CN109739143A - 一种用于profinet从站的伺服驱动器设计方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PROFINET从站的伺服驱动器设计方案，该方案设计包括协议转换电路板、电机控制电路板、电机驱动电路板以及各板级间的连接器，协议转换电路板用于接收发送外部控制器和电机控制电路板上的命令数据信息，电机控制电路板板用于接收协议转换电路板的控制命令，并接收电机驱动电路板上的信息用于自身处理和传输给外部控制器；电机驱动电路板用于接收电机控制命令和采集电机运行状态信息并反馈回电机控制电路板；三块板级之间通过连接器进行命令与数据的传输。本发明提供的伺服驱动器设计方案，解决伺服驱动器作为PROFINET从站的兼容性问题，同时实现伺服驱动器模块化设计，在升级和扩展方面提供了更大的可操作性。

Description

一种用于PROFINET从站的伺服驱动器设计方案

技术领域

本发明属于工业机器人与数控机床伺服驱动器控制领域，具体涉及一种用于PROFINET从站的应用于工业协作机器人和数控机床的交流电机伺服驱动器。

技术背景

伺服驱动器是工业机器人和数控机床控制中的重要部件，可用于对工业机器人关节和数控机床转轴的伺服控制，其可以根据实际加工操作需要，能够输出确定的力矩、速度和旋转角度。在工业生产中过程中对伺服驱动器的控制往往是基于工业总线对其进行控制，而在伺服驱动器控制下的伺服电机需要具有响应速度快和控制精度高等要求。对于这些要求，在PROFIBUS总线技术上发展起来的PROFINET总线技术具有满足上述要求的性能。并且PROFINET总线可以无缝集成PROFIBUS,ASI,Interbus等已有的现场总线系统。

在对协作型工业机器人和数控机床进行实际控制过程中，需要对机器人和数控机床多轴进行同步协调控制，而限于主控制器处理性能，单纯依靠主控制器通过工业总线对多轴关节很难做到同步性能很高的协调控制，而如果能够实现从设备与从设备间的数据通信和控制，就可以大大提高系统的实时性，实现机器人和数控机床多轴的同步协调控制。

现有的伺服驱动器通常通过闭环控制来实现伺服电机的力矩控制、速度控制或位置控制，在性能要求不高的情况下，伺服驱动器生产厂商通常采用“位置环+力矩电流环”或“位置环+速度环”的方式对伺服电机进行控制，这种两环控制方式在对两种伺服电机输出进行控制的同时不能确保第三种输出会限定在可控范围内。在应用于机器人的运动控制中，对伺服电机的输出力矩、输出速度和输出位置都有一定的要求，在该类伺服驱动器控制中一般采用“位置环+速度环+电流环”的方式进行控制，将三种输出都限定在特定范围内，从而得以保证机器人关节旋转过程中的平稳性和稳定性。

发明内容

本发明针对工业机器人和数控机床多轴控制中的伺服驱动器三环控制中存在的缺陷造成工业机器人和数控机床实时性差和难以使嵌入式伺服控制系统支持PROFINET网络作为从站等问题，提出一种用于 PROFINET从站的工业机器人和数控机床伺服驱动器的硬件系统设计方案，实现对工业机器人和数控机床进行实时性控制和支持伺服驱动器通过PROFINET总线进行控制。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于PROFINET从站的伺服驱动器设计方案，包括用于协议转换的电路板、用于伺服驱动器控制的控制板、用于驱动交流伺服电机的驱动板以及相关板级连接器。

所述协议转换电路板，主要部件包括双以太网口作为PROFINET物理硬件接口与工业总线连接，用于接收发送伺服控制相关的指令和数据，接收到的外部数据和命令存放在外部SRAM存储器中，然后通过 PROFINET ASIC芯片对接收到的控制指令和数据进行格式协议转换，协议转换程序主要存放在外部Flash 存储器中，转换完成的数据命令再通过连接器一传递给控制板。同时控制板也可以将采集到的伺服电机运行状态信息通过连接器二传递给协议转换电路板，协议转换电路板对伺服电机运行状态信息进行格式转换，转换完成后可以将这些信息通过PROFINET接口传输到工业总线上，最终传递给主控制器。

所述的控制板介于协议转换电路板和驱动板之间，起到信息中转和控制算法计算等作用，控制板板上主控制器采用ARM芯片，控制板可以采集驱动板传来的采样电流数据、采样电压数据和接收伺服电机编码器传来的速度位置数据，ARM主控制器通过空间矢量控制算法对接收到的这些信息进行计算，实现对伺服电机的“位置环+速度环+电流环”的三环控制。另外ARM主控制器接收到协议转换电路板传来的电机控制命令信息并对这些信息进行运算处理，再对驱动板进行控制和将电机运行状态信息传递给协议转换电路。

