CN207571568U - 控制系统、控制芯片及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种控制系统、控制芯片及机器人。其中，该控制系统包括：控制芯片和内存模块；其中，控制芯片包括：用于运行操作系统的第一控制器；用于对待控制设备的驱动机构进行控制的第二控制器；用于对驱动机构的运动状态进行控制的第三控制器；其中，第一控制器、第二控制器和第三控制器共用至少一个输入端口和至少一个输出端口；且第一控制器、第二控制器和第三控制器共享内存模块提供的存储资源。本实用新型解决了相关技术中控制系统占用面积大、成本较高、复杂度增加以及可靠性不佳的技术问题。

Description

控制系统、控制芯片及机器人

技术领域

本实用新型涉及控制领域，具体而言，涉及一种控制系统、控制芯片及机器人。

背景技术

工业机器人广泛应用于电子产品，以及物料搬运、点胶、焊接、码垛、装配等过程，在应用时，通常都需要控制系统和伺服驱动器同时驱动多个伺服电机，例如3至6台伺服电机。

传统应用中，每个伺服驱动器控制一台伺服电机，机器人控制器通过脉冲或总线形式连接全部的伺服驱动器，这种形式会造成较大面积的占用、硬件资源的冗余浪费、原料以及人力成本的增加、接线复杂度的增加，同时也会降低控制与驱动之间通讯的可靠性和整机性能。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种控制系统、控制芯片及机器人，以至少解决相关技术中控制系统占用面积大、成本较高、复杂度增加以及可靠性不佳的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种控制系统，包括：控制芯片和内存模块；控制芯片包括：用于运行操作系统的第一控制器；用于对待控制设备的驱动机构进行控制的第二控制器；用于对驱动机构的运动状态进行控制的第三控制器；其中，第一控制器、第二控制器和第三控制器共用至少一个输入端口和至少一个输出端口；且第一控制器、第二控制器和第三控制器共享内存模块提供的存储资源。

可选地，内存模块包括：现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称为FPGA)。

可选地，驱动机构包括：伺服电机，与内存模块耦接，用于依据接收来自内存模块发送的控制信号驱动待控制设备的执行机构。

可选地，控制系统还包括：功率放大器，分别与内存模块和伺服电机连接，用于对内存模块输出至伺服电机的信号进行放大。

可选地，控制系统还包括：编码器，与内存模块耦接，用于采集伺服电机的轴位置信号，将轴位置信号发送至内存模块。

可选地，控制系统还包括：电流和电压采集电路，与内存模块耦接，用于采集伺服电机的轴电流信号，并将轴电流信号发送至内存模块。电压采集电路，用于采集直流母线的电压信号。

可选地，控制系统还包括：输入输出IO板，与内存模块耦接。

可选地，控制系统还包括：手持器；控制芯片还包括：通信模块，用于接收来自手持器的控制指令。

可选地，通信模块，包括：以太网通信模块。

根据本实用新型实施例的另一方面，提供了一种控制芯片，包括：用于运行操作系统的第一控制器；用于对待控制设备的驱动机构进行控制的第二控制器；用于对驱动机构的运动状态进行控制的第三控制器；第一控制器、第二控制器和第三控制器共用至少一个输入端口和至少一个输出端口。

可选地，上述控制芯片还包括：壳体；第一控制器、第二控制器和第三控制器设置于壳体内部，至少一个输入端口和至少一个输出端口设置于壳体上。

可选地，待控制设备包括：机器人；驱动机构包括：所述机器人中的至少一个电机。

可选地，控制芯片还包括：以太网通信模块，用于接收来自手持器的控制指令。

根据本实用新型实施例的另一方面，提供了一种机器人，包括：以上所述的控制系统。

在本实用新型实施例中，将控制设备中的多个控制器集成为一个控制芯片，其中，该控制芯片中的多个控制器采用共享内存的方式，可以实现控制器之间的融合和控制器的集成，进而可以减少控制系统占用相应设备(例如机器人)的设计面积，同时，由于省去了控制器之间的连接总线，达到了节省成本、降低复杂度以及提高可靠性的目的，进而解决了相关技术中控制系统占用面积大、成本较高、复杂度增加以及可靠性不佳的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种控制系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的一种可选的控制系统的结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例的一种控制芯片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本实施例提供一种控制系统，该控制系统可以为任意电子设备中的控制系统，例如，可以为机器人中的控制系统，但不限于此。图1是根据本实用新型实施例的一种控制系统的结构示意图。如图1所示，该控制系统，包括：控制芯片10和内存模块12；

