CN111045393A - 驱控一体伺服实现系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及自动控制技术领域，公开了一种驱控一体伺服实现系统。本发明中的驱控一体伺服实现系统，包括：控制中心，分别与控制中心通信连接的N个伺服电机的驱动模组，控制中心集成有机器人控制CPU、伺服驱动控制CPU以及FPGA模块，各个驱动模组分别外接对应的伺服电机，N为大于1的自然数；机器人控制CPU用于分别发送各个伺服电机对应的控制指令给伺服驱动控制CPU；伺服驱动控制CPU用于根据各个伺服电机对应的控制指令生成各个伺服电机对应的控制信号，并将控制信号发送给FPGA模块；FPGA模块用于根据控制信号生成各个伺服电机对应的PWM信号，并将各个伺服电机对应的PWM信号发送给N个电机的驱动模组；N个电机的驱动模组用于根据各个伺服电机对应的PWM信号控制对应的伺服电机转动；集成度高，体积小，接节省了硬件资源。

Description

驱控一体伺服实现系统

技术领域

本发明实施例涉及自动控制技术领域，特别涉及一种驱控一体伺服实现系统。

背景技术

传统的伺服电机控制技术中，给机器轴发送控制指令的是一个独立的设备，这个设备通过无线通信等方式将控制各个机器轴运动的指令发送给伺服驱动器，由伺服驱动器来确定真正的控制指令，再将这些指令发送给处理器芯片，由处理器芯片计算算出PWM信号并发送给驱动模块来对机器轴的电机进行驱动。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：在相关技术中，对多轴机器人的控制是每个轴都会分配一个伺服驱动控制器以及处理器芯片，浪费资源，并且每个机器轴都配有一套伺服驱动器，体积较大。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种驱控一体伺服实现系统，集成度高，体积小，接节省了硬件资源。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种驱控一体伺服实现系统，其特征在于，包括：控制中心，分别与控制中心通信连接的N个伺服电机的驱动模组，控制中心集成有机器人控制CPU、伺服驱动控制CPU以及FPGA模块，各个驱动模组分别外接对应的伺服电机，N为大于1的自然数；机器人控制CPU用于分别发送各个伺服电机对应的控制指令给伺服驱动控制CPU；伺服驱动控制CPU用于根据各个伺服电机对应的控制指令生成各个伺服电机对应的控制信号，并将控制信号发送给FPGA模块；FPGA模块用于根据控制信号生成各个伺服电机对应的PWM信号，并将各个伺服电机对应的PWM信号发送给N个电机的驱动模组；N个电机的驱动模组用于根据各个伺服电机对应的PWM信号控制对应的伺服电机转动。

本发明实施方式相对于现有技术而言，提供一种伺服驱动一体系统，将机器人控制CPU、伺服驱动控制CPU以及FPGA模块集成在一个控制中心，这个控制中心可以同时控制N轴机器人的伺服电机转动，与每个伺服电机都配有伺服驱动模块和FPGA模块相比，节省了硬件资源，同时也减小了整个驱控一体系统的体积；集成度高，方便使用，另外，多个轴使用同一个伺服控制芯片，能够实现百分之百的同步。

另外，驱动模组包括驱动模块、逆变模块和采样模块，其中驱动模块与逆变模块通信连接，采样模块与逆变模块通信连接，逆变模块与对应的伺服电机通信连接，驱动模块还与FPGA模块通信连接，采样模块还与FPGA模块通信连接；其中，驱动模块用于接收PWM信号并将PWM信号传输给逆变模块，由逆变模块控制对应的伺服电机转动；采样模块用于通过逆变模块采集伺服电机的电机运转数据，并将电机运转数据反馈给FPGA模块。提供了一种具体的电机的驱动模组的实现方法，每个电机都有对应的驱动模块和逆变模块，并且设计采样模块来确定电机的运转是否符合期待，有助于更好实现对电机运转的有效控制。

另外，驱控一体伺服实现系统还包括编码器接口电路，编码器接口电路与伺服驱动控制CPU通信连接；伺服驱动控制CPU还用于通过编码器接口电路获取各个伺服电机的型号，并从预先存储的多种型号的电机参数中查找与各个伺服电机的型号相匹配的电机参数进行加载。通过伺服驱动器预先存储各种类型的电机的参数，并设计编码器接口电路来获取要控制的伺服电机的型号，无需再通过人工介入去进行电机参数的调整，方便实用。

