CN205229701U - 一种伺服电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种伺服电机控制系统，包括：内置实时系统用于控制驱动硬件电路的计算机、至少一路用于驱动伺服电机运转的驱动硬件电路以及至少一台伺服电机，其中，每路所述驱动硬件电路通过工业实时通讯分别与所述计算机连接，所述驱动硬件电路和所述伺服电机一一对应连接。本方法将原本内置在伺服驱动器硬件中的伺服驱动软件算法移置到计算机中，这样，相比于现有的伺服驱动器，只包括驱动硬件电路的伺服驱动器规模成本可以大幅降低，体积也可以大幅减小，甚至集成在电机内部。且当将驱动硬件电路集成在电机内部时，伺服电机+驱动器只有三根功率线及总线接口，大大简化了伺服电机应用中的接线步骤，节约人力的同时节约空间。

Description

一种伺服电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种伺服电机控制系统。

背景技术

伺服驱动器(ServoDrives)是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。

目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器作为控制核心，其可以实现比较复杂的驱动控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)为核心设计的驱动硬件放大电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。简单来说，现有的电机驱动器内部都包含驱动控制算法和驱动电路。

在项目应用中，往往会用到多台伺服电机，自然就需要用到多台伺服驱动器。由于不同厂商生产的伺服驱动器内部的软硬件不统一，当驱动电路损坏时，维修起来会非常的不方便。原因在于：当伺服驱动器出现故障，正常情况都需要选择同款产品替代更换，但是即使能够找到同款产品，也会面临参数调整的问题；尤其在找不到同款产品进行替代更换的情况下使用其它款产品进行替代时，情况就更加复杂，甚至会出现系统不兼容、联不成系统等问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型旨在提供一种全新的伺服电机控制系统，其将现有的伺服驱动器中的伺服算法设置在内置实时系统的计算机中，提高了伺服驱动器的一致性，维修方便。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种伺服电机控制系统，包括：内置实时系统用于控制驱动硬件电路的计算机、至少一路用于驱动伺服电机运转的驱动硬件电路以及至少一台伺服电机，其中，每路所述驱动硬件电路与所述计算机通过总线拓扑连接，所述驱动硬件电路和所述伺服电机一一对应设置。

在本技术方案中，上述驱动硬件电路即为现有的伺服驱动器中的驱动硬件电路(即本实用新型提供的控制系统中，伺服驱动器中只包括驱动硬件电路不包括伺服算法载体的CPU)，而是将每路驱动硬件电路对应的伺服算法内置在上述的计算机中(每路驱动硬件电路对应一个伺服算法)，进而通过计算机的中央处理器进行集中控制。这样，驱动硬件电路可以标准化批量生产，不同厂家生产出来的硬件部分差别都不大，不会因应用场合不同而不同；只会因电机功率大小不同而不同。当伺服驱动器发生故障时，不再需要一定要找到同款产品，维修起来非常的简单方便。

进一步优选地，所述驱动硬件电路中包括用于实现所述驱动硬件电路和所述计算机通信的从站模块，且所述从站模块与所述计算机拓扑连接。

在本技术方案工作过程中，计算机作为协议主站，驱动硬件电路作为协议从站，且协议主站和协议从站之间采用首尾相连、一网到底的拓扑结构的方式进行连接。

进一步优选地，所述从站模块中内置EtherCAT(以太网控制自动化技术)协议的知识产权核(IP，IntellectualProperty)，所述计算机和所述驱动硬件电路之间采用EtherCAT协议工业以太网连接。

在本技术方案中，内置实时系统的计算机与所述驱动硬件电路之间通过高速同步工业以太网协议进行通信，同步周期至少在10KHz(千赫兹)以上，EtherCAT协议可以满足此要求。

进一步优选地，所述驱动硬件电路中包括一用于采样伺服电机中电流信号和电压信号及接收所述计算机发送的占空比指令并将其进行放大的驱动硬件放大电路，所述驱动硬件放大电路分别与所述伺服电机和所述从站模块连接。。

