CN111070208B - 重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子学及伺服控制技术领域，公开了一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用。驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能；控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机转速及输出端位置的三闭环控制。本发明实现协作机器人关节需求的全面覆盖，持续峰值相电流输出期望达到19.0A，最大效率期望达到99％；实现高效的矢量控制算法进行电机控制，输出六路驱动板控制信号；最终实现电机位置的精确控制。

Description

重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用

技术领域

本发明属于电力电子学及伺服控制技术领域，尤其涉及一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用。

背景技术

目前，最接近的现有技术：协作机器人是为了实现同外界环境和人的安全交互功能，具备高性能柔顺运动是核心要求，具备柔顺运动性能的基础是高载荷/自重比的机械本体结构方面和高性能的驱动控制系统两方面。在机械本体结构方面，协作机器人关节普遍采用了高转矩永磁力矩电机与谐波减速器相结合的传动策略。在驱动控制方面，近年来，出现了新型模式，即运动控制保持不变，把伺服驱动器和伺服电机做一体化集成，称之为ALLinONE，这样电机与驱动器的线缆就得到了极大的节约；与之对应的是，伺服电机保持不变，运动控制和伺服驱动做成一体化的集成。驱控一体化是把控制器和驱动器集成在一起，其优势包括：体积小、重量轻、部署灵活、成本低以及可靠性高，能够完成复杂的控制算法，但其不足之处在于受协作机械臂关节空间所限，高集成度开发难度较大，要实现多功能的驱动控制以保证一体化驱控系统的高性能与安全性是驱控一体化的重难点，高集成度系统扩展性欠缺，应用不同的数据采集方式需要不同的接口，一旦完成一体化驱控系统的设计再去扩展就比较麻烦。

目前，在一体化驱控系统中，主芯片内部的控制算法多以软件代码的形式实现，执行方式为串行处理，优势是易于实现，目前已经相对成熟。其与并行处理的硬件电路实现控制算法相比，并行处理的硬件电路可以达到更快的数据处理与响应。随着芯片技术的发展，分布式CPU方式将朝着整体SoC芯片方案的方向发展，以FPGA为载体搭建并行处理的控制算法是协作机器人关节内一体化驱控系统的研究热点，如何解决以并行的硬件编程方式实现控制算法，并如何统筹算法内部各模块之间的接口以及数据采集各模块之间的接口是研究的难点。一体化驱控系统的研究是协作机器人的驱动控制系统的发展趋势，伺服驱动与运动控制一体化集成在底层嵌入式系统当中，可极大地降低系统集成复杂性、成本与体积。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)考虑到协作机器人关节的空间大小与高集成度，将多功能的伺服驱动与运动控制一体化集成在底层嵌入式系统当中比较困难，一体化高性能驱动控制系统开发难度较大。

(2)以硬件编程的方式实现并行的三闭环永磁同步电机控制算法比较困难，如何将各控制算法以硬件编程的方式实现并如何将各控制算法各模块和数据采集各模块之间进行端口连接是核心难题。

解决上述技术问题的难度：难度在于如何合理设计及布局功能较全的驱动板电路和控制板电路，以保证驱动控制系统的多功能和高性能，以至于完成重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器。如何将控制算法内部各模块以硬件编程的形式实现，并与所设计的数据采集模块进行接口连接也是设计的难点。

解决上述技术问题的意义：完成了一种重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器设计，提供了柔顺运动性能的基础，为协作机器人关节内永磁同步电机控制算法提供了硬件基础，达到体积小、重量轻以及高性能处理复杂的电机控制算法的重组化协作机器人的要求，将此一体化高性能驱动控制器集成在协作机器人关节内部极大地降低了系统集成复杂性、成本与体积。在主芯片内部以硬件电路的形式并行处理控制算法各模块和数据采集模块，可以达到更迅速的数据处理和响应。综合实现协作机器人关节的驱动控制所需的要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用。

本发明是这样实现的，一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统包括：

驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能；

控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机转速及输出端位置的三闭环控制。

进一步，所述驱动板包括：

前驱隔离电路，由高电压1A峰值半桥栅极驱动器LM5109BSD设计，输入兼容独立的TTL和CMOS电平，提供从控制输入逻辑到高侧栅极驱动器的干净电平转换，输出与功率MOSFET组成半桥的高低侧对应相接；

三路逆变桥电路，由N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1与反联齐纳二极管半桥设计，采用矢量控制的方式进行电机的控制，设计三路半桥组成三相逆变电路进行DC-AC的变换与控制，供电电压与陶瓷电容并联提供稳定直流输入电压，每个半桥的高侧和低侧输入对应前端驱动电路的输出，输出为对应相电流，通过控制三相桥的高低侧的开通、关断时间，等效生成所需的三相电压值，控制永磁同步电机；

相电流检测电路，由高性能二阶Σ-Δ调制器AD7402-8进行设计，将模拟输入信号转换为高速的单比特数据流，此芯片的冷侧和热侧分别接数字电压和模拟电压；利用逆变器的输出端串联1个低阻值精密电阻VMS-R005-1.0，测量电阻上面的电压变化，将伪差分信号通过热敏电阻和下拉电容后输送到隔离放大器芯片；

差分到单端转换电路，由单电源CMOS运算放大器进行设计，采用OPA2335AID芯片，内含两个运算放大器，设计差分信号经过热敏电阻后，一个运放进行差分到单端转换所需的偏置电压稳压设计，偏置电压通过一个运放进行设计，其值设计为1/2引脚电压，偏置电压上拉于差分信号正极引脚，依据负载电阻值和电路电阻确定放大倍数，进行差分信号的放大，得到与电流信号成倍数关系的电压值，每个运放进行一相共模差分信号的输入，单端信号的输出，以此两个OPA2335AID芯片可进行到偏置电压的转换以及三相电流的检测，输出给过载保护电路进行比较；

过载保护电路，由四运放LM339D模拟比较器进行设计，用作模拟电路和数字电路的接口，设置电流阈值，利用其中三个运放进行模拟信号的比较，输入负极与差分转换得到的单端电流信号相连接，正极上拉电阻到3.3V电源进行比较，将3个输出引脚相接经过一个芯片电阻后输出兼容的TTL电平，直接通过驱动板与控制板的连接器输送到主芯片引脚，实现过载信号的传输功能；

PWM制动电路，由栅极驱动器LM5109BSD与N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1进行设计，栅极驱动器接收来自控制板的脉冲制动信号，低侧栅极驱动器输出连接到低侧N-MOS器件的栅极；MOSFET的源极接地，漏极输出端接快恢复二极管上拉到供电电压，输出信号与逆变桥母线电压通过2引脚的连接器相连接，实现制动；

稳压电路，分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路；

隔离电路，分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路。

进一步，所述PWM制动电路的电源输入接口为MKDS1/4，81接线端子引入48V逆变器输入直流电源以及驱动板输入直流电源。

进一步，所述稳压电路分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路；

48V稳压5V电路，由LM5575MH/NOPB DC-DC开关降压型稳压器进行设计，具有6V～75V超宽输入电压范围，可调输出电压低至1.225V，输入端口接3个去耦电容，开关节点与外部肖特基二极管和降压电感相连接，根据输入电压和输出电压设计降压电感、电阻的值，输入48V直流电源，输出其余电路所需的5V调节直流电源，在输出端设置一个TP点调试；

5V稳压V-GD电路，由LMR62014XMFE DC-DC开关升压稳压器进行设计，其输入电压范围0.4V～14.5V，SW引脚输出电压能够达到22V，输出电压的设置使用FB引脚中接的两个外部电阻确定，SW引脚与SW引脚之间通过电感连接，输出引脚接一个肖基特二极管，在输出端设置一个TP点测试，输入直流5V电压，输出前驱电路所需的V-GD直流电源，其值大小为12V；

5V稳压3.3V电路，由SOT-223封装的AMS1117-3.3固定电压调整器进行设计，输入输出引脚与滤波电容相接，输入5V直流电压，输出过载保护电路所需的3.3V直流电压，在输出引脚处设计串联电阻的发光二极管观察是否很好降压。

