CN109015621A - 一种多轴工业机器人伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴工业机器人伺服系统，包括机器人伺服控制器母板、交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元。本发明将工业机器人的两大电控系统：伺服驱动系统和轨迹控制系统合二为一，三维立体板卡安装结构，最大化利用了空间体积，一个FPGA核心单元集成多个PMSM的控制逻辑，并同时实时完成多轴的轨迹规划，节约了资源和成本。

Description

一种多轴工业机器人伺服系统

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别是一种基于FPGA的多轴工业机器人伺服系统。

背景技术：

《工业制造2025》将机器人行业列入十大重点推动产业之一。21世纪已经全面进入了工业机器人发展的重要时代，随着劳动力的短缺和科学技术突飞猛进的发展，工业机器人将逐渐取代工厂中繁重的人力劳动；

工业机器人控制系统和伺服系统共同作为工业机器人三大核心部件之一，在整个工业机器人系统中起着至关重要的作用；现有的工业机器人控制系统大多伺服驱动器与轨迹控制器硬件分立组装，并且在伺服系统中单轴独立驱动，每个轴需要一个伺服驱动器，一个典型的六自由度机器人控制系统要六台大小不同的伺服驱动器和一台轨迹控制器组装而成，这样做的后果是工业机器人不仅增加了成本而且增加了体积，庞大而笨重不便移动严重制约了工业机器人的环境适应能力。更为重要的是，现有工业机器人伺服系统和控制系统多数采用DSP作为运算核心，这种方式严重制约了多轴协同工作的实时性，因此有必要开发和设计一种伺服驱动与轨迹规划硬件一体化的，体积更小，单位功率密度更高，多轴同时并行工作的工业机器人伺服系统。

发明内容：

针对上述现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种多轴工业机器人伺服系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种多轴工业机器人伺服系统，包括机器人伺服控制器母板、交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元。

所述的第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4结构完全相同，每个伺服电机功率驱动板卡包括第一智能IPM模块P1、第二智能IPM模块P2、第一电流采样单元D1、第二电流采样单元D2、第一光耦隔离单元U1、第二光耦隔离单元U2；

所述的第一智能IPM模块P1的输出端口与第一电流采样单元D1的输入端口连接，第一光耦隔离单元U1的输出端口与第一智能IPM模块P1的输入端口连接，所述的第二智能IPM模块P2的输出端口与第二电流采样单元D2的输入端口连接，第二光耦隔离单元U2的输出端口与第二智能IPM模块P2的输入端口连接；

所述FPGA核心单元与每个伺服电机功率驱动板卡的第一电流采样单元D1的输出端口、第二电流采样单元D2的输出端口、第一光耦隔离单元U1的输入端口、第二光耦隔离单元U2的输入端口连接；FPGA核心单元与EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口和电路保护单元均为并行连接，交流市电输入整流滤波单元与每个伺服电机功率驱动板卡的第一智能IPM模块P1、第二智能IPM模块P2的输入端连接，所述的交流市电输入整流滤波电路模块的输出端与辅助电源板卡的输入端连接，辅助电源板卡给所有模块供电；交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元均为板卡结构通过接插件连接在机器人伺服控制器母板上。

所述的一种多轴工业机器人伺服系统，控制核心为单片FPGA，FPGA核心单元与第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4采用并行连接，第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4均可同时驱动控制两台伺服电机，即有单片FPGA构成的核心控制单元可同时驱动4块功率板卡，可同时控制8个伺服电机独立运行工作。

所述的多轴工业机器人伺服系统采用模块化及板卡式安装结构，即有一块安装有单片FPGA的伺服控制器母板和多块安装有IPM模块的功率驱动板卡组成，两者之间通过接插件直接插拨，第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4的电路和结构完全相同，根据需要最多可同时安装4个伺服电机功率驱动板卡。FPGA核心单元与第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT单元、伺服电机编码器单元、散热风扇板和伺服系统保护单元通过各个IO口连接。辅助电源板卡也通过接插件与母板连接，为伺服系统的FPGA核心单元、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、散热风扇板、EtherCAT单元等模块提供24V、12V、5V和3.3V等多路直流电源。

所述的一种多轴工业机器人伺服系统，兼容了多种通信接口：如EtherCAT工业以太网、CANBUS、RS485；所述的伺服电机编码器接口不限编码器类型，可以兼容增量式、绝对式以及混合式的伺服电机。