另外，控制中心还集成有至少一个扩展接口，至少一个扩展接口与机器人控制CPU通信连接，用于连接扩展模组，扩展模组上连接有伺服电机，用于驱动伺服电机转动；机器人控制CPU还用于通过扩展接口控制连接在扩展接口上的伺服电机转动。设计扩展接口，方便控制中心实现更多轴的机器的伺服驱控。

另外，驱控一体伺服实现系统还包括至少一个外围电路IO接口；至少一个外围电路IO接口与伺服驱动控制CPU连接；伺服驱动控制CPU在根据各个伺服电机对应的控制指令生成各个伺服电机对应的控制信号后，若控制信号中存在对对外围电路的控制，则将控制信号发送给相应的外围电路IO接口。将各种外围接口也集成在本驱控一体伺服实现系统中，使得本驱控一体伺服实现系统能够直接根据控制指令完成硬件实现。

机器人控制CPU上烧录有软PLC，机器人控制CPU通过软PLC编译控制指令。将软PLC功能直接集成到本方案的驱控一体伺服实现系统中，无需再通过额外的设备来实现软PLC编程，使得本方案的驱控一体伺服实现系统独立性高，同时降低了成本。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式提供的驱控一体伺服实现系统结构示意图；

图2是根据本发明第而实施方式提供的驱控一体伺服实现系统中的驱动模组结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式提供的驱动单元与整流单元之间连接关系的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种驱控一体伺服实现系统。本实施方式的中，驱控一体伺服实现系统包括：控制中心，分别与控制中心通信连接的N个伺服电机的驱动模组，控制中心集成有机器人控制CPU、伺服驱动控制CPU以及FPGA模块，各个驱动模组分别外接对应的伺服电机，N为大于1的自然数；机器人控制CPU用于分别发送各个伺服电机对应的控制指令给伺服驱动控制CPU；伺服驱动控制CPU用于根据各个伺服电机对应的控制指令生成各个伺服电机对应的控制信号，并将控制信号发送给FPGA模块；FPGA模块用于根据控制信号生成各个伺服电机对应的PWM信号，并将各个伺服电机对应的PWM信号发送给N个电机的驱动模组；N个电机的驱动模组用于根据各个伺服电机对应的PWM信号控制对应的伺服电机转动；集成度高，体积小，接节省了硬件资源。下面对本实施方式的驱控一体伺服实现系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本实施方式中的驱控一体伺服实现系统结构示意图如图1所示，具体包括控制中心101，分别与控制中心101通信连接的N个伺服电机的驱动模组102(图中仅画出了2个)，控制中心集成有机器人控制CPU1011、伺服驱动控制CPU1012以及FPGA模块1013，各个驱动模组102分别外接对应的伺服电机(伺服电机图中未画出)，N为大于1的自然数。

具体而言，机器人控制CPU1011用于分别发送各个伺服电机对应的控制指令给伺服驱动控制CPU1012；伺服驱动控制CPU1012用于根据各个伺服电机对应的控制指令生成各个伺服电机对应的控制信号，并将控制信号发送给FPGA模块1013；FPGA模块1013用于根据控制信号生成各个伺服电机对应的PWM信号，并将各个伺服电机对应的PWM信号发送给N个电机的驱动模组102；N个电机的驱动模组102用于根据各个伺服电机对应的PWM信号控制对应的伺服电机转动。

进一步讲，机器人控制CPU1011需要与一个上位机界面连接，这个上位机界面用于将用户逻辑控制程序编译并传输到机器人控制CPU1011，使得机器人控制CPU1011能够根据用户逻辑控制程序来生成控制指令。在实际实施中，可通过上位机软件将编译好的PLC代码(即用户逻辑控制程序)下载到机器人控制CPU1011上，机器人控制CPU1011根据软PLC编译控制指令。PLC:Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器；软PLC：(SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic)是一种基于PC机开发结构的控制系统，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可以将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。将软PLC功能直接集成到本方案的驱控一体伺服实现系统中，无需再通过额外的设备来实现软PLC编程，使得本方案的驱控一体伺服实现系统独立性高，同时降低了成本。