进一步，所述隔离电路分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路；

5V隔离5VA电路，由60ohm的铁氧体磁珠电感进行，铁氧体磁珠过滤高频电源噪声并干净地分享相似电源供电轨，即混合信号IC的模拟和数字供电轨，通过氧体磁珠与供电轨串联，磁珠的两侧与电容一起接地，形成了一个低通滤波器网络，并得到隔离放大器热侧所需的5VA电源；

隔离放大器冷侧电压隔离电路，由60ohm铁氧体磁珠电感进行，通过5V与3.3V分别与铁氧体磁珠串联，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络，降低高频电源噪声，并得到隔离放大器冷侧所需的VDD2直流电压，其值为3.3V；

数字地与模拟地之间通过零欧姆电阻进行隔离，通过零欧姆电阻提高噪声信号在信号回流路径上的阻抗，实现数模分割。

进一步，所述驱动板上设计10×2的插针底座实现与控制板的数据、电源和地的连接。

进一步，所述控制板包括：

主芯片电路，根据协作机器人关节的逻辑资源需求；

闪存电路，通过片选以及SPI通信接口与主芯片进行数据的传输，实现程序和数据保存，电源引脚出设计滤波电容以达到滤波效果；

程序下载电路，通过SPI通讯方式进行数据的传输，以此实现控制算法模块以及数据采集模块硬件电路的烧录，电源接口处设置滤波电容以达到滤波效果；

传感器信息处理电路，包括了电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路，两类传感器支持ABZ通讯方式以及BISS-C通讯方式；

上位机通讯电路，通过MII接口实现PHY芯片与主芯片的引脚数据交互，PHY芯片的复位引脚与主芯片对于引脚连接，晶振的工作频率为25MHz，连接在PHY芯片的对应两个晶振引脚之间，并在芯片LED引脚处设计发光二极管，用于指示驱动控制器与上位机的通讯是否良好；以太网变压器NS0013LF的两端分别连接PHY芯片与4×1的接头连接器，进行两组差分数据的转换；接头连接器与上位机进行两组差分数据的传输，在3.3V和3.3V_PHY电压之间设计1个铁氧体磁珠电感器进行隔离，并得到干净的相似电压，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络；

CAN通讯电路，接收和发送数据引脚与主芯片对应引脚进行连接，使能引脚上拉到3.3V直流电压，复位引脚下拉到地，在电源引脚出设置滤波电容，达到滤波的效果，设计2×1的连接器母插口实现与上位机的连接；

稳压电路，输入来自于驱动板的电源输出，通过插针传输到控制板，进而实现电源稳压，稳压电路的设计由主芯片以及板上其余电路所需电压进行设计，采用有5V稳压3.3V电路、5V稳压2.5V电路以及5V稳压1.0V电路；

所述传感器信息处理电路包括电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路；

电机位置编码信号端电路，实现ABZ通讯，A、B电源引脚分别上拉3.3V以及5V直流电压，并设置滤波电容，以到达滤波效果，A侧引出三引脚与主芯片对于引脚进行连接，B侧对应A侧三引脚与一个5×1的接头连接器母头进行连接，实现传感器的数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电，并在三路信号线上设置芯片贴片电阻和滤波电容；

输出端位置编码信号端电路，实现BISS-C通讯，收发器具有一个差分驱动器和一个差分接收器，驱动器差分输出与接收器的差分输入相连接，在内部形成一个半双工的总线接口，两个差分信号收发器进行时钟和位置数据两组差分信号的交互，电源引脚处设置0.1μF多层陶瓷滤波电容达到滤波效果，驱动数据接收引脚、数据发送引脚、使能引脚与主芯片引脚进行连接，实现时钟输入、使能输入、驱动数据输入以及数据输出，设计一个6×1的接头连接器与编码器实现两组差分数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电；

所述稳压电路的采用有5V稳压3.3V电路、5V稳压2.5V电路以及5V稳压1.0V电路；

5V稳压3.3V电路，提供瞬态响应和高输出电压精度，所需电压由输入电压值以及FB电压反馈引脚的上拉电阻值R1和下拉电阻值R2进行确定，实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为750K欧姆，R2设置为240K欧姆，输出为主芯片、ABZ通讯电路、以太网通讯电路以及BISS-C通讯电路所需的3.3V直流电压，在输出端设置TP点调试；

5V稳压2.5V电路，电压由输入电压值以及设计FB电压反馈引脚的上拉电阻值和下拉电阻值确定，实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为425K欧姆，R2设置为200K欧姆，输出为主芯片所需的2.5V直流电压，在输出端设置TP点调试；

5V稳压1.0V电路，通过设计FB引脚的上拉电阻值和下拉电阻值得到输出电压，进而实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为50K欧姆，R2设置为200K欧姆，输出为主芯片所需的1.0V直流电压，在输出端设置TP点调试。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统的重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法，所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法包括以下步骤：

第一步，先编写乘法器和除法器等IP核，然后开始进行CORDIC模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、PARK逆变换模块以及PWM发生模块的实现，实现三路数据的整合，最终实现驱动脉冲输出；

第二步，电流调节模块、速度调节模块、位置调节模块以及测速模块，实现电流、速度以及位置的误差调节，得到下一级控制器所需输入；

第三步，上位机数据交互硬件电路根据选择的通讯方式，此设计中确定为以太网通讯模块或CAN通讯模块，实现关节信息的反馈和控制信号的接收；

第四步，传感器数据接收硬件电路根据所选型的传感器类型所支持的通讯方式，在此设计中确定为ABZ通讯模块和BISS-C通讯模块，实现电机位置信息和关节输出位置信息的接收，进行电机位置和关节输出位置的实时反馈。

进一步，所述第一步还包括：

CORDIC模块由移位和加法器进行实现，基本的角度进行数字化处理后存放在ROM中，辅助完成矢量控制，输入时钟信号、复位信号、开始标志信号以及来自编码器驱控模块采集到的输出端位置，输出完成标志信号以及PARK变换和计数器模块所需的正余弦角度值；

CLARK变换电路由乘法器和加法器进行实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号以及来自检测电路的三相静止a,b,c电流信号，输出为完成标志信号以及PARK变换所需的两相静止α,β电流信号；

PARK变换模块由乘法器和加法器实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号、来自CLARK变换的两相静止电流以及CORDIC模块的正余弦角度值，输出为完成标志信号以及以及电流控制算法比较器的q轴和d轴电流；

PARK逆变换模块由乘法器和加法器实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号、来自电流控制算法的q轴和d轴电压以及来自比较器的CORDIC变换后的正余弦角度值，输出为完成标志信号以及以及SVPWM模块所需的两相静止α,β电压信号；

SVPWM模块可分为电机扇区判断及逆变桥开关作用时间模块、三角波发生模块以及六路PWM控制信号输出模块；

电机扇区判断及逆变桥开关作用时间模块由乘法器和加减操作实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号以及两相静止α,β电压信号，输出为完成标志信号以及三相开关时间；

三角波发生模块由加法器和减法器实现，输入为时钟信号以及复位信号，输出为完成标志信号以及PWM三角波；

PWM发生模块由比较模块和死区控制模块组成，比较电路设计为逻辑查找表、双路选择器以及输出寄存器进行实现，死区控制模块由寄存器实现，输入为时钟信号、复位信号、三角波信号以及三相开关时间，输出为驱动逆变桥的6路PWM信号；

所述第二步还包括：三闭环控制算法硬件电路主要包括电流调节模块、速度调节模块、位置调节模块以及测速模块，实现电流、速度以及位置的误差调节，得到下一级控制器所需输入；

电流调节模块设计为PI控制，电流调节器由加法器、乘法器以及触发器，根据电流的闭环传递函数来实现，在调节器中设置饱和限制，设计两个PI调节器，输入为d轴和q轴的电流经过比较运算后误差，其中d轴的初始输入为0，q轴的初始输入为速度环的调节输出，产生d轴和q轴电压；

