CN110768606A - 硬件模块化控驱一体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制系统领域，尤其涉及一种硬件模块化控驱一体装置。将控制模块、扩展模块和功率模块这些硬件模块化的方式集成在一起，达到控驱一体高效集成的目的，体现出控驱一体高效集成的优势。根据不同的应用场景，通过更换适应硬件模块达到高效灵活的目的，避免控驱一体系统应用的局限。摒弃了传统控制器+驱动器的控制模式，使控制和驱动集成在同一模块内，突破了毫秒级的运动控制。上述的硬件模块化方式，可实现硬件成本的阶梯控制。在常规应用场景使用成本优化的标准模块搭建控驱一体系统，在复杂应用场景，可通过更换相适应模块搭建针对性的控驱一体系统，实现针对应用场景的成本控制。

Description

硬件模块化控驱一体装置
【技术领域】
本发明涉及控制系统领域，尤其涉及一种硬件模块化控驱一体装置。
【背景技术】
过去二十年来，由于通用机床、专机设备等工业需求旺盛，工业控制系统零部件供应商所开发的控制器、驱动器、用户界面、应用软件等，均以一个独立的、多功能的、多场合兼容性的设计，这种可自由组合的柔性的设计，在一定程度上可以满足用户为机器快速实现一个相对可靠的控制系统的需求。
直到工业机器人时代的到来，不同于传统机床设备，虽然“控制器+驱动器”的方式能为机器人提供实时的多轴联动控制，但这个联动因控制器、驱动器是通过串行总线进行数据交换，使该系统只能实现毫秒级的运动控制，在一些高速高精度场合会遇上瓶颈。另外，机器人是一个非线性时变系统，其运动过程时刻承受着包括重力、摩檫力在内的外力作用，不同姿态时的作用力始终在变化，按照传统的“控制器+驱动器”的形式，驱动器各轴将独立工作在位置伺服模式，外部力的变化会影响其插补点的响应速度，导致机器人整体轨迹精度及响应速度受限，进而不能完成轨迹精度要求高、速度要求高的场景。因此面对机器人越来越普及的时代，需要提供一个针对机器人应用而高度整合的硬件模块化的控驱一体装置。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题而提供一种硬件模块化控驱一体装置，该装置摒弃了传统控制器+驱动器的方式，将硬件模块化，突破了毫秒级的运动控制。将控制模块、扩展模块和功率模块这些硬件模块化的方式集成在一起，达到控驱一体高效集成的目的，体现出控驱一体高效集成的优势。根据不同的应用场景，通过更换适应硬件模块达到高效灵活的目的，避免控驱一体系统应用的局限。
为实现上述目的，本发明的硬件模块化控驱一体装置，包括控制模块、功率模块和扩展模块，所述的控制模块与功率模块之间设置有控制-功率模块接口，控制-功率模块接口实现控制模块与功率模块的数据交换，所述的控制模块与扩展模块之间设置有控制-扩展模块接口，控制-扩展模块接口实现控制模块与扩展模块的数据交互；所述的控制模块还包括非实时任务处理器实时任务处理器和FPGA阵列，非实时任务处理器与实时任务处理器之间通过共享内存实现数据交换，非实时任务处理器、实时任务处理器与FPGA阵列之间通过控制模块内部并行总线进行数据交换。
进一步的，所述的非实时任务处理器搭载应用软件及进行路径规划，实时任务处理器运行动力学算法、运动规划及插补、位置闭环控制、速度闭环控制、安全系统信号处理和IO信号逻辑。
进一步的，所述的FPGA阵列包含1-9轴电机位置采集模型、1-9轴电流采样模型、1-9轴电流闭环模型、1-9轴电机驱动信号模型、1-9轴温度采样模型、串/并行IO驱动模型和串/并行通讯模型，串/并行IO驱动模型与实时任务处理器执行的IO信号逻辑进行信号交互，1-9轴电机驱动信号模型与速度闭环控制进行信号交互。
进一步的，所述的控制-扩展模块接口包括串/并行IO信号接口和串/并行通讯接口，扩展模块包括串/并行IO驱动电路和串/并行通讯电路，串/并行IO信号接口分别连接串/并行IO驱动模型和串/并行IO驱动电路，串/并行通讯接口分别连接串/并行通讯模型和串/并行通讯电路。