控制芯片10包括：用于运行操作系统的第一控制器100；用于对待控制设备的驱动机构14进行控制的第二控制器102；用于对驱动机构14的运动状态进行控制的第三控制器104；

第一控制器100、第二控制器102和第三控制器104共用至少一个输入端口106和至少一个输出端口108；且第一控制器100、第二控制器102和第三控制器104共享内存模块12提供的存储资源。

可选地，输入接口和输出接口可以表现为引脚的形式，但不限于此。

所述控制芯片与可编程逻辑门阵列之间的共享内存可以通过外部存储器接口(EMIF)或PCIe接口实现。

以机器人的控制系统为例，将机器人的系统控制、运动控制、驱动控制集成在一个芯片组上，其中双ARM(相当于第一控制器100)作为系统控制，DSP1(相当于第二控制器102)作为运动控制，DSP2(相当于第三控制器104)作为驱动控制，其内部使用共享内存的形式达到各控制模块的高度融合，该集成度很高、通讯可靠性可以达到芯片级。

在一个可选实施例中，控制芯片10包含至少1个ARM核(相当于第一控制器100)和1个DSP核(相当于第二控制器102和/或第三控制器104)，优选2个ARM核(相当于第一控制器100)和2个DSP核(相当于第二控制器102和第三控制器104)，即DSP1核和DSP2核，其中双ARM核运行操作系统，参与离线仿真、轨迹规划预处理等计算，其中DSP1(或DSP2)作为运动控制计算，其中DSP2(或DSP1)作为各轴驱动的位置环和速度环计算。

可选地，内存模块12包括：FPGA。

驱动机构14包括：伺服电机，与内存模块12耦接，用于依据接收来自内存模块12发送的控制信号驱动待控制设备的执行机构。其中，上述控制信号包括但不限于路径规划、移动速度等，但不限于此。

在一个可选实施例中，为了避免控制信号能够稳定的实现对驱动机构的控制，如图2所示，控制系统中还可以包括：功率放大器16，分别与内存模块12和伺服电机(即驱动机构14)连接，用于对内存模块12输出至伺服电机的信号进行放大。其中，该内存模块12输出的信号为依据控制芯片10中的控制器的控制指令产生的，其过程可以表现为以下过程：对来自控制芯片的控制指令执行识别，并转换为驱动机构可以识别的信号，例如，内存模块对上述控制指令进行电流环计算，并将计算结果转换为脉冲宽度调制(PWM)信号，输入至功率放大器16，从而实现对驱动机构的控制。

其中，功率放大器16中可以包括智能功率模块，用于驱动各轴伺服电机。其中，智能功率模块(IPM)是一种先进的功率开关器件，具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点，其一般由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR。

如图2所示，控制系统中还可以包括：编码器18，与内存模块12耦接，用于采集伺服电机的轴位置信号，将轴位置信号发送至内存模块12。其中，编码器为将信号或数据进行编制、转换为可以用于通信、传输和存储的信号形式的设备。例如，编码器把角位移或直线位移转换为电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。

可选地，编码器18可以为设置在伺服电机上的编码器。

在一个可选实施例中，如图2所示，控制系统还可以包括：电流和电压采集电路20，与内存模块12耦接，用于采集伺服电机的轴电流信号，并将轴电流信号发送至内存模块。电流和电压采集电路20包括但不限于模数转换器，其可以采集电机的三相电流信号，该电流和电压采集电路20采集的电流信号可以包括但不限于各个电机中共直流母线的电流信号，也可以包括各个电机中分别对应的母线的电流信号。在一个可选实施例中，电流和电压采集电路20用于采集各轴相电流(优选每个轴的U、V相电流)或直流母线电压。

如图2所示，上述控制系统还可以包括：输入输出(IO)板22，与内存模块12耦接。该IO板22可以用于接收指令，也可以输出内存模块12输出的信号。该IO板22中包括但不限于：微处理器，可以优选为32位单片机，这样可以降低成本。

在一个可选实施例中，控制系统还可以包括：手持器24；控制芯片10还可以包括：通信模块110，用于接收来自手持器的控制指令。该通信模块110包括但不限于：以太网通信模块。该以太网通信模块包括但不限于支持以太网通信协议的无线通信模块，该通信模块110可以为控制芯片内部设置的一个模块，也可以为控制芯片10外接的一个模块。其中，手持器中可以包含ARM核，用于实现人机交互功能。