测速模块依据M/T测速原理，由PLL模块、M计数模块以及M/T算法模块进行设计，PLL产生M计数器模块所需的三路时钟，M计数器模块进行电机位置脉冲的计数，M/T算法模块由乘法器和除法器设计，依据M/T算法的实现，测速模块的输入为时钟信号、位置脉冲输入信号以及脉冲计数信号，输出为电机速度；

速度调节模块设计为PI控制，在Nios II平台中实现，根据其传递函数在Eclipse中通过软件编程的形式描述，将其关联到到软核Nios II的CPU中，搭建片上RAM，并通过Avalon总线与UART、PIO以及Timer进行数据传输，输入为位置环的调节输出与测速模块所得到的电机速度的误差，输出为电流环的q轴初始值以及电流环的比例系数和积分时间常数；

位置环模块设计为PI控制，基于Qsys平台实现，在Nios II软核中实现，将位置环的传递函数在Eclipse中通过软件编程的形式描述，并将其下载到Nios II中，搭建片上RAM、UART、PIO以及Timer，并通过Avalon总线实现软核与片上各模块之间的通信，输入为关节位置初始值与输出端编码器测量值的误差，输出为速度环的输入初始值以及速度环的比例系数和积分时间常数；

所述第三步还包括：上位机数据交互硬件电路根据选择的通讯方式，为以太网通讯模块或CAN通讯模块，实现关节信息的反馈和控制信号的接收；

以太网通讯模块根据UDP协议进行硬件编程，由UDP模块、FIFO数据缓存模块以及脉冲信号同步处理模块组成，UDP模块由数据接收模块、数据发送模块以及crc检验模块组成，UDP模块实现数据的接收，FIFO数据缓存模块进行数据的反馈信号以及控制信号的缓存，输入为时钟信号、复位信号、电机反馈信号以及控制信号，输出为电机反馈信号以及控制信号，整体进行电机相关反馈信号以及控制信号的传输；

CAN通讯模块由CAN控制器模块以及FIFO数据缓存模块进行设计，CAN控制器模块由IP核实现，实现数据的收发，FIFO数据缓存模块进行反馈信号以及控制信号的缓存，输入为时钟信号、复位信号、电机反馈信号以及控制信号，输出为电机反馈信号以及控制信号，整体进行电机相关反馈信号以及控制信号的传输；

所述第四步还包括：传感器数据接收硬件电路根据所选型的传感器类型所支持的通讯方式，在此设计中确定为ABZ通讯模块和BISS-C通讯模块，实现电机位置信息和关节输出位置信息的接收，进行电机位置和关节输出位置的实时反馈；

ABZ通讯模块由第三方IP核进行设计，脉冲Z代表的是旋转圈数，此IP核由脉冲A与脉冲B的状态变化，利用状态机进行编写，输入为时钟信号、复位信号、A相脉冲检测信号以及B相脉冲检测信号，输出为正相脉冲信号、反向脉冲信号以及转向信号，实现电机位置的接收与传输；

BISS-C通讯模块由点对点模式的BISS-C协议进行设计，两组差分信号分别进行时钟和数据的传输，则主芯片内设计时钟发生模块、解码模块和CRC校验模块，时钟发生模块由PLL进行设计，产生解码模块和CRC校验模块所需时钟，解码模块用来解码收到的数据，由状态机实现，CRC校验模块负责校验数据是否正确，输入为时钟信号、复位信号、使能信号、数据接收信号，输出为数据发送信号，实现输出端位置的接收与传输。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统的重组化协作机器人关节控制系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的驱动板电路与控制板电路之间的连接通过插针和插针底座实现，实现数据通讯的功能；重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器以FPGA为主芯片，其控制算法通过硬件编程的方式进行实现，采用三闭环矢量控制策略对关节内永磁同步电机进行调控；控制算法的实现主要包括矢量控制算法模块、三闭环控制算法模块、上位机数据交互模块以及传感器数据接收模块，进而将各模块之间的数据接口进行连接，实现完整的关节实时监控功能；硬件电路以及硬件编程设计，完成一种应用于重组化协作机器人关节的高性能伺服驱动器，在满足协作机器人关节需求的基础上，为协作机器人关节降低系统集成复杂性、成本与体积，进而使得重组化协作机械臂具有更优化的解决方案。

本发明以优化的驱动与控制硬件电路为基础，进行关节相关内传感器的数据采集与上位机通讯，并采用硬件编程的方式实现关节内电机的伺服控制，达到关节的高精度伺服控制。此一体化高性能驱动控制器在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制的方式进行关节内永磁同步电机的控制，并对矢量控制的外环进行改进，达到电机驱动电流、电机端速度及输出端位置的三闭环控制。

本发明提供了一种协作机器人的重组化关节内的高性能驱动控制器，驱动控制板具有全面的内置保护电路，具有高精度ADC的电流实时测量，支持双接口的传感器数据采集以及传感器电源供给，支持两种上位机数据高速串行通信，实现协作机器人关节需求的全面覆盖，持续峰值相电流输出期望达到19.0A，最大效率期望达到99％。以协作机器人一体化驱控系统的要求实现多功能和高性能的驱控系统，在实现数据高速传输处理的基础上，基于FPGA进行位置、速度、电流控制，以并行的方式处理控制算法，达到更快的伺服控制算法处理，以并行的处理方式实现高效的矢量控制算法进行电机控制，输出六路驱动板控制信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的驱动板布局图；

图中：1、供电端子；2、48V稳压5V电路芯片3、制动电路MOSFET；4、制动电路驱动芯片；5、前驱电路芯片；6、5V稳压V-GD电路芯片；7、过载保护电路芯片；8、5V稳压3.3V电路芯片；9、差分到单端转换电路芯片；10、电流检测电阻；11、MOSFET；12、三相接线端子；13、电流检测电路芯片；14、插针底座。

图4是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的控制板布局图；

图中：15、主芯片；16、ABZ通讯电路芯片；17、CAN通讯芯片；18、5V稳压3.3V电路芯片；19、5V稳压2.5V电路芯片；20、5V稳压1.0V电路芯片；21、以太网变压器；22、以太网通信电路芯片；23、BISS-C通讯电路芯片；24、插针；25、BISS-C通讯接口；26、以太网通讯接口；27、JTAG下载器接口；28、CAN通讯接口；29、ABZ通讯接口；

图5是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器重组化关节图；

图中：30、有力矩法兰；31、电机轴；32、关节外壳；33、输出端编码器固定座；34、制动器；35、输出端编码器座；36、输出端编码器；37、控制板；38、驱动板；39、电机端编码器径向磁环；40、电机端编码器固定座；41、无框力矩电机；42、中空轴；43、减速器。

图6是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的硬件控制算法框图。

图7是本发明实施例提供的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统、方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统包括驱动板和控制板的电路设计部分以及控制算法和数据采集的硬件编程部分。驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能。控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机端速度及输出端位置的三闭环控制。

驱动板和控制板的电路设计部分为关节提供多功能的高集成度一体化驱动控制硬件基础，驱动板主要包括有前驱隔离电路、三路逆变桥电路、相电流检测电路、差分到单端转换电路、过载保护电路、PWM制动电路、稳压电路以及隔离电路。

前驱隔离电路由高电压1A峰值半桥栅极驱动器LM5109BSD进行设计，输入兼容独立的TTL和CMOS电平，并且可提供从控制输入逻辑到高侧栅极驱动器的干净电平转换，输出与功率MOSFET组成半桥的高低侧对应相接，合理布置自举电容、肖特基二极管和自举电容，达到稳健的电平转换的同时满足高运行速度和低功耗特性，设计3个前驱隔离电路以驱动3个半桥。

三路逆变桥电路由N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1与反联齐纳二极管进行半桥设计，永磁同步电机作为协作机器人关节的不二之选，并采用矢量控制的方式进行电机的控制，设计三路半桥组成三相逆变电路进行DC-AC的变换与控制，供电电压与陶瓷电容并联提供稳定直流输入电压，每个半桥的高侧和低侧输入对应前端驱动电路的输出，输出为对应相电流，通过控制三相桥的高低侧的开通、关断时间，等效生成所需的三相电压值，进而控制永磁同步电机。