进一步的，所述的控制-功率模块接口包括电源系统供电接口、安全系统信号接口、1-9轴电流采样接口、1-9轴驱动信号接口、1-9轴温度采样接口；1-9轴温度采样接口与1-9轴温度采样模型连接，并通过1-9轴温度采样模型反馈信号给实时任务处理器的安全系统信号处理和安全系统信号接口；1-9轴驱动信号接口连接1-9轴电机驱动信号模型，1-9轴电流采样模型连接1-9轴电流采样接口。
进一步的，功率模块包括电源系统电路、安全系统电路、1-9轴电流采样电路、1-9轴驱动放大电路和1-9轴温度传感电路，1-9轴温度传感电路与1-9轴温度采样接口连接，1-9轴驱动放大电路与1-9轴驱动信号接口连接，1-9轴电流采样电路与1-9轴电流采样接口连接，安全系统信号接口与安全系统电路连接，电源系统电路与电源系统供电接口连接。
进一步的，电源系统电路外接供电输入，1-9轴驱动放大电路外接1-9轴负载电机，串/并行IO驱动电路310外接多路外部IO设备，串/并行通讯电路连接外部通讯系统。
进一步的，所述的控制模块还包括以太网通讯电路和1-9轴电机位置采集接口，以太网通讯电路连接非实时任务处理器，1-9轴电机位置采集接口连接1-9轴电机位置采集模型。
进一步的，以太网通讯电路外接以太网通讯设备，1-9轴电机位置采集接口外接1-9轴电机位置传感器。
本发明的贡献在于提供了一种硬件模块化控驱一体装置，该一体装置将控制模块、扩展模块和功率模块这些硬件模块化的方式集成在一起，达到控驱一体高效集成的目的，体现出控驱一体高效集成的优势。根据不同的应用场景，通过更换适应硬件模块达到高效灵活的目的，避免控驱一体系统应用的局限。摒弃了传统控制器+驱动器的控制模式，使控制和驱动集成在同一模块内，突破了毫秒级的运动控制。上述的硬件模块化方式，可实现硬件成本的阶梯控制。在常规应用场景使用成本优化的标准模块搭建控驱一体系统，在复杂应用场景，可通过更换相适应模块搭建针对性的控驱一体系统，实现针对应用场景的成本控制。
【附图说明】
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明具体实施方式的结构框图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
实施例1
如图1所示，本实施例的硬件模块化控驱一体装置，包括控制模块100、功率模块200和扩展模块300，所述的控制模块100与功率模块200之间设置有控制-功率模块接口400，控制-功率模块接口400实现控制模块100与功率模块200的数据交换，所述的控制模块100与扩展模块300之间设置有控制-扩展模块接口500，控制-扩展模块接口500实现控制模块100与扩展模块300的数据交换；所述的控制模块100还包括非实时任务处理器110、实时任务处理器120和FPGA阵列130，非实时任务处理器110与实时任务处理器120之间通过共享内存140实现数据交换，非实时任务处理器110、实时任务处理器120与FPGA阵列130之间通过控制模块内部并行总线150进行数据交换。该种实施方式将所有的控制集中在控制模块100，并将控制信号通过控制-功率模块接口400对功率模块200进行控制，实现1-9轴负载电机驱动。摒弃了传统“控制器+驱动器”的模式，解决了分散的“控制器+驱动器”结构所带来的数据延迟高、数据带宽低的问题，“控制器+驱动器”的模式虽适合柔性连接，但由于驱动器本身也具备控制能力，而且控制信号基本是通过串行总线通讯的，因此无法突破毫秒级的限制。而本实施例的一体装置通过共享内存140和控制模块内部并行总线150的作用，突破了毫秒级的限制。
实施例2
如图1、2所示，所述的非实时任务处理器110搭载应用软件及进行路径规划，实时任务处理器120运行动力学算法、运动规划及插补、位置闭环控制、速度闭环控制、安全系统信号和IO信号逻辑。FPGA阵列130包含1-9轴电机位置采集模型131、1-9轴电流采样模型132、1-9轴电流闭环模型133、1-9轴电机驱动信号模型134、1-9轴温度采样模型135、串/并行IO驱动模型136和串/并行通讯模型137，串/并行IO驱动模型136与实时任务处理器120输出的IO信号逻辑进行信号交互，1-9轴电机驱动信号模型134与速度闭环控制进行信号交互。非实时任务处理器110和实时任务处理器120运行机器人闭环控制算法，FPGA阵列130运行机器人轴驱动算法，通过控制模块内部并行总线150实现机器人闭环控制算法和机器人轴驱动算法的高速数据交换。