为便于理解，现将图2所示控制系统中各个组成部分的工作流程简述如下：

手持器24将用户输入的指令通过以太网方式传输给控制芯片10，控制芯片10进行用户指令的解析、路径规划、驱动控制等工作，将各轴电流信号通过共享内存的方式传递给可编程逻辑门阵列12，可编程逻辑门阵列12经过电流环计算将各轴PWM信号发送给功率放大器16，对PWM信号进行放大后驱动伺服电机(即驱动机构14)；与此同时，可编程逻辑门阵列接收各轴编码器18位置信号、各轴电流信号(通过电流和电压采集电路22采集)、IO板22反馈的IO信号，供控制芯片10读取，进而形成闭环控制。

需要说明的是，第一控制器100、第二控制器102和第三控制器104的数量可以根据实际情况灵活设置，例如，三者的数量可以均为一个，也可以为两个或三个等。另外，第一控制器100、第二控制器102和第三控制器104可以以任意组合的方式集成至一个或多个控制器中。

需要说明的是，本实施例中提供的控制芯片，为一个电子元器件或电子设备，即其可以表现为芯片的形式，也可以表现为非芯片的形式。

实施例2

本实施例提供一种控制芯片，图3为根据本实用新型实施例的一种控制芯片的结构示意图，如图3所示，该控制芯片包括：用于运行操作系统的第一控制器30；用于对待控制设备的驱动机构进行控制的第二控制器32；用于对驱动机构的运动状态进行控制的第三控制器34；第一控制器30、第二控制器32和第三控制器34共用至少一个输入端口36和至少一个输出端口38。

在一个可选实施例中，如图3所示，该控制芯片还可以包括：壳体40；

第一控制器30、第二控制器32和第三控制器34设置于壳体40内部，至少一个输入端口36和至少一个输出端口38设置于壳体40上。

可选地，待控制设备包括：机器人；驱动机构包括：机器人中的至少一个电机。

可选地，如图3所示，控制芯片还包括：以太网通信模块42，用于接收来自手持器的控制指令。

需要说明的是，本实施例提供的控制芯片的优选实施方式可以参见实施例1中的控制芯片的相关描述，此处不再赘述。

实施例3

本实施例提供一种机器人，包括：控制系统，该控制系统的具体实现方式可以参加实施例1中的相关描述，此处不再赘述。

需要说明的是，本实施例提供的控制芯片的优选实施方式可以参见实施例1中的相关描述，此处不再赘述。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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 (14)

1.一种控制系统，其特征在于，包括：控制芯片和内存模块；其中，

所述控制芯片包括：用于运行操作系统的第一控制器；用于对待控制设备的驱动机构进行控制的第二控制器；用于对所述驱动机构的运动状态进行控制的第三控制器；

其中，所述第一控制器、所述第二控制器和所述第三控制器共用至少一个输入端口和至少一个输出端口；且所述第一控制器、所述第二控制器和所述第三控制器共享所述内存模块提供的存储资源。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述内存模块包括：现场可编程门阵列FPGA。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述驱动机构包括：伺服电机，与所述内存模块耦接，用于依据接收来自内存模块发送的控制信号驱动所述待控制设备的执行机构。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：功率放大器，分别与所述内存模块和所述伺服电机连接，用于对所述内存模块输出至所述伺服电机的信号进行放大。

5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

编码器，与所述内存模块耦接，用于采集所述伺服电机的轴位置信号，将所述轴位置信号发送至所述内存模块。

6.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

电流和电压采集电路，与所述内存模块耦接，用于采集所述伺服电机的轴电流信号，并将所述轴电流信号发送至所述内存模块，以及采集直流母线上的电压信号。

7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：输入输出IO板，与所述内存模块耦接。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：手持器；所述控制芯片还包括：通信模块，用于接收来自所述手持器的控制指令。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述通信模块，包括：以太网通信模块。

10.一种控制芯片，其特征在于，包括：

用于运行操作系统的第一控制器；

用于对待控制设备的驱动机构进行控制的第二控制器；

用于对所述驱动机构的运动状态进行控制的第三控制器；

所述第一控制器、所述第二控制器和所述第三控制器共用至少一个输入端口和至少一个输出端口。

11.根据权利要求10所述的控制芯片，其特征在于，还包括：壳体；

所述第一控制器、所述第二控制器和所述第三控制器设置于所述壳体内部，所述至少一个输入端口和至少一个输出端口设置于所述壳体上。

12.根据权利要求10或11所述的控制芯片，其特征在于，所述待控制设备包括：机器人；所述驱动机构包括：所述机器人中的至少一个电机。

13.根据权利要求10所述的控制芯片，其特征在于，所述控制芯片还包括：以太网通信模块，用于接收来自手持器的控制指令。

14.一种机器人，其特征在于，包括：权利要求1至9中任意一项所述的控制系统。