三相电流输出接MDKS1/3-3，81接线端子，进而连接三相电机。

相电流检测电路采用直接检测法，由高性能二阶Σ-Δ调制器AD7402-8进行设计，将模拟输入信号转换为高速的单比特数据流，此芯片的冷侧和热侧分别接数字电压和模拟电压。利用逆变器的输出端串联1个低阻值精密电阻VMS-R005-1.0，测量电阻上面的电压变化，设计将伪差分信号通过热敏电阻和下拉电容后输送到隔离放大器芯片，进而准确输出检测到的单比特流电流数据，得到的单比特流数据可以直接通过驱动板与控制板的连接器输送到主芯片引脚，进而达到检测相电流的目的，设计3个一样的相电流检测电路进行三相电流的检测传输。

差分到单端转换电路由单电源CMOS运算放大器进行设计，采用OPA2335AID芯片，内含两个运算放大器，设计差分信号经过热敏电阻后，1个运放进行差分到单端转换所需的偏置电压稳压设计，偏置电压通过1个运放进行设计，其值设计为1/2引脚电压，偏置电压上拉于差分信号正极引脚，依据负载电阻值和电路电阻确定放大倍数，进行差分信号的放大，得到与电流信号成倍数关系的电压值，每个运放进行一相共模差分信号的输入，单端信号的输出，以此两个OPA2335AID芯片可进行到偏置电压的转换以及三相电流的检测，输出给过载保护电路进行比较。

过载保护电路由四运放LM339D模拟比较器进行设计，也用作模拟电路和数字电路的接口，设置电流阈值，利用其中3个运放进行模拟信号的比较，输入负极与差分转换得到的单端电流信号相连接，正极上拉电阻到3.3V电源进行比较，将3个输出引脚相接经过一个芯片电阻后输出兼容的TTL电平，直接通过驱动板与控制板的连接器输送到主芯片引脚，实现过载信号的传输功能。

PWM制动电路由栅极驱动器LM5109BSD与N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1进行设计，栅极驱动器接收来自控制板的脉冲制动信号，低侧栅极驱动器输出连接到低侧N-MOS器件的栅极。MOSFET的源极接地，漏极输出端接快恢复二极管上拉到供电电压，输出信号与逆变桥母线电压通过2引脚的连接器相连接，以此实现制动。

电源输入接口为MKDS1/4，81接线端子引入48V逆变器输入直流电源以及驱动板输入直流电源。

稳压电路分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路。

48V稳压5V电路由LM5575MH/NOPB DC-DC开关降压型稳压器进行设计，其具有6V～75V超宽输入电压范围，可调输出电压低至1.225V，输入端口接3个去耦电容，开关节点与外部肖特基二极管和降压电感相连接，根据输入电压和输出电压设计降压电感、电阻的值，输入48V直流电源，输出其余电路所需的5V调节直流电源，在输出端设置1个TP点方便调试。

5V稳压V-GD电路由LMR62014XMFE DC-DC开关升压稳压器进行设计，其输入电压范围0.4V～14.5V，SW引脚输出电压能够达到22V，输出电压的设置使用FB引脚中接的两个外部电阻确定，SW引脚与SW引脚之间通过电感连接，输出引脚接1个肖基特二极管，在输出端设置1个TP点方便测试，输入直流5V电压，输出前驱电路所需的V-GD直流电源，其值大小为12V。

5V稳压3.3V电路由SOT-223封装的AMS1117-3.3固定电压调整器进行设计，输入输出引脚与滤波电容相接，输入5V直流电压，输出过载保护电路所需的3.3V直流电压，在输出引脚处设计串联电阻的发光二极管方便观察是否很好降压。

隔离电路分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路。

5V隔离5VA电路由60ohm的铁氧体磁珠电感进行设计，铁氧体磁珠过滤高频电源噪声并干净地分享相似电源供电轨，即混合信号IC的模拟和数字供电轨，通过氧体磁珠与供电轨串联，磁珠的两侧与电容一起接地，这样便形成了1个低通滤波器网络，进一步降低高频电源噪声，并得到隔离放大器热侧所需的5VA电源。

隔离放大器冷侧电压隔离电路由60ohm铁氧体磁珠电感进行设计，通过5V与3.3V分别与铁氧体磁珠串联，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络，降低高频电源噪声，并得到隔离放大器冷侧所需的VDD2直流电压，其值为3.3V。

数字地与模拟地之间通过零欧姆电阻进行隔离，通过零欧姆电阻提高噪声信号在信号回流路径上的阻抗，实现数模分割。

驱动板上设计10×2的插针底座实现与控制板的数据、电源和地的连接。

所设计的驱动板整体可以实现电源的输入功能、前驱电路的控制信号隔离放大功能、逆变电路DC-AC转换的功能、三相电流检测的功能、差分到单端转换的功能、过载保护的功能、刹车制动的功能、电压转换的功能、信号与电源隔离的功能以及与控制板相交互的功能。

重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的控制板电路主要有主芯片电路、闪存电路、程序下载电路、传感器信息处理电路、上位机通讯电路、CAN通讯电路、稳压电路。

主芯片电路根据协作机器人关节的逻辑资源需求，在此关节中主芯片选型为CE4CE22F17C7N，其包括了电源电路、锁相环电路、时钟电路、复位电路。

电源电路通过稳压后的3.3V与1.0V电源输出，直接与主芯片对应的IO电源引脚和VIN电源引脚相连接进行设计，在电源周围按照所接入的电源数量，设计对应数量的滤波电容以达到滤波效果。

锁相环电路通过主芯片锁相环模块引脚与2.5V和1.0V电源的连接进行设计，在附近布置对应数量的滤波电容以达到滤波效果。

时钟电路采用50MHz有源晶振XTAL为核心进行设计，电源引脚接3.3V，并设计1个滤波电容以达到滤波效果，时钟电路产生稳定的时钟传输给主芯片，作为主芯片的稳定时钟输入。

复位电路由上拉电阻与下拉电容进行设计，电阻与电容的中间与主芯片的复位引脚进行连接，复位信号设计为1个低电平有效的信号，实现主芯片复位信号的输入。

闪存电路由16Mb的串行闪存M25P16为核心进行设计，此芯片的容量足以容纳关节各硬件电路实现以及控制算法所需要编写的硬件代码，通过片选以及SPI通信接口与主芯片进行数据的传输，实现程序和数据保存，电源引脚出设计滤波电容以达到滤波效果。

程序下载电路通过JTAG-10-FPGA接口为核心进行设计，通过SPI通讯方式进行数据的传输，以此实现控制算法模块以及数据采集模块硬件电路的烧录，电源接口处设置滤波电容以达到滤波效果。

传感器信息处理电路包括了电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路，在本发明中设计的重组化关节，两类传感器支持ABZ通讯方式以及BISS-C通讯方式。

电机位置编码信号端电路由电压电平转换器TXB0106为核心进行设计，实现ABZ通讯，A、B电源引脚分别上拉3.3V以及5V直流电压，并设置滤波电容，以到达滤波效果，A侧引出3引脚与主芯片对于引脚进行连接，B侧对应A侧3引脚与1个5×1的接头连接器母头进行连接，实现传感器的数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电，并在三路信号线上设置芯片贴片电阻和滤波电容，防止信号线因悬空而出现不确定的状态以及起到抗扰作用。

输出端位置编码信号端电路由两个具有IEC ESD，50Mbps的3.3V半双工RS-485差分信号收发器SN65HVD78D为核心进行设计，实现BISS-C通讯，收发器具有1个差分驱动器和1个差分接收器，驱动器差分输出与接收器的差分输入相连接，在内部形成1个半双工的总线接口，两个差分信号收发器进行时钟和位置数据两组差分信号的交互，电源引脚处设置0.1μF多层陶瓷滤波电容达到滤波效果，驱动数据接收引脚、数据发送引脚、使能引脚与主芯片引脚进行连接，实现时钟输入、使能输入、驱动数据输入以及数据输出，设计1个6×1的接头连接器与编码器实现两组差分数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电，在两路差分信号线上设置旁路电容起到抗干扰的作用。

