CN116896571A - 用于电机驱动器与电子设备之间的通信的方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于电机控制器与电子设备之间的通信的方法和系统，其中包括具有通过两条数据线供应电力的单对以太网接口。分析模块依次连接至电机或邻近电机的其他设备。分析模块从电机或不同类型的传感器或设备接收输入信号。分析模块中的处理单元可以对传入数据执行一些初始处理。处理单元被配置成经由单对以太网连接将原始输入信号或经处理的数据传输回电机控制器或系统中的其他控制器，其中电机控制器仅充当直通网关。分析模块单元可以被配置成以不同的更新速率传输数据。更新速率中的一个可以被同步到电机控制器中的更新时段。

Description

用于电机驱动器与电子设备之间的通信的方法和系统

技术领域

本文中公开的主题大体涉及用于在运动应用中分析模块与电机驱动器之间的通信的方法和系统，并且更具体地涉及用于经由单对以太网连接的电机驱动器与分析模块之间的通信的方法和系统，其中分析模块依次与电机、负载安装设备、位置反馈设备或邻近电机的其他传感器通信。

背景技术

电动机通常用于在工业应用中控制运动。可以使用电机来驱动传送带、绕组设备、机器人、拾取与放置机器等。电动机通常与电机驱动器(在本文中也被称为电机控制器)和位置反馈设备配对，其中电机控制器可以包括与电机配对的算法，并且位置反馈设备有助于电机的角定位。

通常，电动电机和电机控制器被结合到更大的受控机器、系统或过程中。受控机器、系统或过程可以包括中央控制器、一个或更多个分布式工业控制器，并且通常包括多个电机和电机控制器。中央控制器可以是位于控制室或远程设施中的台式计算机。可选地，中央控制器可以是工业计算机，其被配置成在恶劣环境中操作并且位于受控机器、系统或过程处。工业控制器包括针对实时控制进行了优化的处理器和操作系统，并且利用被设计为允许控制程序的快速开发的语言进行编程，该控制程序针对不断变化的一组机器控制或过程控制应用而定制。

工业控制网络通常被用于有助于受控机器、系统或过程中的设备之间的通信。工业网络通常被选择为表现出高可靠性和实时通信。工业网络可以利用诸如或/>的协议，这些协议已经被开发用于自动化应用，并且包括诸如保证最大通信延迟、低通信抖动、网络的通信容量的预调度和/或提供高可用性的无缝冗余通信能力的特征。

历史上，已知在诸如中央控制器和工业控制器的控制器之间安装网络。此外，诸如电机驱动器的某些设备可以是可配置的、包括大参数集、具有足够的处理能力等，使得它们可以包括网络接口并且也连接至工业网络。然而，诸如电机、传感器、继电器和其他致动器的其他设备向控制器中的一个提供输入信号或从控制器中的一个接收输出信号，并且在受控机器、系统或过程中执行固定任务。这些设备通常位于远离控制器所在的控制柜的地方，并且经常长时间远离控制柜。使布线必须在控制柜与设备中的每一个之间延伸。由于将网络线缆延伸到每个设备和在每个设备上提供网络接口的费用，这些设备中的许多设备不直接连接至网络。输入和/或输出信号直接在控制器中的一个与设备之间发送。可选地，信号组可以被路由至中间位置并通过网关，该网关连接至工业网络并且可以将输入和输出信号从单独的信号转换为消息包中的数据，以经由期望的工业协议在控制器与设备之间的的至少一部分距离上传输。

传统上，电机控制器已经用作工业网络中的网关。电机控制器包括网络接口并且被配置成经由工业网络进行通信。电机控制器还与连接至电机控制器的设备进行点对点通信，以发送和接收输出和输入信号。例如，设备包括电机上的制动器、温度传感器、振动传感器或安装在电机上的位置编码器。

然而，最近的趋势是在电机或其他负载安装设备上包括附加传感器，以监测电机中的操作条件。例如，附加传感器可以包括如US 9,673,685中公开的安装至电机的振动传感器，以测量电机上存在的振动。温度传感器可以安装在电机、编码器、齿轮箱等上的不同位置，以提供关于环境条件的信息或提供电机中即将发生的故障的早期检测。可以提供扭矩传感器或加速度计来测量电机的性能。

与电机控制器通信的这些设备的增加需要在设备中的每一个与电机控制器之间的额外布线。电机控制器还必须被配置成与每个设备通信。不同的通信协议可以由不同的设备利用，要求电机控制器接受通信协议中的每一个。某些通信是单向的，例如，从传感器向电机控制器提供数据，但是例如防止由电机控制器对传感器进行配置。对于允许双向通信的设备，通信被限制为设备与电机控制器之间的通信，并且不提供设备与工业网络上的其他控制器之间的扩展通信。此外，附加信号利用电机控制器的处理带宽来对每个信号进行采样，并且根据应用的需要对信号执行后续处理，例如，存储信号、将信号从模拟值转换为数字值、将信号的值打包成数据包以用于传输至工业控制器等。控制电机的操作的控制例程的增加的复杂性和更高要求的性能对电机控制器的资源提出了竞争性需求。

因此，将期望提供用于电机控制器与电机之间或者电机控制器与安装在电机上或邻近电机安装的设备之间的通信的改进的方法和系统。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，公开了一种用于电机驱动器与至少一个电子设备之间的通信的系统，其中，电机驱动器能够操作以控制工业控制系统中的电机。系统包括电机驱动器中的第一以太网通信接口以及分析模块中的第二以太网通信接口。第一以太网通信接口被配置成接收单对以太网线缆的第一端，并且第二以太网通信接口被配置成接收单对以太网线缆的第二端。经由单对以太网线缆从电机驱动器向分析模块提供电力。分析模块还包括至少一个输入端和处理器，该至少一个输入端被配置成接收来自至少一个电子设备的反馈信号。反馈信号对应于工业控制系统中的操作状态。处理器被配置成接收来自至少一个输入端的反馈信号，在数据包中插入反馈信号的值，以及经由单对以太网线缆将数据包实时地传输至电机驱动器。