实施例3
如图1、2所示，控制-扩展模块接口500包括串/并行IO信号接口510和串/并行通讯接口520，扩展模块300包括串/并行IO驱动电路310和串/并行通讯电路320，串/并行IO信号接口510分别连接串/并行IO驱动模型136和串/并行IO驱动电路310，串/并行通讯接口520分别连接串/并行通讯模型137和串/并行通讯电路320。控制-功率模块接口400包括电源系统供电接口410、安全系统信号接口420、1-9轴电流采样接口430、1-9轴驱动信号接口440、1-9轴温度采样接口450；1-9轴温度采样接口450与1-9轴温度采样模型135连接，并通过1-9轴温度采样模型135反馈信号给实时任务处理器120的安全系统信号处理；1-9轴驱动信号接口440连接1-9轴电机驱动信号模型134，1-9轴电流采样模型132连接1-9轴电流采样接口430。电源系统电路210外接供电输入，1-9轴驱动放大电路240外接1-9轴负载电机，串/并行IO驱动电路310外接多路外部IO设备，串/并行通讯电路320连接外部通讯系统。控制模块100还包括以太网通讯电路160和1-9轴电机位置采集接口170，以太网通讯电路160连接非实时任务处理器110，1-9轴电机位置采集接口170连接1-9轴电机位置采集模型131。以太网通讯电路160外接以太网通讯设备，1-9轴电机位置采集接口170外接1-9轴电机位置传感器。
电源系统电路210外接供电输入，为控制模块100、功率模块200和扩展模块300供电，电源系统电路100还连接安全系统电路220，实现安全系统电路220对电源系统电路210的监控，安全系统电路220通过安全系统信号接口420与安全系统信号处理连接，把监控的信号传递到安全系统信号处理中，使本发明的控驱一体装置工作在监控状态下。1-9轴电流采样电路230通过1-9轴电流采样接口430连接到1-9轴电流采样模型132，1-9轴电流采样模型132通过电流采样接口430，对1-9轴电流采样电路230的采样信号进行数据转换，1-9轴电流采样模型132将转换得到的电流信号传递给1-9轴电流闭环模型133进行闭环运算，把运算结果通过1-9轴电机驱动信号模型134转换为电机控制信号，1-9轴电机驱动信号模型134把电机控制信号传递到1-9轴驱动信号放大电路240，实现对外接的1-9轴负载电机的控制，1-9轴温度传感电路250通过1-9轴温度采样接口450反馈温度信号给1-9轴温度采样模型135。实时任务处理器120的IO信号逻辑连接串/并行IO驱动模型136，并通过串/并行IO信号接口510和串/并行IO驱动电路310对多路外部IO设备进行信号交互，串/并行通讯模型137通过串/并行通讯接口520、串/并行通讯电路520与外部通讯系统进行通讯。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：包括控制模块(100)、功率模块(200)和扩展模块(300)，所述的控制模块(100)与功率模块(200)之间设置有控制-功率模块接口(400)，控制-功率模块接口(400)实现控制模块(100)与功率模块(200)的数据交换，所述的控制模块(100)与扩展模块(300)之间设置有控制-扩展模块接口(500)，控制-扩展模块接口(500)实现控制模块(100)与扩展模块(300)的数据交换；
所述的控制模块(100)还包括非实时任务处理器(110)、实时任务处理器(120)和FPGA阵列(130)，非实时任务处理器(110)与实时任务处理器(120)之间通过共享内存(140)实现数据交换，非实时任务处理器(110)、实时任务处理器(120)与FPGA阵列(130)之间通过控制模块内部并行总线(150)进行数据交换。