进一步优选地，所述驱动硬件电路中包括：用于采样伺服电机的电流信号的电流传感器和用于采样伺服电机的电压信号的电压传感器；

所述伺服电机控制系统中包括还用于采样伺服电机的电机位置信号的编码器，所述编码器安装在所述伺服电机上，且所述编码器的输出端与所述从站模块连接。

进一步优选地，所述伺服电机控制系统中还包括用于将所述电流传感器输出的电流信号和所述电压传感器输出的电压信号转换成相应数字信号的模数转换模块，所述模数转换模块的输入端分别与所述驱动硬件放大电路中所述电流传感器和所述电压传感器的输出端连接，所述模数转换模块的输出端与所述从站模块连接。

进一步优选地，所述从站模块包括用于传输所述模数转换模块发送的数字信号的信号采样接口、用于传输所述编码器发送的所述电机位置信号的编码器数字接口以及用于传输所述计算机发送的用于控制所述驱动硬件放大电路的占空比指令的脉宽调制PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)接口；所述从站模块通过所述信号采样接口与所述模数转换模块连接、通过所述编码器数字接口与所述编码器连接以及通过所述脉宽调制PWM接口与所述驱动硬件放大电路连接。

进一步优选地，所述从站模块上还包括故障信号接口，所述从站模块通过所述故障信号接口与所述驱动硬件放大电路中的故障输出接口连接。

进一步优选地，所述从站模块中的所述知识产权核中包括唯一的所述驱动硬件电路标识信息的地址寄存器。

在本技术方案中，计算机通过获取该寄存器中用于标识驱动硬件电路标识信息匹配与之对应的计算机内置伺服驱动算法。

进一步优选地，所述计算机还包括一用于实现所述计算机与互联网连接的网络接口。

本实用新型提供的伺服电机控制系统，能够带来以下有益效果：

在本实用新型中，由于将原本内置在伺服驱动器中的伺服算法内置到计算机中，这样，相比于现有的伺服驱动机，只包括驱动硬件电路的伺服驱动器规模成本可以大幅降低，体积可以大幅减小，甚至集成在电机内部。且当将驱动硬件电路集成在电机内部时，伺服电机只有三根功率线(U/V/W)及总线接口，大大简化了伺服电机实际应用中的接线步骤，节约人力的同时节约空间。从长远来看，将现有伺服驱动器中的驱动硬件电路和伺服软件算法分开，有利于提升性能，降低成本。

再有，由于本实用新型提供的伺服驱动器中只包括驱动硬件电路而不包含伺服算法，故提供的伺服驱动器可进行标准化批量生产，且具有较好的一致性。这样，由于从控制的角度来看，同一个厂家还是别的厂家生产的驱动硬件电路差别不大，故当伺服驱动器发生故障时，其只需更换单个驱动硬件电路。

另外，在现有的电机控制系统中，每台伺服电机的控制系统中都包括一套包括中央处理器、驱动硬件电路以及人机交互的完整硬件；而在本实用新型中，可以多个驱动硬件电路共享一个内置在计算机内的中央处理器，极大地减少了资源的浪费，尤其是伺服驱动器使用较为频繁的时候，优势越为明显。

最后，在本实用新型提供的内置嵌入式实时系统的计算机中，将伺服算法模块化，方便用户根据需求进行调用，参数及控制的一致性较好；不同伺服算法的实时参数都在同一实时系统中，方便参数读取、写入，UI(UserInterface，用户界面)界面很容易实现；且嵌入式实时系统接口方便，有利于联网与远程服务器连接，实现伺服电机控制系统的远程监控、更新参数、升级算法、系统维护等；同时，该伺服电机控制系统性能升级方便，不需要重要采购系统，节约开支。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本实用新型中伺服电机控制系统第一种实施方式结构示意图；