根据本发明的另一实施方式，公开了一种用于电机驱动器与至少一个电子设备之间的通信的方法，其中，电机驱动器能够操作以控制工业控制系统中的电机。在分析模块的输入处接收来自至少一个电子设备的反馈信号。分析模块经由单对以太网线缆连接至电机驱动器，并且分析模块被配置成经由单对以太网线缆从电机驱动器接收电力。反馈信号对应于工业控制系统中的操作状态。利用用于分析模块的处理器将反馈信号的值插入数据包中，以及经由单对以太网线缆将数据包实时地传输至电机驱动器。

根据具体实施方式和附图，本发明的这些和其他优点及特征对于本领域技术人员将变得明显。然而，应当理解的是，具体实施方式和附图虽然指示本发明的优选实施方式，但是其是通过说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这样的修改。

附图说明

在附图中示出了本文中公开的主题的各种示例性实施方式，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，并且在附图中：

图1是示出与电机通信的一个实施方式的示例性运动应用的示意性表示；

图2是图1中示出的示例性运动应用的部分框图表示；

图3A是示出被配置成安装至电机驱动器的本发明的第一实施方式的部分分解图；

图3B是本发明的第一实施方式的透视图；

图4是本发明的第二实施方式的透视图；

图5是被配置成安装至电机的本发明的第三实施方式的透视图；

图6A是示出图1中示出的电机控制器中的示例性更新间隔的时序图；

图6B是示出图1中示出的分析模块的一个更新时段中的示例性采样和传输序列的时序图；以及

图7是结合本发明的一个实施方式的另一示例性运动应用的部分框图表示。

在描述附图中示出的本发明的各种实施方式时，为了清楚起见，将采用特定的术语。然而，本发明不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解的是，每个特定术语包括以类似方式操作来实现类似目的的所有技术等同物。例如，经常使用词“连接”、“附接”或与其类似的术语。它们不限于直接连接，而是包括通过其他元件的连接，其中这样的连接被本领域技术人员认为是等同的。

具体实施方式

接下来根据图1。参考在以下描述中详细描述的非限制性实施方式，更充分地说明本文中公开的主题的各种特征和有利细节。

本文中公开的主题提供了用于电机控制器与电机之间或者电机控制器与安装在电机上或邻近电机安装的设备之间的通信的改进的方法和系统。设置分析模块以用于与电机控制器的通信。为了简化布线，可以在分析模块与电机控制器之间利用通过两条数据线供电的双线、单对以太网接口。具有电力的以太网连接被称为以太网供电(PoE)。经由PoE连接供应至分析模块的电力被用于使分析模块通电。因此，单对以太网连接对于使分析模块通电以及提供模块与电机控制器之间的通信两者都是充足的布线。

根据本发明的不同实施方式，分析模块可以被配置成安装在不同的位置。根据本发明的第一实施方式，分析模块被配置成直接安装至电机驱动器。分析模块包括直接接合电机驱动器上的插座的以太网插头，并且还包括将分析模块固定至电机驱动器的至少一个机械联接器，例如螺钉、螺栓或其他紧固件。根据本发明的另一实施方式，分析模块可以被配置成独立于其他设备安装。分析模块被封装在其自身的壳体内，其中壳体包括诸如以下的安装特征：被配置成接合导轨的槽，例如，导轨由德国标准化学会(DIN)指定；或孔，螺栓可以穿过孔以安装至受控机器或过程上的控制面板或另一表面。根据本发明的又一实施方式，分析模块被配置成安装至由电机驱动器控制的电机。分析模块可以被配置成安装至机器的端表面、机器的侧表面或顶表面、或者机器上的现有壳体内。实施方式中的每一个包括分析模块上的连接器，该连接器被配置成接收PoE线缆的一端，其中PoE线缆的另一端连接至电机驱动器。

分析模块被配置成从安装在受控机器或过程上或其周围的多种不同类型的传感器或设备接收输入信号或输入数据。根据本发明的一个实施方式，分析模块包括主编码器接口，该主编码器接口被配置成从可操作地安装在电机上的第一编码器接收数据，该第一编码器提供关于电机的角位置的信息。分析模块还可以包括被配置成从第二编码器接收数据的辅助编码器接口。例如，第二编码器可以安装在沿电机的输出、连接至电机的齿轮箱的位置处或负载上，并且用于验证电机和/或电机之间的机械联接器的操作。类似地，第二编码器可以耦接至由电机驱动的受控机器或过程的元件并验证其操作。分析模块还包括至少一个附加输入。例如，每个附加输入可以是数字信号、模拟信号或串行输入，其对应于温度、振动、负载扭矩或由电机、齿轮箱上或邻近电机定位的传感器监测的其他操作参数。分析模块包括传感器接口电路，该传感器接口电路被配置成接收来自每个编码器和每个附加传感器的输入，并且将输入信号传送至位于分析模块内的处理单元。

处理单元被配置成将输入信号传输回电机控制器。因为分析模块经由双线、单对以太网接口连接至电机控制器，所以处理单元可以将从输入信号接收的数据组装成用于传输的数据包。另外，分析模块可以根据存在于工业网络上的协议来组装数据包，该工业网络连接在存在于受控系统中的工业控制器或中央控制器与电机控制器之间，并且分析模块可以将数据直接发送至工业控制器或中央控制器，其中电机控制器仅作为直通网关，从而使得数据包能够沿工业网络继续而无需在电机控制器内进行大量处理。当数据直接从分析模块传输至工业控制器或中央控制器时，位于电机控制器中的网络接口可以处理数据包的所有处理，而无需将数据包路由至电机控制器的处理器，从而消除了来自电机控制器的处理器的网关功能的处理负担。

