CN111443630A - 一种内建可编程控制功能的伺服驱动器 - Google Patents

一种内建可编程控制功能的伺服驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种内建可编程控制功能的伺服驱动器，采用两个微控制器+FPGA为平台的控制单元，将具有PLC编程功能的微控制器内建于现有的伺服驱动器中，使得伺服驱动器既具有PLC可编程的特性，并能够有效提高系统伺服控制性能，而且具有集成度高、接线简单、实时性好等优点。与传统的伺服控制器、伺服驱动器独立设置的技术方案相比，本发明通过两个微控制器间的通信接口并通过逻辑、程序相配合实现伺服运动的设置，控制方式简单，方便客户应用开发，大大减少成本；本发明的两个微控制器之间，通过内部线路进行连接，不需要进行大量的接线操作，大大减少了线路干扰，因而具有实时性更好、控制精度高、兼容好等优点。

Description

一种内建可编程控制功能的伺服驱动器
技术领域
本发明涉及伺服控制系统领域，更具体地说，涉及一种内建可编程控制功能的伺服驱动器。
背景技术
在一些小型单机设备，常见的会选用脉冲方式控制实现电机的定位，由于易于理解，控制方式简单，是仪表工中最常见的应用方式。如图1所示，PLC可编程控制器通过物理方式，使用PLC晶体管高速脉冲输出端口，输出控制发送的脉冲来控制伺服驱动器，从而伺服驱动器控制伺服电机运行。可以看出，PLC可编程逻辑控制器为动作指令信号的输出装置，伺服驱动器为接收控制指令并驱动电机的装置。
由于传统的PLC可编程控制器与伺服驱动器是2个相互独立的个体。一般的，市面上的伺服驱动器通常配有专门的接口用于与上位控制器(即PLC可编程控制器)进行连接。进而，通过脉冲方式对伺服驱动器进行运动控制就会涉及到PLC可编程控制器与伺服驱动器接线连接进行信号传输通讯。在脉冲控制方式中，常规情况下，PLC可编程控制器和伺服驱动器之间需要接线的信号如表1所示。
表1：PLC可编程控制器与伺服驱动器需要接线的信号
序号 信号 序号 信号 序号 信号
1 脉冲 6 伺服准备好 9 使能电源
2 方向 7 报警复位 10 电源Z相
3 使能 8 报警输出 … …
上述的每个信号都必须通过接线连接，每轴伺服需要接线约10-12根，特别是在复杂的控制方式时，如需采集电机反馈的编码脉冲信号、差分信号等，则接线方式更为复杂。
因此，为控制电机运行，PLC可编程控制器通过信号线与伺服驱动器进行通信，这种直接按照伺服驱动器的要求，将PLC可编程控制器和伺服驱动器之间的指定端口进行常规接线的方式有如下缺点：
1、PLC可编程控制器与伺服驱动器之间接线复杂、操作困难，增加了出错的机率，耗费人力和工时；
2、不易维护，当出现线路老化或断线故障时，很难排查原因，甚至可能会威胁到人和机械的安全。
如中国发明专利申请201910326479.0公开了一种集成式伺服驱动器，包括主电路和控制电路，控制电路设有中央控制器并通过内部接口与主电路连接，主电路包括与电网连接的整流逆变模块，以及与伺服电机连接的驱动模块；控制电路包括至少两个用来与外部设备进行通信的现场数据总线接口，还包括编码器接口、压力机信号处理的输入输出接口，以及扩展功能接口。整流逆变模块与驱动模块之间通过直流母线连接，驱动模块用于将直流母线上的直流电转换为驱动伺服电机运转的交流电。
上述的发明专利申请，虽然能够减小伺服压力机控制系统的模块数量，提高控制器中硬件资源的利用率。但实际上仍然采用了控制器与驱动器独立分离的结构，只是简单地将控制器与驱动器集中设置，得到紧凑的结构。其所述的内部接口，仅表示位于所谓的集成了控制电路与主电路的伺服驱动器的内部的接口，实际上，所述的内部接口仍然是独立的控制电路与主电路之间的接线。