值得一提的是，驱控一体伺服实现系统还包括至少一个外围电路IO接口，例如模拟量IO接口、数字量IO接口、主流的通讯接口等；这些外围电路IO接口与伺服驱动控制CPU1012连接；这样，伺服驱动控制CPU1012在根据各个伺服电机对应的控制指令生成各个伺服电机对应的控制信号后，若控制信号中存在对外围电路的控制，则将控制信号发送给相应的外围电路IO接口。也就是说，设置外围电路的IO接口，可使得各个控制指令得到有效的实施，本实施方式将各种外围接口也集成在本驱控一体伺服实现系统中，使得本驱控一体伺服实现系统能够直接根据控制指令完成硬件实现。

在实际实施中，机器人控制CPU1011、伺服驱动控制CPU1012以及FPGA模块1013之间通过内部高速通信总线连接，FPGA模块1013包括一个FPGA芯片，通常采用的是主流的Spartan系列的芯片或者Virtex系列的芯片。

在一个例子中，驱控一体伺服实现系统还包括编码器接口电路，编码器接口电路与伺服驱动控制CPU1012通信连接；伺服驱动控制CPU1012可通过编码器接口电路获取各个伺服电机的型号，并从预先存储的多种型号的电机参数中查找与各个伺服电机的型号相匹配的电机参数进行加载。需要说明的是，在本方案中，伺服驱动控制CPU1012会预先存储各种电机型号以及各个型号的电机对应的电机参数，这些参数包括额定电压、额定功率、额定转速等，不同型号的电机对应的电机参数会有不同；而各个伺服电机上连接有高精度的编码器，例如23位绝对值编码器，这个高精度的编码器与本实施方式驱控一体伺服实现系统中的编码器接口电路相连；因此伺服驱动控制CPU1012首先可通过编码器协议识别出编码器型号参数，然后读取编码器存储的信息从而获取到该编码器对应的伺服电机的电机型号，将这个电机型号跟预存的各种电机型号以及对应的电机参数做匹配，从而得到该伺服电机的电机参数，并且自动加载这些参数完成基本配置，整个过程自动化实现，避免人工参与，在实际生产过程中非常适用。

在一个例子中，控制中心101还集成有至少一个扩展接口，至少一个扩展接口与机器人控制CPU1011通信连接，用于连接扩展模组，扩展模组上连接有伺服电机，用于驱动伺服电机转动；机器人控制CPU1011还用于通过扩展接口控制连接在扩展接口上的伺服电机转动。设计扩展接口，方便控制中心实现更多轴的机器的伺服驱控。

在实际实施中，本实施方式中的驱控一体伺服实现系统还包括存储器，存储器和处理器(即机器人控制CPU1011或伺服驱动控制CPU1012)采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

本实施方式相对现有技术而言，提供一种伺服驱动一体系统，将机器人控制CPU、伺服驱动控制CPU以及FPGA模块集成在一个控制中心，这个控制中心可以同时控制N轴机器人的伺服电机转动，与每个伺服电机都配有伺服驱动模块和FPGA模块相比，节省了硬件资源，同时也减小了整个驱控一体系统的体积；集成度高，方便使用，另外，多个轴使用同一个伺服控制芯片，能够实现百分之百的同步。

本发明的第二实施方式涉及一种驱控一体伺服实现系统。在本实施方式中，提供了各个驱动模组102的具体组成，本实施方式中的驱动模组102结构示意图如图2所示，下面进行具体说明。

驱动模组102包括驱动模块1021、逆变模块1022和采样模块1023，其中驱动模块1021与逆变模块1022通信连接，采样模块1023与逆变模块1022通信连接，逆变模块1022与对应的伺服电机通信连接，驱动模块1021还与FPGA模块通信连接，采样模块1023还与FPGA模块通信连接；其中，驱动模块1021用于接收PWM信号并将PWM信号传输给逆变模块1022，由逆变模块1022控制对应的伺服电机转动；采样模块1023用于通过逆变模块1022采集伺服电机的电机运转数据(通过编码器采集位置信号，通过电流采样芯片采取电流信号)，并将电机运转数据反馈给FPGA模块。