分析模块中的处理单元还可以被配置成对传入数据执行一些初始功能。分析模块包括存储器并且可以存储多个数据样本。例如，处理单元可以组装多个样本，以用于到电机控制器或回到工业控制器的单个传输。处理单元可以被配置成执行数据的一些初始分析，例如，在发送数据之前将原始编码器数据转换为角位置或角速度。处理单元可以被配置成存储数据信号的基线值或在延长的时间段上存储数据，并且随时间的改变监测输入数据。通过随时间的改变进行检测，处理单元可以生成指示设备的故障的信号或生成指示需要预防性维护的信号。

处理单元可以被配置成以不同的更新速率传输数据。例如，来自编码器的原始数据可以被电机控制器用于实时控制。来自一个或更多个编码器的该数据可以以快速的更新速率传输。诸如来自温度传感器的输入信号的其他数据可能不会快速改变。处理单元可以被配置成以较慢的更新速率传输该数据，其中较慢的更新速率可以是可配置的，并且其范围根据应用需求从毫秒到秒或更长。还可以设想，处理单元可以被配置成与电机控制器通信以使分析模块中执行的周期性更新中的一个或更多个与在电机控制器中执行的周期性例程同步。

首先转到图1，提供了示例性工业控制器10以控制工业机器或过程的操作。示出的工业控制器10包括电力供应模块12、处理器模块14、通信模块16、多个输入模块18和多个输出模块20。远程机架经由适配器模块21连接至工业控制器。适配器模块21经由网络线缆22连接至通信模块16，并且经由在适配器模块21与彼此相邻安装的输入模块18和输出模块20中的每一个之间延伸的第二背板连接至另外的输入模块18和输出模块20。应当理解的是，工业控制器10可以包括许多不同的配置。工业控制器可以包括其中插入有模块的机架或多个机架。背板沿机架延伸以用于模块之间的通信，并且工业网络可以被配置用于远程机架之间或受控机器或过程内的其他设备之间的通信。根据示出的实施方式，每个模块安装在诸如DIN导轨的导轨11上。背板经由相邻模块上的连接器建立。其他工业控制器可以包括具有预定义处理器、通信接口、输入端和输出端的固定配置。示出的工业控制器10旨在是示例性而非限制性的。

处理器模块14被配置成串行地、并行地或串行和并行组合地执行控制程序或一系列不同的程序，以实现受控机器或处理15的期望操作。受控机器或过程中的运动可以通过利用电机驱动器30控制一个或更多个电机40的操作来实现。每个电机驱动器30和要由电机驱动器30控制的对应电机40有时被称为运动轴。示出的实施方式包括受控机器或处理15内的三个运动轴。受控机器或处理15根据应用需要可以包括任何数目的运动轴。在处理器模块14中执行的控制程序可以被配置成生成运动命令以实现受控机器或处理15的期望操作。可选地，一个或更多个专用运动模块可以被包括在工业控制器10中以生成运动命令。这些运动命令又被发送至电机控制器30。

根据示出的实施方式，网络线缆22连接在通信模块16与每个电机控制器30之间，运动命令可以在该网络线缆上传输。可选地，网络线缆22可以直接连接至处理器模块14，或者网络线缆22可以连接至工业控制器10中包括的运动模块。每个电机控制器30包括至少一个网络通信端口32。根据示出的实施方式，每个电机控制器30包括多个通信端口。第一电机控制器30上的第一通信端口32连接至通信模块16，并且第一电机控制器30上的第二通信端口32连接至第二电机控制器30上的第一通信端口32。另外的电机控制器30可以以类似的方式从第二电机控制器30的第二通信端口32连接，使得多个电机控制器30可以以菊花链配置连接。每个电机控制器30上的第三通信端口34连接至分析模块70，如将在下面更详细地讨论的。

每个电机控制器30可操作地连接至电机40，并且被配置成控制所连接的电机的操作。根据示出的实施方式，每个电机控制器30从电源31接收电力。电源31根据应用需要可以是多相交流(AC)电压、单相AC电压或直流(DC)电压。电机控制器30将在输入端处接收的电力转换为在输出端33处供应的期望电压和/或电流，以实现电机40的期望操作。

根据本发明的一个实施方式，成对线缆35、37可以在电机控制器30与电机40之间延伸。第一线缆35是单对以太网线缆，并且被用于电机控制器30与电机40之间的通信。第一线缆35连接在电机控制器30上的通信端口34中的一个与分析模块70之间。第二线缆37被用于将来自电机控制器30的输出端33的电压供应至电机40。

根据本发明的另一实施方式，单个线缆(未示出)可以在电机控制器30与电机40之间延伸。单个线缆可以被配置成包括用于单对以太网和输出电压二者的导体。单对以太网进入分析模块70，并且用于输出电压的导体在分析模块处被分离出来并被提供给电机40。单对以太网线缆被配置成经由单对以太网线缆上的PoE为分析模块70的操作提供电力。

每个电机40包括定子和转子。在许多应用中，期望电机控制器30知道转子的角位置。诸如编码器或解析器的位置反馈设备46可以安装至转子的一侧，其中位置反馈设备46被配置成生成与转子的角位置对应的位置反馈信号。转子的另一端包括驱动轴48，该驱动轴可以连接至驱动组件，受控机器或处理15通过驱动组件进行操作。可以设想，驱动组件可以是齿轮箱、滑轮、驱动链、滚珠丝杠、其他驱动构件或其组合，通过它们，由于转子在电机40内的旋转，在受控机器或处理15中获得期望运动。在某些应用中，例如机器人运动，可能期望在驱动组件的输出端处提供第二编码器，其中第二编码器可以可操作地连接至来自驱动组件的输出驱动构件。可以使用第二编码器来验证位于驱动组件的输出端处的端部执行器或工具的角位置，并且第二编码器提供第二位置反馈信号。