为了解决接线复杂的问题，现有技术常见的方法是采用总线系统解决方案进行伺服运动控制，即PLC可编程控制器与伺服驱动器之间用简单的网线插接即可，简化接线。但由于带有总线功能的PLC可编程控制器价格昂贵，因而比较适用于多轴伺服的控制，而对于单轴伺服则会大大增加成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种内建可编程控制功能的伺服驱动器，实现伺服驱动器既具有PLC可编程的特性，还可以有效提高控制性能，并且集成度高、接线简单、实时性好。
本发明的技术方案如下：
一种内建可编程控制功能的伺服驱动器，包括FPGA、第一微控制器，FPGA与第一微控制器进行数据交互，还包括第二微控制器，伺服驱动器外部的DI/DO接口通过内部接线与第二微控制器的端口连接，第二微控制器与第一微控制器进行数据交互，第二微控制器向第一微控制器发送运动控制指令。
作为优选，内部接线对应伺服驱动器内部的I/O信号接口，将DI/DO接口与第二微控制器的端口进行连接。
作为优选，采用统一编址的方式，将接口电路的I/O端口的物理地址映射至第二微控制器的存储空间中；第二微控制器通过存储空间中与I/O端口的物理地址形成映射的物理地址对I/O端口进行访问。
作为优选，第二微控制器通过所述的物理地址向接口电路的寄存器发送命令、读取状态、传送数据。
作为优选，第二微控制器与第一微控制器之间设置有主控制模式和/或备用控制模式；主控制模式下，第二微控制器与第一微控制器通过SPI总线进行通信；备用控制模式为脉冲控制方式。
作为优选，主控制模式下，第二微控制器为主设备，第一微控制器为从设备，第二微控制器与第一微控制器之间的时钟信号引脚、主输入从输出引脚、主输出从输入引脚、从设备使能引脚分别对应连接；
备用控制模式下，第二微控制器与第一微控制器之间的脉冲信号引脚、方向信号引脚分别对应连接；当伺服驱动器处于位置模式或速度模式进行运动控制时，第二微控制器直接向第一微控制器发脉冲信号和方向信号，实现对伺服电机的运动控制。
作为优选，采用数据/地址总线的方式，将FPGA的地址空间映射到第一微控制器的物理寻址空间，第一微控制器与FPGA进行数据交互。
作为优选，部分输入信号先通过FPGA进行先期处理，再将处理后的信号发送至第一微控制器进行后续处理。
作为优选，计算机与接口电路连接，将运动控制指令程序下载至第二微控制器的存储器，第二微控制器基于运动控制指令程序向第一微控制器发送运动控制指令，第一微控制器通过运动控制指令控制伺服电机运动。
作为优选，第二微控制器具备PLC可编程功能。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，采用两个微控制器+FPGA为平台的控制单元，将具有PLC编程功能的微控制器内建于现有的伺服驱动器中，使得伺服驱动器既具有PLC可编程的特性，并能够有效提高系统伺服控制性能，而且具有集成度高、接线简单、实时性好等优点。
与传统的伺服控制器、伺服驱动器独立设置的技术方案相比，本发明通过两个微控制器间的通信接口并通过逻辑、程序相配合实现伺服运动的设置，控制方式简单，方便客户应用开发，大大减少成本；本发明的两个微控制器之间，通过内部线路进行连接，不需要进行大量的接线操作，大大减少了线路干扰，因而具有实时性更好、控制精度高、兼容好等优点。
本发明中，第二微控制器与第一微控制器之间设置有主控制模式与备用控制模式，可根据不同的工作需求与工作模式，采用主备控制模式对伺服电机进行运动控制，既保证有效控制的冗余，且实现控制方式多样化。
附图说明
图1是现有技术的原理框图；
图2是本发明的原理框图；
图3是第一微控制器与第二微控制器的连线示意图(SPI总线通信方式)；
图4是第一微控制器与第二微控制器的连线示意图(主备控制模式)。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了解决现有技术存在的接线复杂、不易维护、无法满足用户多方面需求等不足，提供一种内建可编程控制功能的伺服驱动器，能够替换传统的1个PLC可编程控制器+1个伺服驱动器的控制系统，本发明以伺服驱动器为控制系统的核心，采用嵌入式的两个微控制器+FPGA为平台，将具有PLC可编程功能的微控制器(即第二微控制器)与原用于实现伺服驱动器的微控制器+FPGA进行集成，以克服传统的伺服控制系统的不足。