所述的驱动板用于直接驱动伺服电机，主要结构包括六个N通道MOSFET晶体管芯片搭建成的逆变桥电路、由高压高低侧驱动芯片构成的逻辑电路和由运算放大器构成的电流检测电路、电压检测电路和制动电路，另外还包括为协议转换电路、控制板和伺服电机提供电力驱动的电源电路。逻辑电路通过接收控制电路板传来的脉宽调制信号生成逻辑高低电平来驱动逆变桥电路上下桥臂上的MOSFET晶体管，MOSFET晶体管通过特定断开闭合时间来生成瞬态电流来驱动三相交流伺服电机。电流检测电路、电压检测电路和制动电路通过采样三相交流伺服电机的相电压和电流数据传递给控制电路板上的ARM主控制器进行计算处理来反映三相交流伺服电机的运行状态。

除上述主要逻辑功能外，数据转换电路板上具有PROFINET接口电路用于连接PROFINET总线网络实现与主控制器之间的数据命令交换；JTAG接口电路用于协议转换程序的编译下载；外部串行通信接口电路用于与PC机相连接进行协议转换程序的调试和数据读取；连接器一用于与控制板间进行数据和控制命令的传输。控制板上除了用于运行控制程序的ARM主控制芯片外，还具有用于程序数据存储的SRAM芯片及其外围电路，板上还具有电源供电电路；SWD接口用于控制程序的下载和调试；外部串行通信总线接口用于与PC机相连接进行程序调试和参数读取；编码器接口用于接收编码器传输来的电机速度和位置信息。MODBUS接口及其相关电路用于接收MODBUS总线数据和命令；CAN总线接口及其相关电路用于接收CAN总线上的数据和命令。控制板上除了上述对外接口，还有用于与协议转换电路相连的连接器二和与驱动板相连的连接器三，其中连接器二主要用于与协议转换电路板间的数据命令传输，连接器三主要传输信号和数据包括：用于对驱动板进行逆变控制的PWM脉宽调制信号；驱动电路板上电流检测电路采样获取的伺服电机相电流数据；驱动电路板上电压检测电路采样获取的伺服电机相电压数据；驱动电路板上制动电路传输给控制电路板的采样相电压信息和控制板发送的电机制动信号。驱动板除了上述所说的功能电路外，还包括温度检测电路、硬件保护电路、充电电路和与连接器三对应的连接器四等。

附图说明

图1是本发明中用于PROFINET从站的伺服驱动器设计方案各部分具体功能组成图。

Claims (8)

1.一种用于PROFINET从站的伺服驱动器设计方案，包括协议转换电路板、电机控制电路板、电机驱动电路板及其外围相关的一系列接口电路设计，所述的协议转换电路板用于接收PROFINET总线的控制命令转换成电机控制板能够识别的控制命令，然后通过电机控制板来控制电机驱动板上的逆变电路状态，从而实现对交流伺服电机的伺服控制。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，所述协议转换电路包括协议转换电路、PROFINET接口电路以及连接器一。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，所述协议转换电路通过PROFINET接口电路接收到来自外部控制器的控制命令，转换完成后通过连接器一将电机控制命令传输给电机控制电路板，同时协议转换电路通过连接器一接收电机控制电路板采集到的电机运行状态信息，通过转换格式通过PROFINET接口电路传送给外部控制器。

4.根据权利要求1所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，所述的电机控制电路板包括ARM主控制器、MODBUS接口电路、CAN接口电路、SWD调试接口电路、外部串行接口电路、与协议转换电路相接的连接器二以及与电机驱动电路连接的连接器三。

5.根据权利要求4所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，电机控制电路板上ARM主控制器能同时接收通过MODBUS接口电路和CAN接口电路接收到的外部控制器控制命令。

6.根据权利要求4所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，电机控制电路板上ARM主控制器通过SWD调试接口电路和外部串行接口电路来进行程序下载调试和数据显示，ARM主控制器通过连接器三来接收电机驱动电路板上采集到的电机相关数据和对电机驱动电路板进行驱动控制。

7.根据权利要求1所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，所述的电机驱动电路板包括电源电路、逆变器电路、逻辑驱动电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、制动电路、充电电路以及用于与电机控制电路板连接的连接器四。

8.根据权利要求7所述的伺服驱动器方案，其主要特征在于，所述的电机控制电路板上电压检测电路和电流检测电路检测到电机的运行状态信息并传递给控制电路板来进行对电机的状态监测从而实现对电机的闭环控制，温度检测电路和制动电路用于监测板上温度和相电压，当板上温度或相电压过高时制动电路生效完成电机的制动停止操作。