还可以设想，电机40可以包括安装在电机上或邻近电机安装的另外的设备80，其中另外的设备80生成与电机40、驱动组件或受控机器或处理的其他方面的操作对应的信号。可以设想，另外的设备80可以是被配置成测量例如温度、角加速度、振动、取向、接近度、水平、断开或闭合的接触等的传感器。例如，另外的设备80中的一个可以是安装在电机主体中或电机外部的温度传感器，其中温度传感器被配置成分别生成用于电机的温度反馈信号或环境温度的温度反馈信号。包括位置反馈信号、第二位置反馈信号(如果存在)、温度反馈信号的每个邻近电机40的反馈信号或由安装在电机40上或邻近电机40安装的其他设备80生成的任何其他反馈信号被提供给分析模块70以用于随后传输回电机控制器30。

接下来转到图3A至图5，分析模块70可以采用若干不同形状因子中的一个。在图3A中，分析模块70A被配置成直接安装至电机驱动器30。分析模块70A包括与电机驱动器上的通信端口34互补的插头71(参见图3B)。根据本发明的一个实施方式，插头71具有RJ45形状因子并且被配置成在电机驱动器30与分析模块70A之间建立单对以太网连接。可选地，插头71可以具有不同于RJ45形状因子的形状因子以将单对以太网连接与标准以太网连接区分开。其中插入有分析模块70A上的插头71的通信端口34被类似地配置成经由单对以太网连接传导。分析模块70A包括一对安装孔73，螺钉或螺栓可以通过该安装孔73插入。电机驱动器30上的互补开口39与分析模块上的安装孔73对准。螺钉或螺栓可以通过安装孔73插入并固定至电机驱动器30上的开口39，以将分析模块70A保持到电机驱动器30。可选地，卡式螺钉或螺栓可以被提供给分析模块70A并由分析模块70A保持。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用将分析模块70A紧固至电机驱动器30的另外的方法。分析模块70A包括至少一个插座75，该至少一个插座75被配置成接收来自邻近电机40安装的远程设备80的插头。根据另外的选择，分析模块70A可以包括端子77，来自远程设备80的线缆可以连接至该端子77。

在图4中，分析模块70B被配置成安装至DIN导轨11。分析模块70B包括与电机驱动器30上的通信端口34互补的通信端口79。根据本发明的一个实施方式，通信端口具有RJ45形状因子并且被配置成接收连接在电机驱动器30与分析模块70B之间的单对以太网线缆的一端。电机驱动器30上的通信端口34被配置成接收单对以太网线缆的另一端。可选地，一个或更多个网络设备例如交换机、路由器、网关等可以连接在电机驱动器30与分析模块之间。分析模块70B包括在模块的后部上的安装槽81，该安装槽81被配置成接合DIN导轨11。可选地，分析模块70B可以包括与图3A、图3B中示出的实施方式类似的安装孔73。分析模块70B于是可以安装至受控机器或处理15中的任何位置处的控制面板。分析模块70B包括至少一个插座75，该至少一个插座75被配置成接收来自邻近电机40安装的远程设备80的插头。根据另外的选择，分析模块70B可以包括端子77，来自远程设备80的线缆可以连接至该端子77。

在图5中，分析模块70C被配置成直接安装至电机40。分析模块70C包括被配置用于工业应用的一个或更多个连接器83。可以设想，连接器83可以包括螺纹外周。互补连接器可以插入电机连接器83中，并且互补连接器上的保持环可以旋拧到螺纹外周上以将线缆固定至电机。可选地，连接器可以包括垫圈以为连接器提供气密或水密密封。根据应用需求可以实现其他形状因子。单对以太网线缆的一端可以配置有互补连接器，使得从电机驱动器30到安装在电机40上的分析模块70C建立单对以太网连接。在某些应用中，提供具有如关于分析模块70B的第二实施方式所示的RJ45形状因子的通信端口是可接受的。电机驱动器30上的通信端口34被配置成接收单对以太网线缆的另一端。可选地，一个或更多个网络设备例如交换机、路由器、网关等可以连接在电机驱动器30与分析模块之间。分析模块70C根据任何合适的安装配置安装至电机40。分析模块70C包括至少一个插座75，该至少一个插座75被配置成接收来自邻近电机40安装的远程设备80的插头。根据另外的选择，分析模块70C可以以与图3和图4的实施方式类似的方式包括端子，来自远程设备80的线缆可以连接至该端子。根据另一选择，当分析模块70C安装至电机40时，应用非常适合于在分析模块内嵌入一个或更多个传感器，例如，振动传感器或温度传感器。反馈信号可以直接从传感器提供给分析模块70C中的处理器92。

接下来参照图2，处理器模块14包括处理器51，处理器51与存储器设备50通信，以执行操作系统程序和控制程序，操作系统程序通常控制处理器模块14的操作，控制程序描述受控机器或处理15的期望操作，其中每个控制程序通常对于工业控制系统的给定应用是唯一的。处理器模块14经由在背板连接器23之间延伸的背板25与相邻模块通信。设置时钟电路53以生成用于处理器模块14的时钟信号。可以设想，处理器模块14中的时钟电路53可以是主时钟模块，控制系统中的其他时钟电路中的每一个被同步到该主时钟模块。