图2为本实用新型中伺服电机控制系统第二种实施方式结构示意图；

图3为本实用新型中伺服电机控制系统第三种实施方式结构示意图；

图4为本实用新型中伺服电机控制系统第四种实施方式结构示意图。

附图标号说明：

1-计算机，2-驱动硬件电路，3-伺服电机，4-从站模块，5-驱动硬件放大电路，6-电流传感器，7-电压传感器，8-编码器，9-模数转换模块；

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

如图1所示为本实用新型提供的伺服电机控制系统的第一种实施方式结构示意图，从图中可以看出，在该伺服电机控制系统中包括：内置实时系统用于控制驱动硬件电路2的计算机1、至少一路用于驱动伺服电机3运转的驱动硬件电路2(如图所示的驱动硬件电路1、驱动硬件电路2、……)以及至少一台伺服电机3(如图所示的伺服电机1、伺服电机2、……)，其中，每路驱动硬件电路2分别与计算机1通过总线拓扑的方式进行连接，驱动硬件电路2和伺服电机3一一对应设置。要说明的是，这里说的驱动硬件电路2实际上就是现有的伺服驱动器中的驱动硬件电路2，从以上的描述中可以看出，在本实用新型中，伺服驱动器中只包括驱动硬件电路2不包括伺服算法(即上述驱动硬件电路2作为系统中的伺服驱动器)，而是将每路驱动硬件电路2对应的伺服算法内置在上述的计算机1中(每路驱动硬件电路2对应一个伺服算法)，进而通过计算机1的中央处理器进行集中控制。这样，在工作过程中，计算机1根据获取的伺服电机3中的各种参数和对应的伺服算法，通过驱动硬件电路2控制伺服电机3运转。进一步来说，上述的计算机1中需要内嵌实时系统(具体上述伺服算法在实时系统的计算机1中的软件驱动层，伺服电机3的控制代码在实时系统的计算机1中的软件应用层)；由当前常用的windows/Linux系统为非实时系统，如果要想要使用内嵌windows/Linux系统的计算机实现本实用新型的目的，则需要安装实时系统补丁。在具体实施例中，上述伺服电机3可以为三相交流永磁同步电机。

另外，要说明的是，在本实施方式中，计算机作为协议主站，驱动硬件电路作为协议从站，且协议主站和协议从站之间采用首尾相连、一网到底的拓扑结构的方式进行连接。具体来说，每路驱动硬件电路(从站)、计算机(主站)中分别包括两个网口：RJ45_IN和RJ45_OUT。在连接的过程中，计算机中的RJ45_OUT连接一路驱动硬件电路的RJ45_IN，然后该路驱动硬件电路的RJ45_OUT连接另一路驱动硬件电路的RJ45_IN，接着该另一路驱动硬件电路的RJ45_OUT与再一路驱动硬件电路的RJ45_IN连接，依次类推，采用这种网络拓扑结构联接。最后一路驱动硬件电路的RJ45_OUT可以连回计算机的(主站)RJ45_IN，也可以不连。即，在本实施方式中，计算机(主站)到现场驱动硬件电路最少只要一个网线就可以完成连接。

对上述第一种实施方式进行改进得到第二种实施方式，如图2所示，从图中可以看出，基于第一种实施方式提供的伺服电机控制系统，在本实施例中，伺服电机控制系统中除了包括上述的计算机1、驱动硬件电路2以及对应的伺服电机3之外，还包括一用于实现计算机1和每路驱动硬件电路2之间通信的从站模块4，且从站模块4与计算机1拓扑连接。

为了能够使本实用新型中内嵌实时系统的计算机1能够快速响应实现对多路驱动硬件电路2的控制，计算机1和驱动硬件电路2之间通过高速同步通信协议(同步周期至少在10KHz以上)来实现通信。目前市面上出现的EtherCAT总线协议可以满足此要求。故，我们在从站模块4嵌入EtherCAT协议的知识产权核(IP核)，这样，计算机1和驱动硬件电路2之间通过该从站模块4采用EtherCAT协议工业以太网连接。这样，在工作过程中，计算机1根据获取的伺服电机3中的各种参数和对应的伺服算法生成占空比指令，并通过EtherCAT协议将占空比指令发送至驱动硬件电路2进而控制伺服电机3运转。