如图2所示，本发明所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，包括FPGA、第一微控制器，FPGA与第一微控制器进行数据交互；FPGA与第一微控制器用于等同实现传统的伺服驱动器的原有功能，基于运动控制指令控制伺服电机。本发明还包括第二微控制器，伺服驱动器外部的DI/DO接口(传统的伺服驱动器外部的DI/DO接口用于与传统的PLC可编程控制器外部的I/O接口连接)通过内部接线与第二微控制器的端口连接，第二微控制器与第一微控制器进行数据交互，第二微控制器向第一微控制器发送运动控制指令。
本发明中，所述的第二微控制器具备PLC可编程功能，进而，本发明实现了将传统的PLC可编程控制器内建至伺服驱动器内，彻底改变传统的平台结构，即不再需要进行外部接线。本发明不仅仅是将传统的伺服驱动器与传统的PLC可编程控制器进行布局上的简单结合，不是简单地做小做紧凑，而是改变了伺服驱动器与PLC可编程控制器进行结合的传统固有思路，将相互独立的伺服驱动器与PLC可编程控制器改进为伺服驱动器内建可编程控制功能。
进行运动控制指令程序下载时，作为外部设备的计算机通过串口线与接口电路连接，将运动控制指令程序下载至第二微控制器的存储器，第二微控制器基于运动控制指令程序向第一微控制器发送运动控制指令，第一微控制器通过运动控制指令控制伺服电机运动。由于第二微控制器具有PLC可编程的功能特性，通过PLC编程软件，设置相应的通信方式，即可直接将运动控制指令程序下载至伺服驱动器。
为了实现第二微控制器与外部设备的通信，内部接线对应伺服驱动器内部的I/O信号接口，将DI/DO接口与第二微控制器的端口进行连接。可知，本发明中，承担PLC可编程功能的第二微控制器通过原用于与传统的PLC可编程控制器外部的I/O接口连接的DI/DO接口，与外部设备进行连接，实现通信。
本实施例中，采用统一编址的方式，将接口电路的I/O端口的物理地址映射至第二微控制器的存储空间中；第二微控制器通过存储空间中与I/O端口的物理地址形成映射的物理地址对I/O端口进行访问。第二微控制器通过所述的物理地址向接口电路的寄存器发送命令、读取状态、传送数据。
所述的第二微控制器可采用ARM芯片，如STM32；STM32带有丰富的外设接口，从STM32的存储空间中划出部分地址，用于映射I/O端口的物理地址，进而，存储空间中的地址即为对应的I/O端口，CPU通过地址即可向接口电路中的寄存器发送命令、读取状态和传送数据。
本实施例中，所述的FPGA、第一微控制器、第二微控制器实施于同一个电路上，即在伺服驱动器的电路上集成第二微控制器，第一微控制器与第二微控制器不再采用外部接线的方式进行连接。为了实现有效控制的冗余以及控制模式的多样化，如图3、图4所示，第二微控制器与第一微控制器之间设置有主控制模式和/或备用控制模式；主控制模式下，第二微控制器与第一微控制器通过SPI总线进行通信；备用控制模式为脉冲控制方式。
具体地，主控制模式下，第二微控制器与第一微控制器通过SPI总线进行通信，第二微控制器向与第一微控制器发送运动控制指令，以控制伺服电机转动。具体地，第二微控制器为主设备，第一微控制器为从设备，第二微控制器与第一微控制器之间的时钟信号引脚、主输入从输出引脚、主输出从输入引脚、从设备使能引脚分别对应连接。
如图3所示，第二微控制器的SCLK引脚与第一微控制器的SCLK引脚连接，用于通过时钟信号进行时钟同步。第二微控制器的MOSI引脚与第一微控制器的MOSI引脚连接，用于实现主设备数据输出，从设备数据输入。第二微控制器的MISO引脚与第一微控制器的MISO引脚连接，用于实现主设备数据输入，从设备数据输出。第二微控制器的SS引脚与第一微控制器的
Figure BDA0002438452330000061
引脚连接，用于通过片选信号对从设备进行使能。
