CN110752809A - 多轴伺服电机电流环的控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多轴伺服电机电流环的控制系统及其方法，所述控制系统包括AD采样控制模块、编码器反馈处理模块、主控模块、多个任务处理模块以及SVPWM输出模块；AD采样控制模块输出数字的电流采样值；编码器反馈处理模块输出电角度信息；主控模块根据伺服电机的电流处理任务、以及对应的任务处理模块的任务完成信号，启动任务处理模块进行处理；SVPWM输出模块输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。本申请通过主控模块发送和接收事件的方式控制任务处理模块对电流处理任务进行处理，实现任务处理模块的按需调度，减小任务处理模块的等待时间，提高硬件利用率，提升电流环和整个伺服系统的响应速度。
Description
技术领域
本申请涉及控制技术领域，尤其涉及一种多轴伺服电机电流环的控制系统及其方法。
背景技术
运动控制系统通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，改变工作机械的转矩、速度、位移等变量，使得工作机械按照人们的期望运行。运动控制系统一般由运动控制器、交流伺服驱动器、伺服电机、负载及相关的传感器等组成。运动控制器下达指令，通过交流伺服驱动器转化为能够驱动伺服电机的电流，使伺服电机旋转，带动工作机械运行；同时，伺服电机上的传感器将伺服电机的实时信息反馈给运动控制器，以便运动控制器实时调整，从而保证整个系统的稳定运转。
多轴交流伺服驱动器可以驱动多个伺服电机，多轴交流伺服驱动器专用集成芯片中电流环的处理大量使用硬件处理电路，因此任务处理能力强，在驱动多个伺服电机时，一般可以通过硬件时分复用的方式采用一套硬件完成多个伺服电机的任务处理，提高芯片内部电路的利用率，减小芯片电路和成本。
在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术存在以下问题：传统的硬件时分复用方式主要通过类似流水线的设计来实现，但是因为电流环需要处理的任务种类和数量较多，它们需要的处理时间各不相同，而流水线设计只能按耗时最长的任务进行设计，提前完成任务的硬件只能进入等待状态，因此效率低，不利于提高电流环的响应速度。
发明内容
本申请的主要目的在于提出一种多轴伺服电机电流环的控制系统及其方法，旨在解决现有硬件时分复用方式存在的硬件利用率低、电流环的响应速度慢的问题。
为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种多轴伺服电机电流环的控制系统，所述控制系统包括AD采样控制模块、编码器反馈处理模块、主控模块、多个任务处理模块以及SVPWM输出模块；
所述AD采样控制模块，用于获取伺服电机的模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值；
所述编码器反馈处理模块，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号，并将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息；
所述主控模块，用于在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，以使得所述多个任务处理模块根据所述数字的电流采样值、所述电角度信息以及所述电流调节指令输出SVPWM生成信号；
所述SVPWM输出模块，用于根据所述SVPWM生成信号，输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。
此外，为实现上述目的，本申请实施例第二方面提供一种多轴伺服电机电流环的控制方法，所述控制方法包括：
AD采样控制模块获取伺服电机的模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值；
编码器反馈处理模块接收外部的位置反馈元件的反馈信号，并将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息；
主控模块在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，以使得所述多个任务处理模块根据所述数字的电流采样值、所述电角度信息以及所述电流调节指令输出SVPWM生成信号；
SVPWM输出模块根据所述SVPWM生成信号，输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。
本申请实施例提供的多轴伺服电机电流环的控制系统及其方法，通过主控模块发送和接收事件的方式控制任务处理模块对电流处理任务进行处理，实现任务处理模块的按需调度，减小任务处理模块的等待时间，提高硬件利用率，提升电流环和整个伺服系统的响应速度。
附图说明
图1为本申请实施例的多轴伺服电机电流环的控制系统示意图；
图2为本申请实施例的多轴伺服电机电流环的控制系统中主控模块示意图；
图3为本申请实施例的多轴伺服电机电流环的控制系统中主控模块与任务处理模块的处理过程示意图；
图4为本申请实施例的多轴伺服电机电流环的控制系统中任务存储单元的具体示例示意图；
图5为本申请实施例的多轴伺服电机电流环的控制方法流程示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
现在将参考附图描述实现本申请各个实施例的。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身并没有特定的意义。
第一实施例：
如图1所示，本申请第一实施例提供一种多轴伺服电机电流环的控制系统，所述控制系统包括AD采样控制模块11、编码器反馈处理模块12、主控模块13、多个任务处理模块14以及SVPWM输出模块15；
所述AD采样控制模块11，用于获取伺服电机的模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值；
在一实施例中，所述AD采样控制模块11包括依次连接的采样保持电路、模拟多路开关以及AD转换电路(附图未示出)；
所述采样保持电路，用于获取伺服电机的模拟的电流采样值；
所述AD转换电路，用于通过所述模拟多路开关获取模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值。
所述编码器反馈处理模块12，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号，并将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息；