2.如权利要求1所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：所述的非实时任务处理器(110)搭载应用软件及进行路径规划，实时任务处理器(120)运行动力学算法、运动规划及插补、位置闭环控制、速度闭环控制、安全系统信号处理和IO信号逻辑。
3.如权利要求2所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：所述的FPGA阵列(130)包含1-9轴电机位置采集模型(131)、1-9轴电流采样模型(132)、1-9轴电流闭环模型(133)、1-9轴电机驱动信号模型(134)、1-9轴温度采样模型(135)、串/并行IO驱动模型(136)和串/并行通讯模型(137)，串/并行IO驱动模型(136)与实时任务处理器(120)执行的IO信号逻辑进行信号交互，1-9轴电流闭环模型(133)与速度闭环控制进行信号交互。
4.如权利要求3所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：所述的控制-扩展模块接口(500)包括串/并行IO信号接口(510)和串/并行通讯接口(520)，扩展模块(300)包括串/并行IO驱动电路(310)和串/并行通讯电路(320)，串/并行IO信号接口(510)分别连接串/并行IO驱动模型(136)和串/并行IO驱动电路(310)，串/并行通讯接口(520)分别连接串/并行通讯模型(137)和串/并行通讯电路(320)。
5.如权利要求4所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：所述的控制-功率模块接口(400)包括电源系统供电接口(410)、安全系统信号接口(420)、1-9轴电流采样接口(430)、1-9轴驱动信号接口(440)、1-9轴温度采样接口(450)；
1-9轴温度采样接口(450)与1-9轴温度采样模型(135)连接，并通过1-9轴温度采样模型(135)反馈信号给实时任务处理器(120)的安全系统信号处理；1-9轴驱动信号接口(440)连接1-9轴电机驱动信号模型(134)，1-9轴电流采样模型(132)连接1-9轴电流采样接口(430)。
6.如权利要求5所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：功率模块(200)包括电源系统电路(210)、安全系统电路(220)、1-9轴电流采样电路(230)、1-9轴驱动放大电路(240)和1-9轴温度传感电路(250)，1-9轴温度传感电路(250)与1-9轴温度采样接口(450)连接，1-9轴驱动放大电路(240)与1-9轴驱动信号接口(440)连接，1-9轴电流采样电路(230)与1-9轴电流采样接口(430)连接，安全系统信号接口(420)与安全系统电路(220)连接，电源系统电路(210)与电源系统供电接口(410)连接。
7.如权利要求6所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：电源系统电路(210)外接供电输入，1-9轴驱动放大电路(240)外接1-9轴负载电机，串/并行IO驱动电路(310)外接多路外部IO设备，串/并行通讯电路(320)连接外部通讯系统。
8.如权利要求7所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：所述的控制模块(100)还包括以太网通讯电路(160)和1-9轴电机位置采集接口(170)，以太网通讯电路(160)连接非实时任务处理器(110)，1-9轴电机位置采集接口(170)连接1-9轴电机位置采集模型(131)。
9.如权利要求8所述的硬件模块化控驱一体装置，其特征在于：以太网通讯电路(160)外接以太网通讯设备，1-9轴电机位置采集接口(170)外接1-9轴电机位置传感器。
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