上位机通讯电路设计为以太网通讯电路，此通讯电路的实现由PHY芯片RLC8201CP与以太网脉冲变压器NS0013LF为核心进行设计，通过MII接口实现PHY芯片与主芯片的引脚数据交互，PHY芯片的复位引脚与主芯片对于引脚连接，晶振的工作频率为25MHz，连接在PHY芯片的对应两个晶振引脚之间，并在芯片LED引脚处设计发光二极管，用于指示驱动控制器与上位机的通讯是否良好。以太网变压器NS0013LF的两端分别连接PHY芯片与4×1的接头连接器，进行两组差分数据的转换，由于PHY芯片的UDP驱动方式，变压器的中心轴头上拉电阻到3.3V_PHY电压，以太网变压器使得信号电平耦合，增强信号，也使得芯片端与外部隔离，抗干扰能力大大增强，接头连接器与上位机进行两组差分数据的传输，在3.3V和3.3V_PHY电压之间设计1个铁氧体磁珠电感器进行隔离，并得到干净的相似电压，两端电源设计滤波电容，形成1个低通滤波器网络，达到降低高频电源噪声的作用。

CAN通讯电路的实现由CAN收发器SN65HVD234DR为核心进行设计，接收和发送数据引脚与主芯片对应引脚进行连接，使能引脚上拉到3.3V直流电压，复位引脚下拉到地，在电源引脚出设置滤波电容，达到滤波的效果，设计2×1的连接器母插口实现与上位机的连接，此通讯电路为上位机通讯电路的扩展应用，在重组化协作机器臂中，当涉及到多关节的时候，与上位机采用CAN通讯方式相比于以太网通讯方式有优势。

稳压电路的输入来自于驱动板的电源输出，通过插针传输到控制板，进而实现电源稳压，稳压电路的设计由主芯片以及板上其余电路所需电压进行设计，采用有5V稳压3.3V电路、5V稳压2.5V电路以及5V稳压1.0V电路。

5V稳压3.3V电路通过同步降压DC-DC转换器TLV62130ARGT为核心进行设计，此稳压芯片允许操作独立电源，提供快速的瞬态响应和高输出电压精度，所需电压由输入电压值以及FB电压反馈引脚的上拉电阻值R1和下拉电阻值R2进行确定，进而实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为750K欧姆，R2设置为240K欧姆，输出为主芯片、ABZ通讯电路、以太网通讯电路以及BISS-C通讯电路所需的3.3V直流电压，在输出端设置TP点，方便硬件调试。

5V稳压2.5V电路通过同步降压DC-DC转换器TLV62130ARGT芯片为核心进行设计，所需电压由输入电压值以及设计FB电压反馈引脚的上拉电阻值和下拉电阻值确定，进而实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为425K欧姆，R2设置为200K欧姆，输出为主芯片所需的2.5V直流电压，在输出端设置TP点，方便硬件调试。

5V稳压1.0V电路通过同步降压DC-DC转换器TLV62130ARGT芯片为核心进行设计，通过设计FB引脚的上拉电阻值和下拉电阻值得到输出电压，进而实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为50K欧姆，R2设置为200K欧姆，输出为主芯片所需的1.0V直流电压，在输出端设置TP点，方便硬件调试。

重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的控制板和驱动板之间通过10×2的的插针与插针底座实现六路电机驱动脉冲、一路电机制动脉冲、+5V直流控制板输入电源、六路三相电流反馈、一路过流信号反馈的传输。

本发明实施例的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的控制板和驱动板之间通过圆形支脚进行紧固，在两个板之间创建一个空间，在支脚下放置圆形通孔尼龙垫片设置为数字地网络，实现两块板之间的数字地连通。

本发明实施例的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的控制板和驱动板设计为环形结构，内圆半径为5mm，外圆半径为设计为43mm。

本发明实施例提供的重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器的控制板上主芯片内的控制算法，其主要包括矢量控制算法硬件电路、三闭环控制算法硬件电路、上位机数据交互硬件电路以及传感器数据接收硬件电路，具体说明如下：

矢量控制算法硬件电路首先需要纯硬件的方式实现基础运算的IP核，即先编写乘法器和除法器等IP核，然后开始进行CORDIC模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、PARK逆变换模块以及PWM发生模块的实现，实现三路数据的整合，最终实现驱动脉冲输出；

CORDIC模块由移位和加法器进行实现，基本的角度进行数字化处理后存放在ROM中，辅助完成矢量控制，输入时钟信号、复位信号、开始标志信号以及来自编码器驱控模块采集到的输出端位置，输出完成标志信号以及PARK变换和计数器模块所需的正余弦角度值。

CLARK变换电路由乘法器和加法器进行实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号以及来自检测电路的三相静止a,b,c电流信号，输出为完成标志信号以及PARK变换所需的两相静止α,β电流信号；

PARK变换模块由乘法器和加法器实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号、来自CLARK变换的两相静止电流以及CORDIC模块的正余弦角度值，输出为完成标志信号以及以及电流控制算法比较器的q轴和d轴电流；

PARK逆变换模块由乘法器和加法器实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号、来自电流控制算法的q轴和d轴电压以及来自比较器的CORDIC变换后的正余弦角度值，输出为完成标志信号以及以及SVPWM模块所需的两相静止α,β电压信号；

SVPWM模块可分为电机扇区判断及逆变桥开关作用时间模块、三角波发生模块以及六路PWM控制信号输出模块；

电机扇区判断及逆变桥开关作用时间模块由乘法器和加减操作实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号以及两相静止α,β电压信号，输出为完成标志信号以及三相开关时间；

三角波发生模块由加法器和减法器实现，输入为时钟信号以及复位信号，输出为完成标志信号以及PWM三角波；

PWM发生模块由比较模块和死区控制模块组成，比较电路设计为逻辑查找表、双路选择器以及输出寄存器进行实现，死区控制模块由寄存器实现，输入为时钟信号、复位信号、三角波信号以及三相开关时间，输出为驱动逆变桥的6路PWM信号；

三闭环控制算法硬件电路主要包括电流调节模块、速度调节模块、位置调节模块以及测速模块，实现电流、速度以及位置的误差调节，得到下一级控制器所需输入；

电流调节模块设计为PI控制，电流调节器由加法器、乘法器以及触发器，根据电流的闭环传递函数来实现，在调节器中设置饱和限制，设计两个PI调节器，输入为d轴和q轴的电流经过比较运算后误差，其中d轴的初始输入为0，q轴的初始输入为速度环的调节输出，产生d轴和q轴电压；

测速模块依据M/T测速原理，由PLL模块、M计数模块以及M/T算法模块进行设计，PLL产生M计数器模块所需的三路时钟，M计数器模块进行电机位置脉冲的计数，M/T算法模块由乘法器和除法器设计，依据M/T算法的实现。测速模块的输入为时钟信号、位置脉冲输入信号以及脉冲计数信号，输出为电机速度；

速度调节模块设计为PI控制，在Nios II平台中实现，根据其传递函数在Eclipse中通过软件编程的形式描述，将其关联到到软核Nios II的CPU中，搭建片上RAM，并通过Avalon总线与UART、PIO以及Timer进行数据传输，输入为位置环的调节输出与测速模块所得到的电机速度的误差，输出为电流环的q轴初始值以及电流环的比例系数和积分时间常数；

位置环模块设计为PI控制，基于Qsys平台实现，在Nios II软核中实现，将位置环的传递函数在Eclipse中通过软件编程的形式描述，并将其下载到Nios II中，搭建片上RAM、UART、PIO以及Timer，并通过Avalon总线实现软核与片上各模块之间的通信，输入为关节位置初始值与输出端编码器测量值的误差，输出为速度环的输入初始值以及速度环的比例系数和积分时间常数；