在一实施例中，所述编码器反馈处理模块12包括依次连接的编码器接口电路以及编码器信号处理模块(附图未示出)；
所述编码器接口电路，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号；
所述编码器信号处理模块，用于将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息。
所述主控模块13，用于在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块(图中任务处理模块1～任务处理模块n中的一个或多个)的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，以使得所述多个任务处理模块14根据所述数字的电流采样值、所述电角度信息以及所述电流调节指令输出SVPWM生成信号；
在本实施例中，所述任务处理模块包括电流调理模块、Clark变换模块、Park变换模块、PID调节器、iPark变换模块、正余弦计算模块、SVPWM生成模块中的至少一种。
所述SVPWM输出模块15，用于根据所述SVPWM生成信号，输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。
请参考图2所示，在本实施例中，所述主控模块13包括任务调度单元131、任务存储单元132以及接口单元133；
所述任务调度单元131，用于将所述伺服电机的电流处理任务写入到所述任务存储单元132；
所述接口单元133，用于检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号；在检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，将所述电流处理任务的启动信号输出给所述电流处理任务对应的任务处理模块，以启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理。
在本实施例中，所述接口单元133，还用于在没有检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，继续检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号。
为了更好地理解本申请实施例的多轴伺服电机电流环的控制系统，以下结合图3-图4进行说明：
电流环的电流处理任务一般包括电流调理、Clark变换、Park变换、PID调节、iPark变换、正余弦计算以及SVPWM生成。它们耗时各不相同，如果通过类似流水线的方式实现各个电流处理任务，只能按耗时最长的任务进行，提前完成任务的硬件只能进入等待状态，因此效率低，不利于提高电流环的响应速度。
本申请实施方式在伺服驱动器芯片内部用硬件实现上述任务的管理和存储，芯片内部为电流调理、Clark变换、Park变换、PID调节、iPark变换、正余弦计算以及SVPWM生成设置独立的任务存储单元和管理单元，这些单元由主控模块进行统一协调。如图3所示，图中1至n号任务存储单元和任务处理模块分别实现电流调理、Clark变换、Park变换、PID调节、iPark变换、正余弦计算以及SVPWM生成的功能。
以电流调理功能(主要用于接收所述AD采样控制模块输出的各电机轴的数字的电流采样值，对数字的电流采样值进行调理运算输出对应轴号电机的电流调理值)为例，针对各个伺服电机的电流调理任务被任务调度单元写入到任务存储单元的任务存储子单元中，写指针、读指针、空满指示等逻辑电路用于产生写地址、读地址和任务满、任务近满(接近满)、任务空等信号。接口单元检测来自电流调理模块的任务完成信号，即等待任务完成事件，收到任务完成事件后，接口单元输出新的任务，同时发出任务启动时间，启动电流调理模块进行处理。
任务存储单元可采用寄存器堆方式存储任务，如图4所示，任务由任务调度单元依次写入到电流调理模块的任务存储单元中，任务完成后，接口单元从任务存储单元读出一个任务输出到电流调理模块，任务完成后再依次取出第二个事件进行处理，直到所有事件处理完毕。
以伺服驱动器驱动第k轴为例，主控模块接收来自多轴伺服驱动器针对第k伺服电机的电流调节指令后，触发电流调理事件以启动电流调理模块，处理完毕后电流调理模块发出电流调理处理完毕事件，主控模块收到后，触发Clark变换事件启动Clark变换模块，如此类推完成对k轴整个电流环处理，并最终输出相应的SVPWM信号给伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。伺服驱动器驱动多个伺服电机与此类似，不同之处在于，一个伺服电机请求的处理资源有可能正被用于处理其他伺服电机。当所请求的处理资源(例如电流调理模块)被占用时，需要等待，直到该资源被释放，并且主控模块同意把该资源用于当前请求中。
本申请实施例提供的多轴伺服电机电流环的控制系统，通过主控模块发送和接收事件的方式控制任务处理模块对电流处理任务进行处理，实现任务处理模块的按需调度，减小任务处理模块的等待时间，提高硬件利用率，提升电流环和整个伺服系统的响应速度。
第二实施例：
参照图5，图5为本申请第二实施例提供的多轴伺服电机电流环的控制方法，所述控制方法包括：
步骤S21、AD采样控制模块获取伺服电机的模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值；
步骤S22、编码器反馈处理模块接收外部的位置反馈元件的反馈信号，并将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息；
步骤S23、主控模块在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，以使得所述多个任务处理模块根据所述数字的电流采样值、所述电角度信息以及所述电流调节指令输出SVPWM生成信号；
步骤S24、SVPWM输出模块根据所述SVPWM生成信号，输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。
在本实施例中，所述任务处理模块包括电流调理模块、Clark变换模块、Park变换模块、PID调节器、iPark变换模块、正余弦计算模块、SVPWM生成模块中的至少一种。
在一实施例中，所述主控模块包括任务调度单元、任务存储单元以及接口单元；
所述主控模块在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，包括：
所述任务调度单元将所述伺服电机的电流处理任务写入到所述任务存储单元；
