CN117561674A - 伺服系统和伺服系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种成本上升较少的、高可靠性的伺服系统和伺服系统的控制方法。伺服系统具有伺服电动机、检测伺服电动机的位置/速度的旋转信息的编码器、以及用旋转信息驱动控制所述伺服电动机的伺服放大器。伺服放大器包括由硬件构成的编码器通信接口、基于运行指令和经由编码器通信接口输入的旋转信息来运算控制所述伺服电动机的控制指令的处理器、以及基于控制指令驱动控制所述伺服电动机的控制部。而且，处理器对从编码器直接接收到的旋转信息与经由所述硬件通信接口输入了的旋转信息进行比较，对双方的旋转信息进行比较，在不一致的情况下诊断为故障。

Description

伺服系统和伺服系统的控制方法

技术领域

本发明涉及伺服系统和伺服系统的控制方法。

背景技术

伺服系统具有检测伺服电动机的旋转信息(旋转速度、旋转位置)的编码器，以及导入(反馈)来自编码器的旋转信息并基于伺服电动机的驱动指令信息(运行指令)和反馈的旋转信息求取伺服电动机的控制指令，并且用该控制指令驱动控制伺服电动机的伺服放大器。伺服放大器大多由微处理单元(MPU)等处理器和按照来自处理器的控制指令工作的控制部构成。

然而，为了在伺服系统中提高控制精度，需要高频度地生成控制信号来进行控制，需要更高速且可靠地对伺服放大器反馈来自编码器的旋转信息。但是，对伺服放大器导入该反馈的旋转信息(编码器的输出信号)的情况下，要经由使用软件的接口导入时，存在不能高速地导入旋转信息的情况。因此，使用FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)或ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)等硬件作为输入旋转信息时的接口(编码器通信接口)。例如，日本特开2015-231255号公报(专利文献1)中，公开了经由现场可编程门阵列(FPGA)对处理器即MPU反馈编码器的输出(旋转信息)的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-231255号公报

发明内容

发明要解决的课题

如专利文献1所示，通过将使用了FPGA或ASIC等硬件的编码器通信接口用作通信接口，因为能够高速地输入旋转信息，所以能够进行高速处理，能够实现伺服精密控制。

但是，在用使用了FPGA或ASIC等硬件的编码器通信接口的情况下，存在难以检测关于硬件的全部故障(例如软错误等)的情况，在应用于高安全度水准的功能安全的情况下仍然存在课题。这样的情况下，为了保障高安全度水准的功能安全，考虑使用硬件使编码器通信接口冗余化，即设置2个以上的编码器通信接口，检测其信息是否一致而提高硬件的故障检测的可靠性，提高伺服系统整体的可靠性。

但是，在这样的使用硬件使编码器通信接口冗余化的方法中，会产生伺服系统的成本提高和用于设置的面积增大等课题。

于是，本发明目的在于提供一种成本上升较少的、高可靠性的伺服系统和伺服系统的控制方法。

用于解决课题的技术方案

对于本发明，举其一例，是一种具有伺服电动机、检测所述伺服电动机的旋转信息的编码器、以及用所述旋转信息驱动控制所述伺服电动机的伺服放大器的伺服系统，其中，所述伺服放大器包括：由硬件构成的编码器通信接口；基于运行指令和经由所述编码器通信接口输入的所述旋转信息来运算用于控制所述伺服电动机的控制指令的处理器；和基于所述控制指令驱动控制所述伺服电动机的控制部，所述处理器对从所述编码器直接接收到的所述旋转信息与经由所述编码器通信接口输入了的所述旋转信息进行比较，基于双方的所述旋转信息的比较结果来诊断所述编码器通信接口有无故障。

另外，举出本发明的另一例，是一种具有伺服电动机和检测所述伺服电动机的旋转信息的编码器的、基于所述编码器的所述旋转信息驱动所述伺服电动机的伺服系统的控制方法，其中，基于运行指令和经由使用了硬件的编码器通信接口输入了的所述旋转信息来驱动所述伺服电动机，并且对经由所述编码器通信接口输入了的所述旋转信息与从所述编码器直接输入的所述旋转信息进行比较，基于双方的所述旋转信息的比较结果来诊断所述编码器通信接口有无故障。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种在由使用了硬件的编码器通信接口驱动伺服系统的情况下也能够实现成本上升较少的高可靠性的伺服系统的伺服系统和伺服系统控制的方法。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1中的伺服系统的图。