上位机数据交互硬件电路根据选择的通讯方式，此设计中确定为以太网通讯模块或CAN通讯模块，实现关节信息的反馈和控制信号的接收；

以太网通讯模块根据UDP协议进行硬件编程，由UDP模块、FIFO数据缓存模块以及脉冲信号同步处理模块组成，UDP模块由数据接收模块、数据发送模块以及CRC检验模块组成，UDP模块实现数据的接收，FIFO数据缓存模块进行数据的反馈信号以及控制信号的缓存，输入为时钟信号、复位信号、电机反馈信号以及控制信号，输出为电机反馈信号以及控制信号，整体进行电机相关反馈信号以及控制信号的传输；

CAN通讯模块由CAN控制器模块以及FIFO数据缓存模块进行设计，CAN控制器模块由IP核实现，实现数据的收发，FIFO数据缓存模块进行反馈信号以及控制信号的缓存，输入为时钟信号、复位信号、电机反馈信号以及控制信号，输出为电机反馈信号以及控制信号，整体进行电机相关反馈信号以及控制信号的传输；

传感器数据接收硬件电路根据所选型的传感器类型所支持的通讯方式，在此设计中确定为ABZ通讯模块和BISS-C通讯模块，实现电机位置信息和关节输出位置信息的接收，进行电机位置和关节输出位置的实时反馈；

ABZ通讯模块由第三方IP核进行设计，脉冲Z代表的是旋转圈数，此IP核由脉冲A与脉冲B的状态变化，利用状态机进行编写，输入为时钟信号、复位信号、A相脉冲检测信号以及B相脉冲检测信号，输出为正相脉冲信号、反向脉冲信号以及转向信号，实现电机位置的接收与传输；

BISS-C通讯模块由点对点模式的BISS-C协议进行设计，两组差分信号分别进行时钟和数据的传输，则主芯片内设计时钟发生模块、解码模块和CRC校验模块，时钟发生模块由PLL进行设计，产生解码模块和CRC校验模块所需时钟，解码模块用来解码收到的数据，由状态机实现，CRC校验模块负责校验数据是否正确，输入为时钟信号、复位信号、使能信号、数据接收信号，输出为数据发送信号，实现输出端位置的接收与传输。

如图2所示，本发明实施例提供的重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法包括以下步骤：

S201：先编写乘法器和除法器等IP核，然后开始进行CORDIC模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、PARK逆变换模块以及PWM发生模块的实现，实现三路数据的整合，最终实现驱动脉冲输出；

S202：电流调节模块、速度调节模块、位置调节模块以及测速模块，实现电流、速度以及位置的误差调节，得到下一级控制器所需输入；

S203：上位机数据交互硬件电路根据选择的通讯方式，此设计中确定为以太网通讯模块或CAN通讯模块，实现关节信息的反馈和控制信号的接收；

S204：传感器数据接收硬件电路根据所选型的传感器类型所支持的通讯方式，在此设计中确定为ABZ通讯模块和BISS-C通讯模块，实现电机位置信息和关节输出位置信息的接收，进行电机位置和关节输出位置的实时反馈。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明为验证此重组化协作机器人关节的一体化高性能驱动控制器，设计了一种结构优化的重组化协作机器人关节，如图5，进行关节的闭环控制实验；

电源供给：一体化高性能驱动控制器的电源输入由MKDS1/4，81接线端子引入48V逆变器输入直流电源以及驱动板输入直流电源，然后进行稳压到5V、5VA、V_GD、VDD2以及3.3V，供给板上各电路，其中5V通过插针和排插引到控制板作为整个控制板的电源供给，控制板再将5V稳压到3.3V、2.5V以及1.0V进行控制板各电路的供电；

主控信号传输：在通过JTAG将程序下载到主芯片中后，上位机通过以太网通信进行关节内电机控制信号的传输，通过三闭环矢量控制程序后输出对应的六路PWM控制信号，通过插针和排插的连接将PWM信号传输到驱动板的前驱隔离电路，进而输出逆变桥所需的九路开关控制信号，逆变全桥电路进行对应的三相电流输出，进而驱动关节相应动作。

关节反馈调控：根据关节内电机的动作情况以及关节的工作情况，实时反馈电机的电流信号、电机位置信号以及关节输出端位置信号，进行期望关节位置的实时调整；

过载保护：若出现电流过载的情况，过载保护电路会输出过流信号到主芯片，主芯片对应输出制动脉冲信号到制动电路，进行能耗制动；

本发明的一体化高性能驱动控制器体积小、效率高、重量轻以及安全，可以满足协作机器人关节的需求，是驱动控制协作机器人关节的优选方案；

如图3所示为驱动板的电路布局，在板上设计有上述所设计的与驱动相关的电路。如图4所示为控制板的电路布局，在板上设计有上述所设计的与控制相关的电路。如图5所示为重组化协作机器人关节设计，主要零部件包括有力矩法兰30、电机轴31、关节外壳32、输出端编码器固定座33、制动器34、输出端编码器座35、输出端编码器36、控制板37、驱动板38、电机端编码器径向磁环39、电机端编码器固定座40、无框力矩电机41、中空轴42、减速器43。

进一步，通过图3中供电端子1进行整个系统的供电；

进一步，将图5中无框力矩电机41的三相电线引出驱动板38上，与图3中的三相接线端子12对应连接，实现无框力矩电机41的三相电流的控制传输；

进一步，图5中的输出端编码器36通过输出端编码器固定座33与输出端编码器固定座35进行装配，力矩法兰30通过中空轴将关节的输出位置传输至输出端编码器35，进而测量出输出端的位置信息。将输出端编码器35的信号线与电源线的控制板37上，与图4中的BISS-C通讯接口25进行对应连接，进而再通过由图4中2个BISS-C通讯电路芯片23为核心组成的BISS-C通讯电路实现关节位置的反馈；

进一步，图5中的电机端编码器径向磁环39通过电机端编码器固定座40进行装配，电机端固定座40与电机轴31固定，电机端编码器径向磁环将数据传输至输出端编码器头，进而测量出电机的位置信息，将输出端编码器头通过引线连接到控制板37上，与图4中的ABZ通讯接口29相连接，进而再通过图4中ABZ通讯电路芯片16为核心组成的ABZ通讯实现电机位置的反馈；

进一步，图3中由3个电流检测芯片13为核心组成的三相电流检测电路通过三个电流检测电阻11将电流信号隔离传输至插针底座14的引脚，进而传输到图4中的插针24的引脚，接着传输至主芯片，实现电机三相电流信息的反馈；

进一步，通过图4中JTAG下载接口27进行控制程序的烧录，将依据图4硬件控制算法框图在Quartus II软件中编写好的闭环矢量控制算法通过此接口进行烧录至主芯片；

进一步，通过图4中以以太网芯片22、以太网变压器21以及以太网接口26为核心组成的以太网通讯，进行与上位机的通讯，将控制信号传输至图4控制板的主芯片1中，进而产生对应六路PWM控制信号，传输到图4中的插针24对应引脚上，由图3中插针底座14进行控制信号的接收，接着传输到图3中由三个前驱电路芯片5为核心组成的前驱电路中，前驱电路产生9路开关信号，传输至图3中6个MOSFET 11为核心组成的逆变器中，通过控制开关进而产生对应的三相电流，三相电流分别经过图3中三个电流检测电阻11后由图3中的三相接线端子12传输至图5中无框力矩电机12，实现电机的控制。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统包括：

驱动板，是用于伺服电机的驱动，在实现控制信号的隔离后，控制主逆变电路进行伺服电机的驱动，并实现相电流检测和过流保护功能；

控制板，用于在重组化机器人关节内实现电机的驱动以及内传感器的信息采集，采用矢量控制进行关节内永磁同步电机的控制，达到电机驱动电流、电机转速及输出端位置的三闭环控制；

所述驱动板包括：

前驱隔离电路，由高电压1A峰值半桥栅极驱动器LM5109BSD设计，输入兼容独立的TTL和CMOS电平，提供从控制输入逻辑到高侧栅极驱动器的干净电平转换，输出与功率MOSFET组成半桥的高低侧对应相接；

