)。同时上位激光控制系统可以根据ADC采样芯片U1通过I²C通讯接口反馈的信息实时得到当前伺服电机的位置信息构成位置闭环控制系统。

如图5所示，图5为通过I²C通讯接口ADC采样芯片及内部比较器实现振镜伺服电机的过流和过载保护电路以及位置和电压信号实时反馈实现电路在振镜两轴控制系统的扩展应用，采用ADC采样芯片的振镜模拟伺服驱动器在双轴伺服驱动应用与图4中在单轴伺服驱动应用原理基本相同，差异主要在于两片带I²C通讯接口的ADC芯片U1和ADC芯片U2使用相同I²C总线通讯时的地址配置(ADC芯片U1和ADC芯片U2的ADDR信号)。一般振镜伺服驱动需要双轴驱动的应用场景(2D激光振镜)，也具有较好的实用性。

本发明的技术方案使用ADC采样芯片实现伺服驱动系统的运行状态信息的实时采样，通过ADC采样芯片的通讯接口将信息反馈给上位激光控制系统，由上位激光控制系统实现伺服电机过流、过载保护功能以及相应保护阀值在线配置功能。本发明的使用带标准通讯接口的ADC采样芯片，无须使用昂贵的模拟乘法器芯片，降低了伺服驱动器的成本，在振镜模拟伺服驱动器上没有处理器和存储器的情况下，利用上位激光控制系统中的处理器和存储器实现伺服电机过流、过载保护功能以及相应保护阀值在线灵活配置功能，一定程度上实现了带模拟伺服驱动器的激光控制系统全数字化控制。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部部分是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种振镜模拟伺服驱动器，其特征在于，包括具有通讯接口的ADC采样芯片；所述ADC采样芯片通过其通讯接口与上位激光控制系统通讯连接，将伺服驱动系统的运行状态信息通过所述通讯接口反馈至所述上位激光控制系统。

2.根据权利要求1所述的振镜模拟伺服驱动器，其特征在于，所述上位激光控制系统用于通过所述ADC采样芯片实现伺服电机过流保护功能：

上位激光控制系统预设伺服电机额定电流值及最大电流值相应数据表格，同时通过通讯接口配置ADC采样芯片内部比较器对应的比较阀值寄存器，当伺服驱动器满足过流保护触发条件时，该比较器将输出伺服驱动器保护触发信号。

3.根据权利要求2所述的振镜模拟伺服驱动器，其特征在于，所述上位激光控制系统还用于通过所述ADC采样芯片实现伺服电机过载保护功能：

上位激光控制系统预设伺服电机额定电流值、最大电流值以及过载保护反时限曲线相关数据表格，由上位激光控制系统时钟作为执行过载保护运行时间的时间基准源，当满足过载保护触发条件时，通过通讯接口配置ADC采样芯片内部比较器对应的比较阀值寄存器，该比较器将输出伺服驱动器保护触发信号。

4.根据权利要求3所述的振镜模拟伺服驱动器，其特征在于，所述上位激光控制系统进一步用于在线配置伺服电机过流保护阈值和伺服电机过载保护阈值：

根据不同参数的伺服电机或负载，通过上位激光控制系统中预设伺服电机额定电流值、最大电流值以及过载保护反时限曲线相关数据表格，在线配置伺服电机过流保护阈值和伺服电机过载保护阈值。

5.根据权利要求1至4之一所述的振镜模拟伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动系统的运行状态信息包括但不限于伺服电机电流采样信息、伺服电机位置反馈信息及伺服驱动电压信息。

6.根据权利要求5所述的振镜模拟伺服驱动器，其特征在于，所述通讯接口采用I²C接口、SPI接口的任一种。