图2是实施例中的伺服系统的动作流程图。

图3是说明实施例1中的对2种旋转信息进行比较时的数据间隔剔除的图。

图4是表示本发明的实施例2中的伺服系统的结构图。

图5是表示编码器与处理器的连接方式的例子的图。

图6是表示图5的连接方式下的伺服系统的结构图。

具体实施方式

以下，用具体的实施例更详细地说明本发明。另外，本发明并不限定于以下说明的实施例。即，本发明包括以下说明的实施例地能够变形为各种方式。另外，以下说明中使用的附图中，对于同一部件或构成机器使用同一附图标记(编号)，有时省略关于已说明的部件或构成设备的说明。

《实施例1》

接着，对于本发明的实施例1，使用图1～图3进行说明。图1是表示本发明的实施例1中的伺服系统的整体结构的图。图2是表示实施例1的动作流程的图。图3是用于说明实施例1中的对2种旋转信息进行比较时的数据间隔剔除的图。

如图1所示，伺服系统1由伺服放大器2、伺服电动机3和检测伺服电动机3的旋转信息(旋转位置、旋转速度等)的编码器4构成。编码器4按照通信协议接收来自伺服放大器2的请求，按照请求对伺服放大器2发送与请求对应的旋转信息。伺服放大器2导入(反馈)通过与编码器4通信而得到的旋转信息，基于伺服电动机的指令信息(运行指令)和所导入的旋转信息求取伺服电动机的控制指令，用该控制指令驱动控制伺服电动机。

此处，伺服放大器2具有以微处理器为基础的控制IC即微控制器单元(MCU：MicroController Unit)5、控制伺服电动机3的控制部6、以及接收、处理从编码器4发送来的旋转信息(旋转位置、速度)的反馈数据的编码器通信接口7。该编码器通信接口7使用FPGA、ASIC等硬件。

本实施例中，MCU5具有串行通信接口(SCI：Serial Communication Interface)51、包括进行编码器通信接口7的异常诊断(故障诊断)的功能的安全诊断部52、运算生成对控制部6的控制指令的控制指令生成部53、输出对编码器4的请求的请求生成部54、以及在安全诊断部52诊断为故障(异常)的情况下进行其应对的故障应对部55。另外，SCI51也可以安装在MCU5外部，此处设置于MCU5内的输入端部而实现紧凑化。

在控制指令生成部53的控制指令的生成中，为了实现伺服精密控制而使用从高速地输入编码器4的旋转信息的编码器通信接口7得到的旋转信息FB2。

SCI51是接收从编码器通信协议发送来的串行数据的接口。SCI51能够进行全双工通信，接收从编码器4串行地发送来的数据(旋转信息)，在SCI51的寄存器中蓄积该旋转信息，并且按FIFO的顺序将寄存器中蓄积的数据发送至MCU5和编码器通信接口7。这样，本实施例中，构成为能够从1个SCI51对MCU5和编码器通信接口7发送旋转信息。因为以从1个SCI51得到的方式共用旋转信息，所以电路变得简单，在成本上和控制上都是优选的。

安全诊断部52为了确保伺服放大器2的安全而进行安全诊断。安全诊断实施伺服放大器2的硬件电路的故障检测、MCU5的内部软件相关的故障检测和编码器通信接口7的故障诊断。这些安全诊断中，编码器通信接口7的故障诊断是通过对经由SCI51对MCU5直接输入(反馈)的旋转信息FB1、与经由编码器通信接口7对MCU5输入的旋转信息FB2进行比较而进行的。故障应对部55基于安全诊断部52的诊断结果来执行伺服电动机的紧急停止等适当的对策。

控制指令生成部53生成对控制部6的位置控制部61、速度控制部62、电动机控制部63的控制指令。该控制指令是基于运行指令和经由编码器通信接口7得到的旋转信息FB2生成的。具体而言，生成(运算)用于消除运行指令与旋转指令的差的控制指令。