三路逆变桥电路，由N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1与反联齐纳二极管半桥设计，采用矢量控制的方式进行电机的控制，设计三路半桥组成三相逆变电路进行DC-AC的变换与控制，供电电压与陶瓷电容并联提供稳定直流输入电压，每个半桥的高侧和低侧输入对应前端驱动电路的输出，输出为对应相电流，通过控制三相桥的高低侧的开通、关断时间，等效生成所需的三相电压值，控制永磁同步电机；

相电流检测电路，由高性能二阶Σ-Δ调制器AD7402-8进行设计，将模拟输入信号转换为高速的单比特数据流，此芯片的冷侧和热侧分别接数字电压和模拟电压；利用逆变器的输出端串联1个低阻值精密电阻VMS-R005-1.0，测量电阻上面的电压变化，将伪差分信号通过热敏电阻和下拉电容后输送到隔离放大器芯片；

差分到单端转换电路，由单电源CMOS运算放大器进行设计，采用OPA2335AID芯片，内含两个运算放大器，设计差分信号经过热敏电阻后，一个运放进行差分到单端转换所需的偏置电压稳压设计，偏置电压通过一个运放进行设计，其值设计为1/2引脚电压，偏置电压上拉于差分信号正极引脚，依据负载电阻值和电路电阻确定放大倍数，进行差分信号的放大，得到与电流信号成倍数关系的电压值，每个运放进行一相共模差分信号的输入，单端信号的输出，以此两个OPA2335AID芯片可进行到偏置电压的转换以及三相电流的检测，输出给过载保护电路进行比较；

过载保护电路，由四运放LM339D模拟比较器进行设计，用作模拟电路和数字电路的接口，设置电流阈值，利用其中三个运放进行模拟信号的比较，输入负极与差分转换得到的单端电流信号相连接，正极上拉电阻到3.3V电源进行比较，将3个输出引脚相接经过一个芯片电阻后输出兼容的TTL电平，直接通过驱动板与控制板的连接器输送到主芯片引脚，实现过载信号的传输功能；

PWM制动电路，由栅极驱动器LM5109BSD与N沟道MOSFET管BSC030N08NS5ATMA1进行设计，栅极驱动器接收来自控制板的脉冲制动信号，低侧栅极驱动器输出连接到低侧N-MOS器件的栅极；MOSFET的源极接地，漏极输出端接快恢复二极管上拉到供电电压，输出信号与逆变桥母线电压通过2引脚的连接器相连接，实现制动；

稳压电路，分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路；

隔离电路，分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路。

2.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述PWM制动电路的电源输入接口为MKDS1/4，81接线端子引入48V逆变器输入直流电源以及驱动板输入直流电源。

3.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述稳压电路分为48V稳压5V电路、5V稳压V-GD电路、5V稳压3.3V电路；

48V稳压5V电路，由LM5575MH / NOPB DC-DC开关降压型稳压器进行设计，具有6V~75V超宽输入电压范围，可调输出电压低至1.225V，输入端口接3个去耦电容，开关节点与外部肖特基二极管和降压电感相连接，根据输入电压和输出电压设计降压电感、电阻的值，输入48V直流电源，输出其余电路所需的5V调节直流电源，在输出端设置一个TP点调试；

5V稳压V-GD电路，由 LMR62014XMFE DC-DC开关升压稳压器进行设计，其输入电压范围0.4V~14.5V，SW引脚输出电压能够达到22V，输出电压的设置使用FB引脚中接的两个外部电阻确定，SW引脚与SW引脚之间通过电感连接，输出引脚接一个肖基特二极管，在输出端设置一个TP点测试，输入直流5V电压，输出前驱电路所需的V-GD直流电源，其值大小为12V；

5V稳压3.3V电路，由SOT-223封装的AMS1117-3.3固定电压调整器进行设计，输入输出引脚与滤波电容相接，输入5V直流电压，输出过载保护电路所需的3.3V直流电压，在输出引脚处设计串联电阻的发光二极管观察是否很好降压。

4.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述隔离电路分为5V隔离5VA电路、以及隔离放大器冷侧电压隔离电路；

5V隔离5VA电路，由60ohm的铁氧体磁珠电感进行设计，铁氧体磁珠过滤高频电源噪声并干净地分享相似电源供电轨，即混合信号IC的模拟和数字供电轨，通过氧体磁珠与供电轨串联，磁珠的两侧与电容一起接地，形成了一个低通滤波器网络，并得到隔离放大器热侧所需的5VA电源；

隔离放大器冷侧电压隔离电路，由60ohm铁氧体磁珠电感进行，通过5V与3.3V分别与铁氧体磁珠串联，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络，降低高频电源噪声，并得到隔离放大器冷侧所需的VDD2直流电压，其值为3.3V；

数字地与模拟地之间通过零欧姆电阻进行隔离，通过零欧姆电阻提高噪声信号在信号回流路径上的阻抗，实现数模分割。

5.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述驱动板上设计10×2的插针底座实现与控制板的数据、电源和地的连接。

6.如权利要求1所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统，其特征在于，所述控制板包括：

主芯片电路，根据协作机器人关节的逻辑资源需求设计；

闪存电路，通过片选以及SPI通信接口与主芯片进行数据的传输，实现程序和数据保存，电源引脚处设计滤波电容以达到滤波效果；

程序下载电路，通过SPI通讯方式进行数据的传输，以此实现控制算法模块以及数据采集模块硬件电路的烧录，电源接口处设置滤波电容以达到滤波效果；

传感器信息处理电路，包括了电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路，两类传感器支持ABZ通讯方式以及BISS-C通讯方式；

上位机通讯电路，通过MII接口实现PHY芯片与主芯片的引脚数据交互， PHY芯片的复位引脚与主芯片对应引脚连接，晶振的工作频率为25MHz，连接在PHY芯片的对应两个晶振引脚之间，并在芯片LED引脚处设计发光二极管，用于指示驱动控制器与上位机的通讯是否良好；以太网变压器NS0013LF的两端分别连接PHY芯片与4×1的接头连接器，进行两组差分数据的转换；接头连接器与上位机进行两组差分数据的传输，在3.3V和3.3V_PHY电压之间设计1个铁氧体磁珠电感器进行隔离，并得到干净的相似电压，两端电源设计滤波电容，形成一个低通滤波器网络；

CAN通讯电路，接收和发送数据引脚与主芯片对应引脚进行连接，使能引脚上拉到3.3V直流电压，复位引脚下拉到地，在电源引脚处设置滤波电容，达到滤波的效果，设计2×1的连接器母插口实现与上位机的连接；

稳压电路，输入来自于驱动板的电源输出，通过插针传输到控制板，进而实现电源稳压，稳压电路的设计由主芯片以及板上其余电路所需电压进行设计，采用有5V稳压3.3V电路、5V稳压2.5V电路以及5V稳压1.0V电路；

所述传感器信息处理电路包括电机位置编码处理电路以及输出端位置编码处理电路；

电机位置编码信号端电路，实现ABZ通讯，A、B电源引脚分别上拉3.3V以及5V直流电压，并设置滤波电容，以到达滤波效果，A侧引出三引脚与主芯片对应引脚进行连接，B侧对应A侧三引脚与一个5×1的接头连接器母头进行连接，实现传感器的数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电，并在三路信号线上设置芯片贴片电阻和滤波电容；

输出端位置编码信号端电路，实现BISS-C通讯，收发器具有一个差分驱动器和一个差分接收器，驱动器差分输出与接收器的差分输入相连接，在内部形成一个半双工的总线接口，两个差分信号收发器进行时钟和位置数据两组差分信号的交互，电源引脚处设置0.1μF多层陶瓷滤波电容达到滤波效果，驱动数据接收引脚、数据发送引脚、使能引脚与主芯片引脚进行连接，实现时钟输入、使能输入、驱动数据输入以及数据输出，设计一个6×1的接头连接器与编码器实现两组差分数据传输，接头连接器另外两接口分别接5V直流电压和地，5V直流电压作为编码器的供电；