网络模块16类似地包括与存储器设备60通信的处理器61，以执行用于网络模块的操作的指令。网络模块16经由在背板连接器23之间延伸的背板25与相邻模块通信。网络模块16包括被配置成生成用于网络模块16的时钟信号的时钟电路63。网络模块16还包括被配置成连接至工业网络的通信接口65。通信接口65可以包括多个通信端口，其中每个通信端口可以是相同的并且被配置成经由单个工业网络通信。可选地，通信接口65可以包括具有用于不同工业网络的不同配置的通信端口。为期望的工业网络配置的网络线缆22被配置成连接至每个通信端口65。通信端口包括通信栈的物理元件，以从网络线缆22接收数据，并且沿线缆22将数据包传递至另一设备或者将数据包上传至处理器61。处理器61还可以生成数据包并且通过通信接口65将数据包向下返回地传输至网络线缆22。通信接口65在工业控制网络上提供低级电协议的执行。类似的通信接口电路可以设置在诸如电机驱动器30或分析模块70的其他设备上，以提供设备之间的通信。

每个电机驱动器30包括控制电路89，该控制电路89包括微处理器82和存储在存储器84中的程序和/或专用控制电路系统，例如，专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。控制电路89可以包括一个或更多个专用处理设备，例如，该一个或更多个专用处理设备被配置成在电机驱动器30的电力段88中控制电力电气设备的切换，以将输入端31处的电压转换为电机驱动器30的输出端33处的期望电压。电机驱动器30包括被配置成生成用于电机驱动器30的时钟信号的时钟电路86。电机驱动器30还包括被配置成连接至工业网络的通信接口85。根据示出的实施方式，通信接口85包括通信端口32、34中的每一个，并且提供经由任何期望的工业协议(例如，或/> 或/>)执行低级电协议。通信接口85被配置成经由单对以太网连接与分析模块70通信。

分析模块70包括与存储器94通信的处理器92，并且被配置成执行存储在存储器94中的一系列指令。处理器92可以是单个处理器、多个处理器或布置在单个设备上的多个处理核。处理器92可以被配置成异步地、同步地、串行地或协同地执行单个系列的指令或多个系列的指令。存储器94可以是单个设备或多个设备，并且包括非易失性存储器的至少一部分。分析模块70还包括用于管理与电机控制器30的通信的通信接口96。根据本发明的一个实施方式，通信接口96是以太网接口。类似地，电机控制器30上的通信端口34是以太网端口。如果工业控制器10与电机控制器30之间的网络类似地是以太网或工业以太网，则可以在分析模块70与电机控制器30之间或在分析模块70与连接至网络的其他设备例如工业控制器10之间传输数据包。通信接口96可以是处理器92的一体部件，或者可选地，单独的通信接口96可以被布置在安装接口96和处理器92的公共印刷电路(PC)基板上。通信接口96被配置成根据网络协议通过网络传输和接收数据包，其中协议优选地是工业网络协议。

根据本发明的一个方面，分析模块70与电机驱动器30之间的以太网连接被配置为具有PoE的单对以太网连接。电力调节器97被设置在分析模块中，并且被配置成从通信接口96接收电力。电力调节器97可以包括被配置成接收单对以太网连接上注入的DC电压的一个或更多个电力调节器设备。注入的DC电压可以在5VDC至57VDC的范围内，并且优选地在7VDC至12VDC的范围内。电力调节器97将输入电压转换为期望的输出电压，例如，3.3VDC、5VDC、24VDC或使分析模块70内的电子设备通电所需的任何其他DC电压。例如，从电力调节器97输出的DC电压被提供给处理器92、存储器94和分析模块70内的其他电路以用于操作。

分析模块70还包括时钟电路93和传感器接口91。时钟电路93生成用于在分析模块70中使用的时钟信号。传感器接口91被配置成接收提供给通信模块的反馈信号中的每一个。例如，传感器接口91可以包括临时存储反馈信号的值的缓冲器或将模拟反馈信号转换为数字反馈信号的模数转换器。传感器接口91包括用于接收反馈信号并将其处理为用于处理器92的适当形式的电路系统和部件。

在操作中，分析模块70提供安装在由电机控制器30控制的电机40上或邻近电机40安装的一个或更多个传感器/设备之间的接口。通常，电机控制器30用作工业网络中的最终节点。位置反馈数据或来自安装在电机40上或邻近电机40安装的其他传感器/设备的数据首先被传输至电机控制器30，并且然后可以通过网络传输。类似地，例如，如果传感器是具有被远程配置的能力的智能传感器，则电机控制器30必须被配置成首先接收配置包，并且然后必须建立电机控制器30与传感器之间的通信接口以传递配置包。然而，以这样的能力操作对电机控制器30提出了额外的要求。电机控制器30必须配置有附加的输入端和输出端，所述附加的输入端和输出端被配置成接收或发送信号，其中设备安装在电机40上或邻近于电机40。类似地，电机控制器中的处理带宽的一部分需要用作网关以接收数据反馈信号，将这些信号打包成数据包，并且将它们传输至工业控制器10。还需要每个设备与电机控制器30之间的专用布线。随着位于电机40上或邻近电机40定位的设备的数目增加，所需的导体的数目增加，从而增加了布线所需的物理空间，降低了捆绑的线的灵活性，增加了发生布线错误的可能性。

