CN109318216A - 多轴伺服驱控系统及机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机的控制领域，提供的多轴伺服驱控系统，包括电气控制柜和执行装置；电气控制柜中设有运动控制单元、伺服驱动单元以及至少两个功率模块，伺服驱动单元与运动控制单元电连接，各功率模块均与伺服驱动单元电连接；执行装置上设有一个解码模块和至少两个电机模块，各电机模块与各功率模块一一对应，且各电机模块与对应的功率模块电连接，各电机模块的编码器均与解码模块电连接解码模块向伺服驱动控制单元输出信号。提供的机器人系统采用前述的多轴伺服驱控系统。通过在执行装置上设置单独的解码模块，减少了电气控制柜与执行装置之间的布线数量，降低了布线成本，并且使多轴伺服驱控系统的布线变得简单，有利于安装和维护。

Description

多轴伺服驱控系统及机器人系统
技术领域
本发明涉及电机的控制领域，具体是涉及一种多轴伺服驱控系统及机器人系统。
背景技术
机器人采用伺服电机来驱动执行部件，极大的提高了工业生产的效率，促进了产业升级，然而由于工业上对机器人的要求越来越高，机器人需要执行的任务变得越来越复杂，同一机器人所涉及的伺服电机数量也越来越多，这就导致机器人与电气控制柜之间的走线数量越来越多，使得机器人与电气控制柜之间的走线变得越来越混乱和复杂，不利于工作人员对电机伺服驱控系统的维修和管理。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种执行装置与电气控制柜之间走线简单的多轴伺服驱控系统。
本发明的另一目的是提供一种机器人与电气控制柜之间走线简单的空调器。
为了实现上述的主要目的，本发明提供的多轴伺服驱控系统，包括电气控制柜和执行装置；电气控制柜中设有运动控制单元、伺服驱动单元以及至少两个功率模块，伺服驱动单元与运动控制单元电连接，各功率模块均与伺服驱动单元电连接；执行装置上设有一个解码模块和至少两个电机模块，各电机模块与各功率模块一一对应，且各电机模块与对应的功率模块电连接，各电机模块的编码器均与解码模块电连接，解码模块向伺服驱动控制单元输出信号。
由上可见，本发明通过对多轴伺服驱控系统的设置和结构设计，通过在执行装置上设置单独的解码模块，减少了电气控制柜与执行装置之间的布线数量，降低了布线成本，并且使多轴伺服驱控系统的布线变得简单，有利于多轴伺服驱控系统的安装和维护，此外，多轴伺服驱动单元由于不再需要进行解码计算，因此还有利于降低多轴伺服驱动单元的计算负荷，提升控制效率。
一个优选的方案是，伺服驱动单元包括多轴伺服驱动器，伺服驱动器设为一个，各功率模块均与多轴伺服驱动器电连接。
由上可见，这样从运动控制器发出的控制信号经同一个多轴伺服驱动器处理后控制多台电机，节省了伺服驱动器的数量，缩小了多轴伺服驱控系统的体积，增进了各台电机之间运作的协调性，具有成本低、体积小及性能好的优点。
进一步的方案是，多轴伺服驱动器为第一片上芯片，第一片上芯片集成有第一处理器和第二处理器，第一处理器与运动控制器电连接，第二处理器与各功率模块电连接。
更进一步的方案是，第一处理器为ARM处理器。
由上可见，采用ARM处理器便于连接外设，便于工作人员通过外设反馈的信息掌握多轴伺服驱控系统的运行状态。
更进一步的方案是，第二处理器为第一现场可编程门阵列。
由上可见，采用现场可编程门阵列有利于提升多轴伺服驱控系统的经济性。
进一步的方案是，运动控制单元包括运动控制器，运动控制器与多轴伺服驱动器集成于同一块印制电路板上，且运动控制器与多轴伺服驱动器采用板级并行总线通信。
由上可见，相较于工业以太网总线通讯，采用局部总线的板级通信方式通信速率快、通信数据量大且可靠性好。
更进一步的方案是，运动控制器为第二片上芯片，第二片上芯片内集成有第三处理器和第四处理器。
再进一步的方案是，第三处理器为DSP处理器。
再进一步的方案是，第四处理器为ARM处理器。
由上可见，DSP处理器与ARM处理器协同互补，有利于提升运动控制器的性能。
更进一步的方案是，运动控制器与多轴伺服驱动器通过局部总线进行通信。
由上可见，局部总线的板级通信方式数据传输速率快，有利于多轴伺服驱控系统的高效运行。
进一步的方案是，多轴伺服驱控系统还包括储能电容和电压保护模块，储能电容设于功率模块的供电线路上，电压保护模块电连接储能电容及第二处理器。
更进一步的方案是，电压保护模块包括过电压保护模块和/或欠电压保护模块。
另一个优选的方案是，解码模块包括第二现场可编程门阵列。
再一个优选的方案是，多轴伺服驱控系统还包括智能终端，智能终端与运动控制器电连。
又一个优选的方案是，多轴伺服驱控系统还包括还设有监控设备，监控设备与多轴伺服驱动器电连。
又一个优选的方案是，伺服驱动控制器上设有至少一个预留I/O接口。
还一个优选的方案是，功率模块设为六个，电机模块设为六个。
为了实现上述的另一目的，本发明提供的机器人系统包括前述的多轴伺服驱控系统，执行装置为机器人。
由上可见，由于采用前述的多轴伺服驱控系统，减少了电气控制柜与机器人之间的布线数量，降低了布线成本，并且使多轴伺服驱控系统的布线变得简单，有利于多轴伺服驱控系统的安装和维护，此外，多轴伺服驱动单元由于不再需要进行解码计算，因此还有利于降低多轴伺服驱动单元的计算负荷，提升控制效率。