对上述实施方式进行改进，得到第三种实施方式，如图3所示，驱动硬件电路2中包括一用于采样伺服电机中电流信号和电压信号及接收计算机发送的占空比指令并将其进行放大的驱动硬件放大电路5，驱动硬件放大电路5分别与伺服电机3和从站模块4连接。更具体来说，在该驱动硬件放大电路5中包括用于采样伺服电机3电流信号的电流传感器6和用于采样伺服电机3电压信号的电压传感器7。另外，在伺服电机控制系统中还包括用于采样伺服电机3的电机位置信号(伺服电机3转动的位置)的编码器8，且编码器8安装在伺服电机3上，且编码器8的输出端与从站模块4连接。这样，在工作过程中，通过电流传感器6、电压传感器7以及编码器8分别获取计算机1中运算需要用到的参数(电流信号、电压信号以及电机位置信号)，进而计算机1根据得到的参数使用对应的伺服算法生成占空比指令，并通过EtherCAT协议将占空比指令发送至驱动硬件电路2，驱动硬件电路2对接收到的占空比指令进行放大通过U/V/W三根功率线发送至伺服电机3控制其进行运转。

对上述第三种实施方式进行改进，得到第四种实施方式，如图4所示，在本实施方式中，伺服电机控制系统中除了包括上述的计算机1、驱动硬件电路2、伺服电机3、从站模块4、电流传感器6、电压传感器7以及编码器8，还包括用于将电流信号和电压信号转换成相应数字信号(包括电流数字信号和电压数字信号)的模数转换模块9，模数转换模块9的输入端分别与电流传感器6和电压传感器7连接、输出端与从站模块4连接。我们知道，电流传感器6和电压传感器7获取的电流信号和电压信号都为模拟量，而计算机1中需要数字量，因而我们在系统中添加相应的模数转换模块9实现上述目的。

基于上述描述，为了实现电流传感器6、电压传感器7、编码器8、计算机1与从站模块4之间的通信，在从站模块4上设有用于传输模数转换模块9发送的数字信号的信号采样接口(包括上述电流数字信号和电压数字信号)、用于传输编码器8发送的电机位置信号的编码器数字接口以及用于传输计算机1发送的用于控制驱动硬件电路2的占空比指令的脉宽调制PWM接口；从站模块4通过信号采样接口与模数转换模块9连接、通过电机位置反馈信息接口与编码器8连接以及通过脉宽调制PWM接口与驱动硬件放大电路5连接。

更进一步来说，从站模块4上还包括故障信号接口，从站模块4通过故障信号接口与驱动硬件放大电路5中的故障输出接口连接。这样，当伺服电机3中出现故障，能够及时通过从站模块4反馈至计算机1中，以便采用相应的措施进行解决，实现远距离操控。

以下我们对本实施方式中的工作流程做出描述：首先，使用驱动硬件放大电路5中电流传感器6和电压传感器7获取伺服电机3工作过程中电流信号和电压信号，同时使用编码器8获取伺服电机3的电机位置信息；随后，编码器8通过从站模块4上的编码器数字接口将电机位置信息发送至从站模块4，电流传感器6和电压传感器7将电流信号和电压信号发送至模数转换模块9将其转换成相应的数字信号，之后再将得到的数字信号通过从站模块4上的信号采样接口发送至从站模块4；接着，从站模块4中的知识产权核通过EtherCAT协议将接收到的电流数字信号、电压数字信号以及电机位置信息发送至计算机1；接下来，计算机1根据接收到的电流数字信号、电压数字信号以及电机位置信息并使用与该伺服电机3对应的伺服算法生成占空比指令，同样通过EtherCAT协议发送至从站模块4的知识产权核中；最后，知识产权核通过从站模块4上的脉宽调制PWM接口将占空比指令发送至驱动硬件放大电路5中进而控制伺服电机3转动。

以上我们描述的是计算机1控制其中一路驱动硬件电路2和伺服电机3的工作流程，但是在实际工作中，往往都会包括多路驱动硬件电路2，计算机1中通过从站模块4中的知识产权核中存储用于唯一标识驱动硬件电路2标识信息的地址寄存器来实现伺服算法与伺服电机3的一一对应。在伺服电机控制系统进行工作之前，我们将各个伺服电机3对应的伺服算法存储在内置实时系统的计算机1中，且将每台伺服电机3的标识信息与对应的驱动硬件电路2一一对应存储，这样，在工作过程中，计算机1根据知识产权核发送的驱动硬件电路2的标识信号查找到对应的伺服算法，进而结合与该驱动硬件电路2连接的伺服电机3各个参数进行运算生成占空比指令。