在受控机器或处理15中包括分析模块70减少了对电机控制器30的处理要求，并且简化了电机40与电机控制器30之间的布线。如图1所示，布线仅包括一对线缆35、37，其中单对以太网线缆35连接在电机驱动器30与分析模块70之间，以及电力线缆37在电机控制器30与电机40之间延伸。在本发明的一些实施方式中，该对线缆35、37可以组合成单个线缆。单个线缆包括用于单对以太网的一对导体，到电机的电力导体和接地导体。单个线缆在电机控制器30与分析模块70之间延伸。对于图5中示出的电机上的实施方式，电机控制器30与电机40之间的所有布线可以经由单个线缆进行。例如，如果分析模块70如图4所示离开电机40地安装，则单个线缆在电机控制器30与分析模块70之间延伸。单对以太网导体电连接至分析模块70中的通信接口96，并且电力导体和接地导体电连接至在分析模块70与电机40之间延伸的单独的线缆，以将电压从电力段88提供给电机40。

传感器线缆69在位置反馈设备46与邻近电机定位的其他设备80之间延伸到分析模块70。分析模块70接收反馈信号并将它们传输回电机驱动器30、工业控制器10或其他处理设备。由这些传感器线缆69传输的反馈信号在传感器接口91处被接收。反馈信号可以是专有数据包，例如，由某些位置反馈设备生成的专有数据包，或者反馈信号可以是与受控机器或过程15中的操作状态对应的数字或模拟信号。传感器接口91将反馈信号转换为适合在数字处理器中使用的数字值，并且将信号传递至分析模块中的处理器92。然后分析模块70中的处理器92对反馈信号的值进行采样以用于传输。处理器92可以周期性地对反馈信号的值进行采样，并且将这些值插入数据包中，以用于经由单对以太网连接实时地进行传输。可选地，处理器92可以周期性地对反馈信号的多个值进行采样，并且将多个值打包以用于以单个包的传输。根据本发明的另外的方面，处理器92可以被配置成对反馈信号执行一些初始处理。例如，处理器92可以对采样值进行滤波，或者例如将采样值从位置反馈信号转换为速度反馈信号。然后，处理器92可以将处理后的数据插入数据包中，以用于传输回电机控制器30或工业控制器。如果反馈信号(例如，电机的角位置)旨在用于电机控制器30，则分析模块70将生成的数据包传输至电机控制器30，或者如果反馈信号对于在工业控制器的处理器模块14中执行的控制程序是需要的，则分析模块70可以将数据包传输回工业控制器10。

根据本发明的一个方面，系统中的设备中的每一个具有彼此同步的时钟电路。例如，可以使用如IEEE-1588标准所定义的精确时间协议(PTP)来执行同步。一个时钟电路被定义为主时钟电路，或者优选地，被定义为总控时钟电路，并且同步到诸如全球定位系统(GPS)的外部时间参考。一旦主时钟电路或总控时钟电路已经同步，工业网络中的相邻设备中的时钟电路就同步到主时钟电路或总控时钟电路。工业网络中的相邻设备不是指物理定位，而是沿工业网络与另一设备相距一个通信跳(communication hop)的设备。将沿工业网络的连续的设备同步，直到所有时钟电路都已被同步。例如，参照图2，处理器模块14中的时钟电路53用作主时钟电路或总控时钟电路。通信模块16中的时钟电路63被同步到处理器模块中的时钟电路53。电机驱动器30中的时钟电路86被同步到通信模块中的时钟电路63，并且分析模块70中的时钟电路93被同步到电机驱动器30中的时钟电路86，使得所有时钟电路同步执行。

在运动应用中，电机40的精确控制需要电机控制器30接收电机40的角位置。除了接收角位置之外，电机控制器30必须以精确的间隔获得采样值，并且优选地，以间隔期间的一致时间(即，没有抖动)获得采样值。在电机控制器30内执行的控制算法类似地以与角位置被采样相同的间隔或以间隔的倍数执行。在传统的控制系统中，位置反馈信号直接从位置反馈设备46提供给电机控制器30。因此电机控制器30可以根据电机控制器30中执行的控制算法的需要在任何时间对位置反馈信号进行采样。然而，由于位置反馈信号经由分析模块70传输至电机控制器30，因此电机控制器30必须与分析模块70协调以以期望的时间间隔获得角位置。

参照图6A和图6B，示例性时序图示出了电机控制器30与分析模块70之间的更新时段的协调。图6A示出了在电机控制器30中执行的两个不同的周期性更新间隔。第一更新间隔102较慢，并且以两毫秒间隔执行。第二更新间隔104较快，并且以一百微秒的间隔执行。第一更新间隔102可以被配置成执行较慢的控制环路，例如，位置控制环路或速度控制环路。第二更新间隔104可以被配置成执行较快的控制环路，例如，电流调节器。根据应用需要，在电机控制器30内可以存在另外的周期性更新间隔以及指令的后台执行。图6B示出了在分析模块70内执行的一个周期性更新间隔。第一周期性信号106对应于每个周期性更新间隔的开始。第二周期性信号108对应于周期性更新间隔内的数据从分析模块70传输至电机控制器30的时间。

根据本发明的一个方面，电机控制器30可以向分析模块70提供更新时段的开始的指示，该电机控制器30希望反馈信号以该更新时段被采样。电机控制器30传送第二更新间隔104的开始时间和持续时间，其中电机控制器30需要位置反馈数据。分析模块70可以将与第一周期性信号106对应的其周期性更新间隔的持续时间设置为等于电机控制器30的第二更新间隔104的持续时间。因为分析模块70中的时钟电路93与电机控制器30中的时钟电路86在时间上同步，所以分析模块70还可以将其周期性间隔的起始点106设置为与电机控制器30中的第二周期性间隔104的起始点一致。因此，电机控制器30内的第二周期性更新间隔104可以与分析模块70中的周期性更新间隔同步地执行。分析模块在如第一周期性信号106所指示的每个更新间隔的开始处对位置反馈信号进行采样。分析模块将反馈信号的值打包成数据包，并且在第二周期性信号108所指示的时间将反馈信号的值传输至电机控制器30。因此，分析模块70可以与电机控制器30协调以用于电机40的实时控制。