请求生成部54按照编码器协议生成与要接收的数据对应的请求，经由SCI51发送至编码器4。作为请求，在用于通常控制的旋转信息的发送请求之外，也存在测试用的信息的发送请求等。编码器4将与该请求对应的旋转信息发送至伺服放大器2。具体而言，对在MCU5的输入端部设置的SCI51发送。

控制部6具有位置控制部61、速度控制部62和电动机控制部63。位置控制部61、速度控制部62、电动机控制部63输入MCU5的控制指令生成部53生成的控制指令，控制伺服电动机3的位置、速度和转矩。

编码器通信接口7具有编码器数据接收部71和编码器数据发送部72。编码器数据接收部71经由SCI51接收从编码器发送来的旋转信息的数据。编码器数据发送部72经由FPGA、ASIC等的I/O端口，将接收的旋转信息FB1发送至MCU5。MCU5按输入的顺序将该旋转信息FB1保存在未图示的存储器中。

另外，图1中，为了易于理解而以功能模块形式示出了MCU5的结构，但实际上MPU或CPU按ROM中存储的程序实施电动机的控制和故障诊断。

接着，对于实施例1中的使用了硬件的编码器通信接口7的故障诊断，用图2所示的动作流程进行说明。图2是表示MCU5的故障诊断处理的动作的流程图。

图2中，在步骤S01中，请求生成部54生成用于得到电动机的控制中要求的旋转信息的请求R。

接着，在步骤S02中，请求生成部54经由SCI51对编码器4发送该请求R。由此，编码器4对伺服放大器2发送与请求对应的旋转信息。在步骤S03中，用SCI接收从编码器4发送来的旋转信息(旋转位置和速度等)。

接着，在步骤S04中，按FIFO的顺序对编码器通信接口7发送SCI51内的寄存器中蓄积的旋转信息。同时，对MCU5内也导入相同的旋转信息。此处，设对编码器通信接口7发送并从编码器数据发送部72输出的旋转信息为FB2，设对MCU5直接导入并保存的旋转信息为FB1。

接着，在步骤S05中，安全诊断部52对经由编码器通信接口7得到的旋转信息FB2与用SCI51接收并对MCU5导入的旋转信息FB1进行比较。然后，在步骤S05中，FB1与FB2一致的情况下，安全诊断部52判断为编码器通信接口7没有故障(异常)，返回步骤S01。该步骤S01～步骤S05所示的故障诊断过程在伺服电动机运行中持续进行。

在步骤S05中，产生比较的2个数据(旋转信息FB1和FB2)不一致的状态的情况下，安全诊断部52判断为编码器通信接口7发生故障，前进至接下来的步骤S06。另外，该情况下的一致不仅指2个数据完全一致的情况(即FB1-FB2＝0的情况)，在可以视为2个数据一致的程度的情况(2个数据的差在预先决定的阈值以下的情况)下也判断为“一致”。

在步骤S06中，对故障应对部55发送编码器通信接口7的故障信号。

然后，在步骤S07中，故障应对部55基于故障信号，进行对伺服系统的适当的紧急应对。例如，故障应对部55切断对伺服电动机3供给的电源，使伺服电动机停止。另外，与此同时，进行对管理系统整体的上级装置通知处于故障状态等应对。

这样，伺服系统在动作中(运行中)，与伺服电动机的运行控制相应地持续实施故障诊断动作。然后，在判断为故障的情况(FB1与FB2的数据不一致的情况)下，能够诊断为故障并进行紧急应对。

接着，说明在安全诊断部52中的诊断动作(步骤S05的比较判断动作)中，对FB1与FB2进行比较时，用于对编码器4在同一时机输出的旋转信息进行比较的方法。如上所述，因为使用硬件的编码器通信接口7一方进行高速动作，所以单位时间能够获取的旋转信息FB2的数量比直接对MCU45输入的FB1多。从而，为了更准确地对FB1与FB2进行比较，对FB2的数据进行间隔剔除而使时机一致地对FB1与FB2进行比较能够进行更准确的诊断。图3是用于说明该间隔剔除处理和数据比较的图。