如图4所示，备用控制模式下，第二微控制器与第一微控制器之间的脉冲信号引脚、方向信号引脚分别对应连接；当伺服驱动器处于位置模式或速度模式进行运动控制时，第二微控制器直接向第一微控制器发脉冲信号和方向信号，实现对伺服电机的运动控制。同时，备选的IO接口，即IO1接口和IO2接口可用于第一微控制器和第二微控制器间的信号传输处理。
本实施例中，第一微控制器与FPGA之间，采用数据/地址总线的方式，将FPGA的地址空间映射到第一微控制器的物理寻址空间，第一微控制器与FPGA进行数据交互。为了提高伺服驱动器的实时性，利用FPGA的超高速逻辑处理能力，部分输入信号先通过FPGA进行先期处理，再将处理后的信号发送至第一微控制器进行后续处理；进而，可提高伺服驱动器的实时性。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种内建可编程控制功能的伺服驱动器，包括FPGA、第一微控制器，FPGA与第一微控制器进行数据交互，其特征在于，还包括第二微控制器，伺服驱动器外部的DI/DO接口通过内部接线与第二微控制器的端口连接，第二微控制器与第一微控制器进行数据交互，第二微控制器向第一微控制器发送运动控制指令。
2.根据权利要求1所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，内部接线对应伺服驱动器内部的I/O信号接口，将DI/DO接口与第二微控制器的端口进行连接。
3.根据权利要求2所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，采用统一编址的方式，将接口电路的I/O端口的物理地址映射至第二微控制器的存储空间中；第二微控制器通过存储空间中与I/O端口的物理地址形成映射的物理地址对I/O端口进行访问。
4.根据权利要求3所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，第二微控制器通过所述的物理地址向接口电路的寄存器发送命令、读取状态、传送数据。
5.根据权利要求1至4任一项所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，第二微控制器与第一微控制器之间设置有主控制模式和/或备用控制模式；主控制模式下，第二微控制器与第一微控制器通过SPI总线进行通信；备用控制模式为脉冲控制方式。
6.根据权利要求5所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，主控制模式下，第二微控制器为主设备，第一微控制器为从设备，第二微控制器与第一微控制器之间的时钟信号引脚、主输入从输出引脚、主输出从输入引脚、从设备使能引脚分别对应连接；
备用控制模式下，第二微控制器与第一微控制器之间的脉冲信号引脚、方向信号引脚分别对应连接；当伺服驱动器处于位置模式或速度模式进行运动控制时，第二微控制器直接向第一微控制器发脉冲信号和方向信号，实现对伺服电机的运动控制。
7.根据权利要求1所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，采用数据/地址总线的方式，将FPGA的地址空间映射到第一微控制器的物理寻址空间，第一微控制器与FPGA进行数据交互。
8.根据权利要求7所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，部分输入信号先通过FPGA进行先期处理，再将处理后的信号发送至第一微控制器进行后续处理。
9.根据权利要求1所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，计算机与接口电路连接，将运动控制指令程序下载至第二微控制器的存储器，第二微控制器基于运动控制指令程序向第一微控制器发送运动控制指令，第一微控制器通过运动控制指令控制伺服电机运动。
10.根据权利要求9所述的内建可编程控制功能的伺服驱动器，其特征在于，第二微控制器具备PLC可编程功能。
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