本发明采用上述技术方案所具有的有益效果是：将工业机器人的两大电控系统：伺服驱动系统和轨迹控制系统合二为一，三维立体板卡安装结构，最大化利用了空间体积，一个FPGA核心单元集成多个PMSM的控制逻辑，并同时实时完成多轴的轨迹规划，节约了资源和成本；高压功率电源和低压控制电源隔离，控制信号和功率信号隔离，保证了伺服系统安全稳定运行；采用FPGA作为主控芯片，响应速度快，各轴同步度更高，且FPGA有限状态机的方式，更能灵活处理伺服系统的错误信息和严重警告；模块化的硬件结构，使得适配不同功率的电机时只需在电源功率容量允许范围内更换驱动板卡即可即可，并不需要更换主控部分和其他接口模块，因而更具灵活性；具有较好的实际价值和开阔的应用前景。

附图说明:

图1.多轴工业机器人伺服结构示意图；

图2.双轴驱动板卡结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明一种多轴工业机器人伺服系统，包括机器人伺服控制器母板、交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元。

FPGA核心单元与第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4的一端、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口和电路保护单元均为并行连接，交流市电输入整流滤波单元分别与第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4的另一端并行连接，交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元均为板卡结构通过接插件连接在机器人伺服控制器母板上；

伺服电机功率驱动板卡包括第一智能IPM模块P1、第二智能IPM模块P2、第一电流采样单元D1、第二电流采样单元D2、第一光耦隔离单元U1、第二光耦隔离单元U2；

第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4均可同时驱动2台伺服电机，第一智能IPM模块P1与第一电流采样单元D1、第一光耦隔离单元U1相连接；第二智能IPM模块P2与第二电流采样单元D2、第二光耦隔离单元U2相连接；所述第一光耦隔离单元U1、第二光耦隔离单元U2、第一电流采样单元D1、第二电流采样单元D2的与机器人伺服控制器母板上的FPGA核心单元连接；

所述的一种多轴工业机器人伺服系统，控制核心为单片FPGA，FPGA核心单元与第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4采用并行连接，第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4均可同时驱动控制两台伺服电机，即有单片FPGA构成的核心控制单元可同时驱动4块功率板卡，可同时控制8个伺服电机独立运行工作。

所述的多轴工业机器人伺服系统采用模块化及板卡式安装结构，即有一块安装有单片FPGA的伺服控制器母板和多块安装有IPM模块的功率驱动板卡组成，两者之间通过接插件直接插拨，第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4的电路和结构完全相同，根据需要最多可同时安装4个伺服电机功率驱动板卡。FPGA核心单元与第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT单元、伺服电机编码器单元、散热风扇板和伺服系统保护单元通过各个IO口连接。辅助电源板卡也通过接插件与母板连接，为伺服系统的FPGA核心单元、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、散热风扇板、EtherCAT单元等模块提供24V、12V、5V和3.3V等多路直流电源。

所述的一种多轴工业机器人伺服系统，兼容了多种通信接口：如EtherCAT工业以太网、CANBUS、RS485；所述的伺服电机编码器接口不限编码器类型，可以兼容增量式、绝对式以及混合式的伺服电机。

Claims (2)

1.一种多轴工业机器人伺服系统，其特征在于：包括机器人伺服控制器母板、交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元；

所述的第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4结构完全相同，每个伺服电机功率驱动板卡包括第一智能IPM模块P1、第二智能IPM模块P2、第一电流采样单元D1、第二电流采样单元D2、第一光耦隔离单元U1、第二光耦隔离单元U2；

所述的第一智能IPM模块P1的输出端口与第一电流采样单元D1的输入端口连接，第一光耦隔离单元U1的输出端口与第一智能IPM模块P1的输入端口连接，所述的第二智能IPM模块P2的输出端口与第二电流采样单元D2的输入端口连接，第二光耦隔离单元U2的输出端口与第二智能IPM模块P2的输入端口连接；

所述FPGA核心单元与每个伺服电机功率驱动板卡的第一电流采样单元D1的输出端口、第二电流采样单元D2的输出端口、第一光耦隔离单元U1的输入端口、第二光耦隔离单元U2的输入端口连接；FPGA核心单元与EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口和电路保护单元均为并行连接，交流市电输入整流滤波单元与每个伺服电机功率驱动板卡的第一智能IPM模块P1、第二智能IPM模块P2的输入端连接，所述的交流市电输入整流滤波电路模块的输出端与辅助电源板卡的输入端连接，辅助电源板卡给所有模块供电；交流市电输入整流滤波电路模块、FPGA核心单元、辅助电源板卡、第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4、EtherCAT通信接口单元、伺服电机编码器接口、电路保护单元和散热风扇单元均为板卡结构通过接插件连接在机器人伺服控制器母板上。

2.根据权利要求1所述的一种多轴工业机器人伺服系统，其特征在于：所述的第一伺服电机功率驱动板卡K1至第四伺服电机功率驱动板卡K4均可同时驱动控制两台伺服电机，即由单片FPGA构成的核心控制单元可同时驱动4块功率板卡，可同时控制8个伺服电机独立运行工作。