根据本发明的另一方面，分析模块70可以存储与其对位置反馈信号进行采样的时间对应的时间戳。时间戳可以与位置反馈信号的值一起被插入数据包中。电机控制器30接收时间戳和位置反馈信号。电机控制器30可以使用来自两个顺序数据包的数据，以根据在每个时间戳处获得的位置反馈信号的值在两个时间戳之间内插位置反馈信号的值。

根据本发明的另一方面，可以设想，在电机控制器30的第二周期性更新周期104内，除了位置反馈信号之外的其他数据可能需要从分析模块70传输至电机控制器30。在一个应用中，可以安装第二位置反馈设备以提供对第一位置反馈设备46的检查或验证机械传动系的操作。来自第二位置反馈设备的位置反馈信号可以类似地在每个周期的开始处被采样，并且两个角位置值可以被打包成数据包并被传输至电机控制器30。在另一应用中，可能期望电机控制器30以与电机的角位置相同的频率具有来自传感器80中的一个或更多个的数据，所述传感器80邻近电机地安装。例如，振动传感器可以安装至电机，并且生成与在电机40上测量的振动对应的反馈信号。振动反馈信号的值可以在位置反馈信号内打包在数据包中，并且与角位置协同地传输至电机控制器30。可以设想，在每个数据包中要发送的数据在电机控制器30内是可配置的，并且例如，电机控制器30可以在上电期间或在调试过程期间发送初始配置包，以配置分析模块70在第二周期性更新间隔104期间相应地以周期性频率传输期望数据。

根据本发明的另外的方面，可以设想，数据传送可以在电机控制器30与分析模块70之间是双向的。电机控制器30可以根据应用需要以第一周期性间隔102、第二周期性间隔104或以任何其他合适的间隔传输数据。例如，电机控制器30还可以响应于从工业控制器10接收的控制信号而“按需”生成数据包。作为示例性应用，电机控制器30可以经由串行通信来控制电机40上的制动器的操作。当电机控制器30接收到运行命令时，电机控制器30依次生成具有制动释放信号的数据包。分析模块70接收具有制动释放信号的数据包，并且将输出信号设置到制动器，使制动器打开。可以设置传感器作为远程设备80中的一个，其中传感器生成指示制动器是打开还是关闭的反馈信号。分析模块70依次将反馈信号插入数据包中以用于传输回电机控制器。

如以上所讨论的，分析模块70被配置成不仅从位置反馈设备46而且还从安装在电机40上或邻近电机40安装的其他设备80接收反馈信号。电机控制器30和/或工业控制器10周期性地需要反馈信号的值。然而，用于获得其他反馈信号的值的定时通常不像位置反馈信号那样关键和/或不需要像位置反馈信号那样频繁的更新。例如，电机控制器30可以执行生成脉宽调制(PWM)信号的例程，以控制电机40在2千赫兹至20千赫兹(2kHz至20kHz)范围内的频率下的操作，并且一些应用可能需要甚至大于20千赫兹的PWM频率。本文中讨论的示例性应用可以在10千赫兹(10kHz)或在一百微秒更新时段104内执行PWM例程。相比之下，工业控制器10或电机控制器30可能仅需要在每两毫秒间隔102期间或以诸如五毫秒或十毫秒(5毫秒至10毫秒)的较慢间隔来获知其他传感器反馈信号(例如，制动反馈信号或电机温度值)。分析模块70然后可以被配置成以第一周期性间隔106生成包括位置反馈信号的第一数据包，该第一周期性间隔106被同步到电机控制器30中的对应更新间隔，并且分析模块70可以被配置成以第二周期性间隔生成包括诸如制动反馈信号的其他反馈信号的第二数据分包，其中第二周期性间隔比第一周期性间隔长。这些反馈信号还可以由工业控制器10或电机控制器30按需请求。还可以设想，可以将按需消息用于关于上电、参数配置的配置消息、以及可能不频繁发送或仅在需要时发送的其他消息。

接下来转到图7，在本发明的一些实施方式中，分析模块70被配置成响应于在模块处接收的数据来执行至少一个控制指令。如先前关于制动控制信号所讨论的，数据可以从电机控制器30传输至分析模块70。可选地，来自远程设备80中的一个的反馈信号可以提供由控制指令使用的数据。图7示出了具有示出的两个梯级的梯形程序115的段。第一梯级可以包括具有至少一个状态位的比较指令、定时器指令等。当在分析模块70处接收的数据指示其是适当的时，用作第一梯级中的第一控制指令的触点被闭合并且指令被执行。由第一梯级中的第二指令设置的状态位用于设置触点，其用作第二梯级中的第一控制指令，其又设置输出端。可选地，可以直接使用数据，例如制动控制信号来设置输出。输出被设置到致动器120以在受控机器或处理15内实现期望功能。根据一个示例，致动器120可以是胶枪(glue gun)，其被配置成在沿生产线移动的产品上输出胶滴。每个产品可以恰好在电机40的一转经过胶枪。因此，位置反馈信号被提供给比较指令，并且当位置反馈信号在每转期间等于期望的角位置时，设置输出，使胶枪在电机40的每转中输出一次胶滴。

应当理解的是，本发明在其应用中不限于本文中阐述的构造细节和部件的布置。本发明能够有其他实施方式，并且能够以各种方式实践或执行。前述内容的变化和修改在本发明的范围内。还应当理解，本文中公开和限定的本发明扩展到文本和/或附图中提及的或明显的两个或更多个单独特征的所有替选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替选方面。本文中描述的实施方式说明了实践本发明的最佳模式并将使本领域其他技术人员能够利用本发明。