图3中，下侧是编码器通信接口7的输出即旋转信息FB2，上侧是从SCI51直接对MPU5输入的旋转信息FB1。

如图3所示，为了使对该双方的数据进行比较的时机一致，相对于直接对MPU5输入的旋转信息FB1，对编码器通信接口7的输出即旋转信息FB2按根据数据通信周期时间和多周期时间的比率设定的间隔剔除率进行间隔剔除处理。然后，根据设定的间隔剔除率隔开时间地，对间隔剔除处理后的旋转信息FB2与FB1进行比较。通过进行这样的间隔剔除处理，能够更准确地判断编码器通信接口7的故障。FB2的间隔剔除处理能够事先设定。图3中，示出了间隔剔除率是1：3的例子，三个周期中的一个周期的旋转信息FB2被用于与FB1比较。

根据以上说明的本发明的实施例1，在用使用了硬件的编码器通信接口驱动伺服系统的情况下，也能够实现成本上升较少的高可靠性的伺服系统。

《实施例2》

接着，对于本发明的实施例2，使用图4进行说明。图4是实施例2中的伺服系统的结构图。实施例2的基本结构与已说明的实施例1相同，所以省略说明，此处主要对于与实施例1不同的结构的部分进行说明。

图4所示的实施例2代替图1中的使用了硬件的编码器通信接口7地，在MCU5内设置了具有同样功能的编码器通信接口70。即作为MCU5中内置的编码器通信接口70，使用动态重构处理器即DRP(Dynamically Reconfigurable Processor)。DRP(动态重构处理器)是动态地切换运算器之间的连接地执行应用的硬件。一般的DRP内部的电路具有配置成栅格状的8比特单位的PE(Processor Element：处理元件)阵列、对其动态地选择的STC(StateTransition Controller：状态转换控制器)、以及对PE提供数据的RAM和存储器控制器。另外，DRP的结构自身是公知的，所以此处省略DRP的详细说明。

本实施例2的动作与实施例1同样，与已说明的内容重复，所以此处省略其详细说明。另外，实施例2的动作流程是与图2所示的内容同样的动作流程，所以也省略其动作说明。另外，安全诊断部52中的诊断动作如图3所示，在对FB1与FB2进行比较时，为了对编码器4在同一时机输出的旋转信息进行比较，而进行数据间隔剔除，这一点也与实施例1同样。即，实施例2中也进行如图3所示的间隔剔除处理。从而，也省略关于这些的说明。

图4所示的实施例2中，由DRP构成的编码器通信接口70内置在MCU5中，能够具有硬件逻辑的高处理能力和如CPU一般的高灵活性/功能扩展性。

另外，该实施例2中，也与实施例1的情况同样地，采用不独立地设置用于对由DRP构成的编码器通信接口70导入旋转信息的SCI和用于对MCU5导入的SCI，而是使用共用的1个SCI51的结构。另外，通过内置使用DRP的支持编码器协议的编码器通信接口70，不需要外置的硬件(FPGA、ASIC等)，紧凑且能够削减一部分硬件的成本。

图5表示例如与使用时钟同步式串行通信的编码器的连接方式的例子。编码器4与MCU5之间的连接例如使用RS-485标准等的工作信号，用双绞线41进行配线。由此，具有能够缓和噪声等的影响的效果。也可以是MCU5中分别具有对应于DRP和SCI两个功能模块的输入输出针脚，对这双方的输入输出针脚分别并联连接RS-485收发机的各信号(SCL、Rx、Tx)的方式。

图6是在图5所示的MCU5中具有DRP和SCI的输入输出针脚、对双方的输入输出针脚分别并联连接RS-485收发机的各信号(SCL、Rx、Tx)的情况下的结构图。

根据以上说明的本发明的实施例2，具有与实施例1同样的效果，并且能够提供紧凑且廉价的伺服系统。

附图标记说明

1…伺服系统，2…伺服放大器，3…伺服电动机，4…编码器，5…微控制器单元，6…控制部，7…编码器通信接口，41…双绞线，51…串行通信接口，52…安全诊断部，53…控制指令生成部，54…请求生成部，55…故障应对部，61…位置控制部，62…速度控制部，63…电动机控制部，70…编码器通信接口，71…编码器数据接收部，72…编码器数据发送部。