对上述实施方式进行改进，得到第五种实施方式，在本实施方式中，伺服电机控制系统中除了包括计算机1、驱动硬件电路2、伺服电机3、电流传感器6、电压传感器7、编码器8、从站模块4以及模数转换模块9，在计算机中还包括用于实现计算机与互联网连接的网络接口，计算机通过该网络接口与云端服务器连接，这样更新伺服算法或更换别家的伺服算法比较方便，直接联网下载安装即可。

最后，要说明的是，在附图1到附图4中，包括两个控制回路，其中包括两路驱动硬件电路(分别为驱动硬件电路1和驱动硬件电路2)、两个伺服电机(分别为伺服电机1和伺服电机2)、两个从站模块(分别为从站模块1和从站模块2)、两路驱动硬件放大电路(分别为驱动硬件放大电路1和驱动硬件放大电路2)以及两个模数转换模块(分别为模数转换模块1和模数转换模块2)，相应的驱动硬件电路、伺服电机、从站模块、驱动硬件放大电路以及模数转换模块形成一个控制回路，如图示中的计算机、驱动硬件电路1、伺服电机1、从站模块1、驱动硬件放大电路1以及模数转换模块1形成一个控制回路；计算机、驱动硬件电路2、伺服电机2、从站模块2、驱动硬件放大电路2以及模数转换模块2形成另外一个控制回路，这里的1和2用于区分不同的驱动硬件电路、伺服电机、从站模块、驱动硬件放大电路以及模数转换模块，而不是附图标记。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种伺服电机控制系统，其特征在于，所述伺服电机控制系统中包括：内置实时系统用于控制驱动硬件电路的计算机、至少一路用于驱动伺服电机运转的驱动硬件电路以及至少一台伺服电机，其中，每路所述驱动硬件电路与所述计算机通过总线拓扑连接，所述驱动硬件电路和所述伺服电机一一对应设置。

2.如权利要求1所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述驱动硬件电路中包括用于实现所述驱动硬件电路和所述计算机通信的从站模块，且所述从站模块与所述计算机拓扑连接。

3.如权利要求2所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述从站模块中内置EtherCAT协议的知识产权核，所述计算机和所述驱动硬件电路之间采用EtherCAT协议工业以太网连接。

4.如权利要求3所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述驱动硬件电路中包括一用于采样伺服电机中电流信号和电压信号及接收所述计算机发送的占空比指令并将其进行放大的驱动硬件放大电路，所述驱动硬件放大电路分别与所述伺服电机和所述从站模块连接。

5.如权利要求4所述的伺服电机控制系统，其特征在于，

所述驱动硬件电路中包括：用于采样伺服电机的电流信号的电流传感器和用于采样伺服电机的电压信号的电压传感器；

所述伺服电机控制系统中包括还用于采样伺服电机的电机位置信号的编码器，所述编码器安装在所述伺服电机上，且所述编码器的输出端与所述从站模块连接。

6.如权利要求5所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述伺服电机控制系统中还包括用于将所述电流传感器输出的电流信号和所述电压传感器输出的电压信号转换成相应数字信号的模数转换模块，所述模数转换模块的输入端分别与所述驱动硬件放大电路中所述电流传感器和所述电压传感器的输出端连接，所述模数转换模块的输出端与所述从站模块连接。

7.如权利要求6所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述从站模块包括用于传输所述模数转换模块发送的数字信号的信号采样接口、用于传输所述编码器发送的所述电机位置信号的编码器数字接口以及用于传输所述计算机发送的用于控制所述驱动硬件放大电路的占空比指令的脉宽调制PWM接口；所述从站模块通过所述信号采样接口与所述模数转换模块连接、通过所述编码器数字接口与所述编码器连接以及通过所述脉宽调制PWM接口与所述驱动硬件放大电路连接。

8.如权利要求7所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述从站模块上还包括故障信号接口，所述从站模块通过所述故障信号接口与所述驱动硬件放大电路中的故障输出接口连接。

9.如权利要求3、5-8任意一项所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述从站模块中的所述知识产权核中包括唯一的所述驱动硬件电路标识信息的地址寄存器。

10.如权利要求1-3、5-8任意一项所述的伺服电机控制系统，其特征在于，所述计算机还包括一用于实现所述计算机与互联网连接的网络接口。