在一个具体的例子中，驱控一体伺服实现系统还需要通过整流模块进行整流，整流模块会将交流电通过整流桥转换成直流电，并给该驱控一体伺服实现系统提供母线电压，当需要对多个驱控一体伺服实现系统进行整流时，各个系统可共用一个整流模块，如图3所示，整流模块(301)会为驱控一体伺服实现系统1(302)提供正负母线电压，驱控一体伺服实现系统2(303)可通过连接在驱控一体伺服实现系统1提供的正负母线电压的接口上来获得经过整流模块整流的母线电压，如果有更多的驱控一体伺服实现系统，也可通过连接在驱控一体伺服实现系统2提供的正负母线电压的接口上来获得经过整流模块整流的母线电压。

本实施方式相对现有技术而言，提供了一种具体的电机的驱动模组的实现方法，每个电机都有对应的驱动模块和逆变模块，并且设计采样模块来确定电机的运转是否符合期待，有助于更好实现对电机运转的有效控制。并且，本实施方式中将整流单元从驱动模组中拆出来，一个整流单元可以同时对多个驱动模块进行整流，与传统的将整流模块与驱动模块封装在一起相比，所需的整流模块更少，降低了硬件成本。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种驱控一体伺服实现系统，其特征在于，包括：控制中心，分别与所述控制中心通信连接的N个伺服电机的驱动模组，所述控制中心集成有机器人控制CPU、伺服驱动控制CPU以及FPGA模块，各个所述驱动模组分别外接对应的伺服电机，所述N为大于1的自然数；

所述机器人控制CPU用于分别发送各个所述伺服电机对应的控制指令给所述伺服驱动控制CPU；

所述伺服驱动控制CPU用于根据所述各个伺服电机对应的控制指令生成所述各个伺服电机对应的控制信号，并将所述控制信号发送给所述FPGA模块；

所述FPGA模块用于根据所述控制信号生成所述各个伺服电机对应的PWM信号，并将所述各个伺服电机对应的PWM信号发送给所述N个电机的驱动模组；

所述N个电机的驱动模组用于根据所述各个伺服电机对应的PWM信号控制对应的伺服电机转动。

2.根据权利要求1所述的驱控一体伺服实现系统，其特征在于，

所述驱动模组包括驱动模块、逆变模块和采样模块，其中所述驱动模块与所述逆变模块通信连接，所述采样模块与所述逆变模块通信连接，所述逆变模块与对应的伺服电机通信连接，所述驱动模块还与所述FPGA模块通信连接，所述采样模块还与所述FPGA模块通信连接；

其中，所述驱动模块用于接收所述PWM信号并将所述PWM信号传输给所述逆变模块，由所述逆变模块控制对应的伺服电机转动；

所述采样模块用于通过所述逆变模块采集所述伺服电机的电机运转数据，并将所述电机运转数据反馈给所述FPGA模块。

3.根据权利要求1所述的驱控一体伺服实现系统，其特征在于，所述驱控一体伺服实现系统还包括编码器接口电路，所述编码器接口电路与所述伺服驱动控制CPU通信连接；

所述伺服驱动控制CPU还用于通过编码器接口电路获取各个伺服电机的型号，并从预先存储的多种型号的电机参数中查找与所述各个伺服电机的型号相匹配的电机参数进行加载。

4.根据权利要求1所述的驱控一体伺服实现系统，其特征在于，

所述控制中心还集成有至少一个扩展接口，所述至少一个扩展接口与所述机器人控制CPU通信连接，用于连接扩展模组，所述扩展模组上连接有伺服电机，用于驱动所述伺服电机转动；

所述机器人控制CPU还用于通过所述扩展接口控制连接在所述扩展接口上的伺服电机转动。

5.根据权利要求1所述的驱控一体伺服实现系统，其特征在于，所述驱控一体伺服实现系统还包括至少一个外围电路IO接口；

所述至少一个外围电路IO接口与所述伺服驱动控制CPU连接；

所述伺服驱动控制CPU在根据所述各个伺服电机对应的控制指令生成所述各个伺服电机对应的控制信号后，若所述控制信号中存在对对外围电路的控制，则将所述控制信号发送给相应的外围电路IO接口。

6.根据权利要求5所述的驱控一体伺服实现系统，其特征在于，所述机器人控制CPU上烧录有软PLC，所述机器人控制CPU通过所述软PLC编译所述控制指令。

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