附图说明
图1是本发明多轴伺服驱控系统实施例的结构图；
图2是图1中运动控制器的内部结构示意图；
图3是图1中多轴伺服驱动器的内部结构示意图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
多轴伺服驱控系统实施例：
本实施例的多轴伺服驱控系统包括电气控制柜100和执行装置200，例如电气控制柜100和机械手。
电气控制柜100中设有三相电的整流模块101、电源模块102、储能电容103、过欠电压保护模块104、运动控制器105、多轴伺服驱动器106以及六个功率模块，六个功率模块分别为功率模块一107、功率模块二108、功率模块三109、功率模块四110、功率模块五111和功率模块六112。
多轴伺服驱动器106包括一块第一片上芯片，运动控制器105包括一块第二片上芯片，第一片上芯片及第二片上芯片集成于同一块印制电路板(Printed circuit board，PCB)上。
优选地，第一片上芯片采用altera公司的cyclone系列SOC芯片，第一片上芯片集成有一个ARM处理器1061和一个现场可编程门阵列1062(FPGA)，第一片上芯片设有并行通信接口1063、USB接口1064以及RS232接口1065，第一片上芯片内的ARM处理器1061与现场可编程门阵列1062采用内部总线进行通信。
第二片上芯片集成有ARM处理器1052和DSP处理器1051，第二片上芯片上设有并行通信接口1053、以太网接口1054以及RS485接口1055，第二片上芯片内的ARM处理器1052与DSP处理器1051之间采用芯片内部总线进行通信。
第一片上芯片与第二片上芯片集成于同一块印制电路板上，并且第一片上芯片与第二片上芯片通过印制电路板上印制的信号线直接通信，相较于工业以太网总线等通讯方式，采用局部总线的板级通信方式通信速率快、通信数据量大、抗干扰性强且可靠性好。优选地，第一片上芯片与第二片上芯片采用局部总线(local bus)实现板级通信。具体地，第一片上芯片与第二片上芯片采用PCI总线或GPMC总线通信，通信速率能达到几百兆甚至1GB。
220V的三相电接入电气控制柜100后经整流模块101和储能电容103滤波后形成310V直流母线电压为六个功率模块供电，此外过欠电压保护模块104采集母线电压后输送到第一片上芯片上的现场可编程门阵列进行保护控制；三相电中的两相与电源模块102连接，为电源模块102供电，电源模块102为运动控制器105及多轴伺服驱动器106供电。
执行装置200上设有解码模块和六个电机模块，六个电机模块分别为电机模块一201、电机模块二202、电机模块三203、电机模块四204、电机模块五205及电机模块六206，六个电机模块各自设有一个编码器，六个编码器分别为编码器一207、编码器二208、编码器三209、编码器四210、编码器五211以及编码器六212，电机模块一201与功率模块一107电连接，电机模块二202于功率模块二108电连接，电机模块三203与功率模块三109电连接，电机模块四204与功率模块四110电连接，电机模块五205与功率模块五111电连接，电机模块六206与功率模块六112电连接，各电机模块的编码器均与解码模块213电连接，六个解码模块分别将六台电机的位置信息等运行状态信息解析后通过串行总线的方式发送至第一片上芯片，形成电机的闭环控制，串行总线的实现方式可以是CAN总线、Ethercat总线等，解码模块213具体可以采用现场可编程门阵列(FPGA)。在执行装置200上设置单独的解码模块213，减少了电气控制柜100与执行装置200之间的布线数量，降低了布线成本，并且使多轴伺服驱控系统的布线变得简单，有利于多轴伺服驱控系统的安装和维护，此外，第一片上芯片由于不再需要进行解码计算，因此还有利于降低第一片上芯片的计算负荷，提升多轴伺服驱控系统的控制效率。
同一个多轴伺服驱动器106连接六个功率模块，这样从运动控制器105发出的控制信号经同一个多轴伺服驱动器106处理后控制6台电机，节省了伺服驱动器的数量，精简了多轴伺服驱控系统的组成，有利于缩小多轴伺服驱控系统的体积，此外，采用同一个多轴伺服驱动器106统一控制6台电机，有利于增进各台电机之间运作的协调性，有利于执行装置200的运行。
功率模块可以选用IGBT模块或IPM模块等。
优选地，多轴伺服驱控系统还包括监控设备116，监控设备116连接于第一片上芯片的USB接口1064或RS232接口1065，监控设备116可以是笔记本电脑、平板电脑等智能设备，监控设备116从第一片上芯片接收各电机模块控制及运行状态等参数，并将这些参数进行分析处理和显示。
优选地，多轴伺服驱控系统还包括工控智能设备115，例如工控机或专用示教器，工控智能设备连接于第二片上芯片的以太网接口。
优选地，第二片上芯片的RS485接口为预留I/O接口，便于控制其它外部I/O设备114与执行装置200的电机模块协同运作。例如，预留RS485接口1055，第二片上芯片的RS485接口1055通过I/0设备控制模块113连接报警灯，在电机模块工作异常时第二片上芯片可以通过控制报警灯闪烁来提醒操作人员，其中I/O设备控制模块113可以是现场可编程门阵列(FPGA)。