所述接口单元检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号；在检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，将所述电流处理任务的启动信号输出给所述电流处理任务对应的任务处理模块，以启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理。
在一实施例中，所述接口单元检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，之后还包括：
所述接口单元在没有检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，继续检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号。
本申请实施例提供的多轴伺服电机电流环的控制方法，通过主控模块发送和接收事件的方式控制任务处理模块对电流处理任务进行处理，实现任务处理模块的按需调度，减小任务处理模块的等待时间，提高硬件利用率，提升电流环和整个伺服系统的响应速度。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种多轴伺服电机电流环的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括AD采样控制模块、编码器反馈处理模块、主控模块、多个任务处理模块以及SVPWM输出模块；
所述AD采样控制模块，用于获取伺服电机的模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值；
所述编码器反馈处理模块，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号，并将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息；
所述主控模块，用于在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，以使得所述多个任务处理模块根据所述数字的电流采样值、所述电角度信息以及所述电流调节指令输出SVPWM生成信号；
所述SVPWM输出模块，用于根据所述SVPWM生成信号，输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述主控模块包括任务调度单元、任务存储单元以及接口单元；
所述任务调度单元，用于将所述伺服电机的电流处理任务写入到所述任务存储单元；
所述接口单元，用于检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号；在检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，将所述电流处理任务的启动信号输出给所述电流处理任务对应的任务处理模块，以启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述接口单元，还用于在没有检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，继续检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号。
4.根据权利要求1-3任一所述的控制系统，其特征在于，所述任务处理模块包括电流调理模块、Clark变换模块、Park变换模块、PID调节器、iPark变换模块、正余弦计算模块、SVPWM生成模块中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述AD采样控制模块包括依次连接的采样保持电路、模拟多路开关以及AD转换电路；
所述采样保持电路，用于获取伺服电机的模拟的电流采样值；
所述AD转换电路，用于通过所述模拟多路开关获取模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述编码器反馈处理模块包括依次连接的编码器接口电路以及编码器信号处理模块；
所述编码器接口电路，用于接收外部的位置反馈元件的反馈信号；
所述编码器信号处理模块，用于将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息。
7.一种多轴伺服电机电流环的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
AD采样控制模块获取伺服电机的模拟的电流采样值，并将模拟的电流采样值转换为数字的电流采样值；
编码器反馈处理模块接收外部的位置反馈元件的反馈信号，并将所述反馈信号进行处理后输出电角度信息；
主控模块在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，以使得所述多个任务处理模块根据所述数字的电流采样值、所述电角度信息以及所述电流调节指令输出SVPWM生成信号；
SVPWM输出模块根据所述SVPWM生成信号，输出SVPWM信号给对应轴的伺服电机驱动电路以驱动伺服电机。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述主控模块包括任务调度单元、任务存储单元以及接口单元；
所述主控模块在接收到伺服电机的电流调节指令的情况下，根据伺服电机的电流处理任务、以及所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理，包括：
所述任务调度单元将所述伺服电机的电流处理任务写入到所述任务存储单元；
所述接口单元检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号；在检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，将所述电流处理任务的启动信号输出给所述电流处理任务对应的任务处理模块，以启动所述电流处理任务对应的任务处理模块进行处理。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述接口单元检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号，之后还包括：
所述接口单元在没有检测到所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号的情况下，继续检测所述电流处理任务对应的任务处理模块的任务完成信号。
10.根据权利要求7-9任一所述的控制方法，其特征在于，所述任务处理模块包括电流调理模块、Clark变换模块、Park变换模块、PID调节器、iPark变换模块、正余弦计算模块、SVPWM生成模块中的至少一种。
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