Claims (16)

1.一种具有伺服电动机、检测所述伺服电动机的旋转信息的编码器、以及用所述旋转信息驱动控制所述伺服电动机的伺服放大器的伺服系统，其特征在于：

所述伺服放大器包括：

由硬件构成的编码器通信接口；

基于运行指令和经由所述编码器通信接口输入的所述旋转信息来运算用于控制所述伺服电动机的控制指令的处理器；和

基于所述控制指令驱动控制所述伺服电动机的控制部，

所述处理器对从所述编码器直接接收到的所述旋转信息与经由所述编码器通信接口输入了的所述旋转信息进行比较，基于双方的所述旋转信息的比较结果来诊断所述编码器通信接口有无故障。

2.如权利要求1所述的伺服系统，其特征在于：

使用微控制器单元作为所述处理器。

3.如权利要求1所述的伺服系统，其特征在于：

设置有串行通信接口，所述串行通信接口用于接收并蓄积从所述编码器发送来的串行的所述旋转信息，并且按FIFO的顺序将该蓄积的数据发送至所述处理器和所述编码器通信接口(7)。

4.如权利要求3所述的伺服系统，其特征在于：

在所述处理器内设置用于生成请求的请求生成部，其中所述请求用于决定所述旋转信息的要接收的数据，经由所述串行通信接口将所述请求发送至所述编码器，使得所述编码器将与所述请求对应的所述旋转信息发送至所述串行通信接口。

5.如权利要求3所述的伺服系统，其特征在于：

所述串行通信接口设置在所述处理器的输入端部。

6.如权利要求1所述的伺服系统，其特征在于：

所述编码器通信接口内置于所述处理器。

7.如权利要求6所述的伺服系统，其特征在于：

使用动态可重构处理器作为所述编码器通信接口。

8.如权利要求7所述的伺服系统，其特征在于：

在所述处理器中内置有串行通信接口，所述串行通信接口用于接收并蓄积从所述编码器发送来的串行的所述旋转信息并按FIFO的顺序将所蓄积的数据发送至所述处理器和所述编码器通信接口(7)。

9.如权利要求1所述的伺服系统，其特征在于：

比较对经由所述编码器通信接口输入的所述旋转信息进行了间隔剔除所得到的信息与从所述编码器直接接收到的所述旋转信息。

10.如权利要求1所述的伺服系统，其特征在于：

在诊断为所述故障的情况下进行对伺服系统的紧急应对。

11.如权利要求1所述的伺服系统，其特征在于：

在所述处理器中具有对应于动态重构处理器和串行通信接口的功能的输入输出针脚，用所述输入输出针脚接收从所述编码器发送来的串行的所述旋转信息。

12.一种具有伺服电动机和检测所述伺服电动机的旋转信息的编码器的、基于所述编码器的所述旋转信息驱动所述伺服电动机的伺服系统的控制方法，其特征在于：

基于运行指令和经由使用了硬件的编码器通信接口输入了的所述旋转信息来驱动所述伺服电动机，并且

对经由所述编码器通信接口输入了的所述旋转信息与从所述编码器直接输入的所述旋转信息进行比较，基于双方的所述旋转信息的比较结果来诊断所述编码器通信接口有无故障。

13.如权利要求12所述的伺服系统的控制方法，其特征在于：

经由接收并蓄积从所述编码器发送来的串行的所述旋转信息并且按FIFO的顺序发送所蓄积的数据的串行通信接口，将所述旋转信息导入至编码器通信接口。

14.如权利要求12所述的伺服系统的控制方法，其特征在于：

生成用于决定要从所述编码器接收的数据的请求，将所述请求发送至所述编码器，来从所述编码器输入与所述请求对应的所述旋转信息。

15.如权利要求12所述的伺服系统的控制方法，其特征在于：

比较对经由所述编码器通信接口输入的所述旋转信息进行了间隔剔除所得到的信息与从所述编码器直接接收到的所述旋转信息。

16.如权利要求12所述的伺服系统的控制方法，其特征在于：

在诊断为所述故障的情况下进行对伺服系统的紧急应对。