在前面的说明书中，已参照附图描述了各种实施方式。然而，将明显的是，在不脱离如在所附权利要求中阐述的本发明的更广泛的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变，并且可以实现其他实施方式。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于电机驱动器与至少一个电子设备之间的通信的系统，其中，所述电机驱动器能够操作用以控制工业控制系统中的电机，所述系统包括：

所述电机驱动器中的第一以太网通信接口，所述第一以太网通信接口被配置成接收单对以太网线缆的第一端；以及

分析模块，还包括：

第二以太网通信接口，所述第二以太网通信接口被配置成接收所述单对以太网线缆的第二端，其中，经由所述单对以太网线缆从所述电机驱动器向所述分析模块提供电力，

至少一个输入端，所述至少一个输入端被配置成接收来自所述至少一个电子设备的反馈信号，所述反馈信号对应于所述工业控制系统中的操作状态，以及

处理器，所述处理器被配置成：

接收来自所述至少一个输入端的反馈信号，

在数据包中插入所述反馈信号的值，以及

经由所述单对以太网线缆将所述数据包实时地传输至所述电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

所述电机驱动器中的第一时钟电路；以及

所述分析模块中的第二时钟电路，其中，所述电机驱动器被配置成传输同步命令以将所述第二时钟电路同步到所述第一时钟电路。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述分析模块以与所述电机驱动器中的更新时段同步的预定义时间间隔获得所述反馈信号的值。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：

从所述第二时钟电路获得与接收到所述反馈信号对应的时间戳，以及

将所述时间戳与所述反馈信号的值一起插入所述数据包中。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：

响应于所述反馈信号执行至少一条控制指令，以及

根据所述反馈信号从所述至少一条控制指令生成至少一个输出信号。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数据包被配置成由除了所述电机驱动器之外的另一设备接收，并且所述电机驱动器被配置成利用网络接口接收所述数据包并将所述数据包从所述网络接口再传输至所述另一设备。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个电子设备是被配置成生成与所述电机的角位置对应的位置反馈信号的位置反馈设备。

8.根据权利要求7所述的系统，其中：

所述至少一个电子设备包括第一电子设备和第二电子设备，

所述第一电子设备是所述位置反馈设备，

所述第二电子装置是被配置成生成与所述工业控制系统的操作状态对应的另一反馈信号的另一反馈设备。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述处理器还被配置成：

以第一周期性间隔在第一数据包中插入所述位置反馈信号的值，

以所述第一周期性间隔传输所述第一数据包，

以第二周期性间隔在第二数据包中插入所述另一反馈信号的值，

以所述第二周期性间隔传输所述第二数据包，并且

所述第一周期性间隔比所述第二周期性间隔短。

10.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述电机驱动器包括以太网插头或以太网插座，

所述分析模块包括以太网插头或以太网插座，所述分析模块与所述电机驱动器互补，并且

所述分析模块被配置成安装至所述电机驱动器，使得所述电机驱动器上的所述以太网插头或以太网插座接合所述分析模块上的互补的以太网插头或以太网插座。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分析模块包括被配置成接合DIN导轨的槽，以用于安装。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分析模块被配置成安装至所述电机。

13.一种用于电机驱动器与至少一个电子设备之间的通信的方法，其中，所述电机驱动器能够操作用以控制工业控制系统中的电机，所述方法包括以下步骤：

在分析模块的输入处接收来自所述至少一个电子设备的反馈信号，其中：

所述分析模块经由单对以太网线缆连接至所述电机驱动器，

所述分析模块被配置成经由所述单对以太网线缆从所述电机驱动器接收电力，并且

所述反馈信号对应于所述工业控制系统中的操作状态；

利用用于所述分析模块的处理器将所述反馈信号的值插入数据包中；以及

经由所述单对以太网线缆将所述数据包实时地传输至所述电机驱动器。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

将同步命令从所述电机驱动器传输至所述分析模块；以及

将所述分析模块中的第二时钟电路与所述电机驱动器中的第一时钟电路同步。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

将所述电机驱动器内的周期性更新间隔的开始时间提供给所述分析模块；以及

在所述分析模块中与每个周期性更新间隔同步地对至少一个反馈信号进行采样，其中，所述反馈信号的值是通过采样获得的并且在每个周期性更新间隔期间被传输至所述电机驱动器。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：

从所述第二时钟电路获得与接收到所述反馈信号对应的时间戳，以及

将所述时间戳与所述反馈信号的值一起插入所述数据包中。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

响应于所述反馈信号，利用所述分析模块中的处理器执行至少一条控制指令，以及

响应于执行所述至少一条控制指令，并且根据所述反馈信号，利用所述处理器生成至少一个输出信号。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，至少一个附加数据包被配置成由除了所述电机驱动器之外的设备接收，所述方法还包括以下步骤：

在所述电机驱动器中的网络接口处接收所述数据包；以及

利用所述网络接口将所述数据包再传输至除了所述电机驱动器之外的设备。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少一个电子设备是位置反馈设备，所述位置反馈设备被配置成生成与所述电机的角位置对应的位置反馈信号，并且其中，所述电机驱动器被配置成根据经由所述分析模块接收的位置反馈信号来控制所述电机的操作。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述至少一个电子设备包括第一电子设备和第二电子设备，

所述第一电子装置是所述位置反馈设备，

所述第二电子设备是被配置成生成与所述工业控制系统的操作状态对应的另一反馈信号的另一反馈设备，

所述方法还包括以下步骤：

以第一周期性间隔将所述位置反馈信号的值插入第一数据包中，

以所述第一周期性间隔传输所述第一数据包，

以第二周期性间隔将所述另一反馈信号的值插入第二数据包中，以及

以第二周期性间隔传输所述第二数据包，其中，所述第一周期性间隔比所述第二周期性间隔短。