所述稳压电路的采用有5V稳压3.3V电路、5V稳压2.5V电路以及5V稳压1.0V电路；

5V稳压3.3V电路，提供瞬态响应和高输出电压精度，所需电压由输入电压值以及FB电压反馈引脚的上拉电阻值R1和下拉电阻值R2进行确定，实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为750K欧姆，R2设置为240K欧姆，输出为主芯片、ABZ通讯电路、以太网通讯电路以及BISS-C通讯电路所需的3.3V直流电压，在输出端设置TP点调试；

5V稳压2.5V电路，电压由输入电压值以及设计FB电压反馈引脚的上拉电阻值和下拉电阻值确定，实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为425K欧姆，R2设置为200K欧姆，输出为主芯片所需的2.5V直流电压，在输出端设置TP点调试；

5V稳压1.0V电路，通过设计FB引脚的上拉电阻值和下拉电阻值得到输出电压，进而实现稳压目的，输入为5V直流电压，R1设置为50K欧姆，R2设置为200K欧姆，输出为主芯片所需的1.0V直流电压，在输出端设置TP点调试。

7.一种实施权利要求1~6任意一项所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统的重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法，其特征在于，所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法包括以下步骤：

第一步，先编写乘法器和除法器IP核，然后开始进行CORDIC模块、CLARK变换模块、PARK变换模块、PARK逆变换模块以及PWM发生模块的实现，实现三路数据的整合，最终实现驱动脉冲输出；

第二步，通过电流调节模块、速度调节模块、位置调节模块以及测速模块，实现电流、速度以及位置的误差调节，得到下一级控制器所需输入；

第三步，上位机数据交互硬件电路根据选择的通讯方式，此设计中确定为以太网通讯模块或CAN通讯模块，实现关节信息的反馈和控制信号的接收；

第四步，传感器数据接收硬件电路根据所选型的传感器类型所支持的通讯方式，在此设计中确定为ABZ通讯模块和BISS-C通讯模块，实现电机位置信息和关节输出位置信息的接收，进行电机位置和关节输出位置的实时反馈。

8.如权利要求7所述的重组化协作机器人关节一体化驱动控制方法，其特征在于，所述第一步还包括：

CORDIC模块由移位和加法器进行实现，关节转动的角度进行数字化处理后存放在ROM中，辅助完成矢量控制，输入时钟信号、复位信号、开始标志信号以及来自编码器驱控模块采集到的输出端位置，输出完成标志信号以及PARK变换和计数器模块所需的正余弦角度值；

CLARK变换电路由乘法器和加法器进行实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号以及来自检测电路的三相静止a, b, c电流信号，输出为完成标志信号以及PARK变换所需的两相静止α, β电流信号；

PARK变换模块由乘法器和加法器实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号、来自CLARK变换的两相静止电流以及CORDIC模块的正余弦角度值，输出为完成标志信号以及电流控制算法比较器的q轴和d轴电流；

PARK逆变换模块由乘法器和加法器实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号、来自电流控制算法的q轴和d轴电压以及来自比较器的CORDIC变换后的正余弦角度值，输出为完成标志信号以及SVPWM模块所需的两相静止α, β电压信号；

SVPWM模块可分为电机扇区判断及逆变桥开关作用时间模块、三角波发生模块以及六路PWM控制信号输出模块；

电机扇区判断及逆变桥开关作用时间模块由乘法器和加减操作实现，输入为时钟信号、复位信号、开始标志信号以及两相静止α, β电压信号，输出为完成标志信号以及三相开关时间；

三角波发生模块由加法器和减法器实现，输入为时钟信号以及复位信号，输出为完成标志信号以及PWM三角波；

PWM发生模块由比较模块和死区控制模块组成，比较电路设计为逻辑查找表、双路选择器以及输出寄存器进行实现，死区控制模块由寄存器实现，输入为时钟信号、复位信号、三角波信号以及三相开关时间，输出为驱动逆变桥的6路PWM信号；

所述第二步还包括：三闭环控制算法硬件电路主要包括电流调节模块、速度调节模块、位置调节模块以及测速模块，实现电流、速度以及位置的误差调节，得到下一级控制器所需输入；

电流调节模块设计为PI控制，电流调节器由加法器、乘法器以及触发器，根据电流的闭环传递函数来实现，在调节器中设置饱和限制，设计两个PI调节器，输入为d轴和q轴的电流经过比较运算后误差，其中d轴的初始输入为0，q轴的初始输入为速度环的调节输出，产生d轴和q轴电压；

测速模块依据M/T测速原理，由PLL模块、M计数模块以及M/T算法模块进行设计，PLL产生M计数器模块所需的三路时钟，M计数器模块进行电机位置脉冲的计数，M/T算法模块由乘法器和除法器设计，依据M/T算法的实现，测速模块的输入为时钟信号、位置脉冲输入信号以及脉冲计数信号，输出为电机速度；

速度调节模块设计为PI控制，在Nios II平台中实现，根据其传递函数在Eclipse中通过软件编程的形式描述，将其关联到软核Nios II的CPU中，搭建片上RAM，并通过Avalon总线与UART、PIO以及Timer进行数据传输，输入为位置环的调节输出与测速模块所得到的电机速度的误差，输出为电流环的q轴初始值以及电流环的比例系数和积分时间常数；

位置环模块设计为PI控制，基于Qsys平台实现，在Nios II软核中实现，将位置环的传递函数在Eclipse中通过软件编程的形式描述，并将其下载到Nios II中，搭建片上RAM、UART、PIO以及Timer，并通过Avalon总线实现软核与片上各模块之间的通信，输入为关节位置初始值与输出端编码器测量值的误差，输出为速度环的输入初始值以及速度环的比例系数和积分时间常数；

所述第三步还包括：上位机数据交互硬件电路根据选择的通讯方式，为以太网通讯模块或CAN通讯模块，实现关节信息的反馈和控制信号的接收；

以太网通讯模块根据UDP协议进行硬件编程，由UDP模块、FIFO数据缓存模块以及脉冲信号同步处理模块组成，UDP模块由数据接收模块、数据发送模块以及crc检验模块组成，UDP模块实现数据的接收，FIFO数据缓存模块进行数据的反馈信号以及控制信号的缓存，输入为时钟信号、复位信号、电机反馈信号以及控制信号，输出为电机反馈信号以及控制信号，整体进行电机相关反馈信号以及控制信号的传输；

CAN通讯模块由CAN控制器模块以及FIFO数据缓存模块进行设计，CAN控制器模块由IP核实现，实现数据的收发，FIFO数据缓存模块进行反馈信号以及控制信号的缓存，输入为时钟信号、复位信号、电机反馈信号以及控制信号，输出为电机反馈信号以及控制信号，整体进行电机相关反馈信号以及控制信号的传输；

所述第四步还包括：传感器数据接收硬件电路根据所选型的传感器类型所支持的通讯方式，在此设计中确定为ABZ通讯模块和BISS-C通讯模块，实现电机位置信息和关节输出位置信息的接收，进行电机位置和关节输出位置的实时反馈；

ABZ通讯模块由第三方IP核进行设计，脉冲Z代表的是旋转圈数，此IP核由脉冲A与脉冲B的状态变化，利用状态机进行编写，输入为时钟信号、复位信号、A相脉冲检测信号以及B相脉冲检测信号，输出为正相脉冲信号、反向脉冲信号以及转向信号，实现电机位置的接收与传输；

BISS-C通讯模块由点对点模式的BISS-C协议进行设计， 两组差分信号分别进行时钟和数据的传输，则主芯片内设计时钟发生模块、解码模块和CRC校验模块，时钟发生模块由PLL进行设计，产生解码模块和CRC校验模块所需时钟，解码模块用来解码收到的数据，由状态机实现， CRC校验模块负责校验数据是否正确，输入为时钟信号、复位信号、使能信号、数据接收信号，输出为数据发送信号，实现输出端位置的接收与传输。

9.一种安装有权利要求1~6任意一项所述重组化协作机器人关节一体化驱动控制系统的重组化协作机器人关节控制系统。

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