机器人系统实施例：
本实施例的机器人系统采用前述的多轴伺服驱控系统，在机器人上增设解码模块213，使得机器人与电气控制柜100之间的布线数量减少，降低了布线成本，并且使机器人与电气控制柜100之间的布线变得简单，有利于机器人系统的安装和维护，此外，多轴伺服驱动器106由于不再需要进行解码计算，因此还有利于降低多轴伺服驱动器106的计算负荷，提升控制效率。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.多轴伺服驱控系统，包括电气控制柜和执行装置；
其特征在于：
所述电气控制柜中设有运动控制单元、伺服驱动单元以及至少两个功率模块，所述伺服驱动单元与所述运动控制单元电连接，各所述功率模块均与所述伺服驱动单元电连接；
所述执行装置上设有一个解码模块和至少两个电机模块，各所述电机模块与各所述功率模块一一对应，且各所述电机模块与对应的所述功率模块电连接，各所述电机模块的编码器均与所述解码模块电连接，所述解码模块向所述伺服驱动控制单元输出信号。
2.根据权利要求1所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述伺服驱动单元包括多轴伺服驱动器，所述伺服驱动器设为一个，各功率模块均与所述多轴伺服驱动器电连接。
3.根据权利要求2所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述多轴伺服驱动器为第一片上芯片，所述第一片上芯片集成有第一处理器和第二处理器，所述第一处理器与所述运动控制器电连接，所述第二处理器与各所述功率模块电连接。
4.根据权利要求3所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述第一处理器为ARM处理器。
5.根据权利要求3所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述第二处理器为第一现场可编程门阵列。
6.根据权利要求3至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述运动控制单元包括运动控制器，所述运动控制器与所述多轴伺服驱动器集成于同一块印制电路板上，且所述运动控制器与所述多轴伺服驱动器采用板级并行总线通信。
7.根据权利要求6所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述运动控制器为第二片上芯片，所述第二片上芯片内集成有第三处理器和第四处理器。
8.根据权利要求7所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述第三处理器为DSP处理器。
9.根据权利要求7所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述第四处理器为ARM处理器。
10.根据权利要求6所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述运动控制器与所述多轴伺服驱动器通过局部总线进行通信。
11.根据权利要求3至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述多轴伺服驱控系统还包括储能电容和电压保护模块，所述储能电容设于所述功率模块的供电线路上，所述电压保护模块电连接所述储能电容及所述第二处理器。
12.根据权利要求11所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述电压保护模块包括过电压保护模块和/或欠电压保护模块。
13.根据权利要求1至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述解码模块包括第二现场可编程门阵列。
14.根据权利要求1至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述多轴伺服驱控系统还包括智能终端，所述智能终端与所述运动控制器电连。
15.根据权利要求1至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述多轴伺服驱控系统还包括监控设备，所述监控设备与所述多轴伺服驱动器电连。
16.根据权利要求1至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述伺服驱动控制器上设有至少一个预留I/O接口。
17.根据权利要求1至5任一项所述的多轴伺服驱控系统，其特征在于：
所述功率模块设为六个，所述电机模块设为六个。
18.机器人系统，其特征在于：
所述机器人系统包括如权利要求1至17任一项所述的多轴伺服驱控系统，所述执行装置为机器人。
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