CN208953910U - 伺服驱动器以及带有该驱动器的机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种伺服驱动器以及带有该驱动器的机器人。该伺服驱动器包括：现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块，所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述现场可编程门阵列模块连接，用于驱动与所述伺服驱动器连接的电机，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。本申请解决了伺服驱动器中采用单核处理器时工作效率较为低下的技术问题。通过本申请可以将伺服驱动器性能指标最优化，从而实现了电机响应速度高、提高实时性、通讯速率和稳定性的技术效果。

Description

伺服驱动器以及带有该驱动器的机器人

技术领域

本申请涉及驱动器领域，具体而言，涉及一种伺服驱动器以及带有该驱动器的机器人。

背景技术

伺服驱动器，通常是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，进一步实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

发明人发现，在伺服驱动器多为单核处理器控制，如果采用单核处理器控制时电机响应速度较慢、实时稳定性较差。此外，通讯速率也较为低下。

针对相关技术中伺服驱动器中采用单核处理器时工作效率较为低下的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种伺服驱动器，以解决伺服驱动器中采用单核处理器时工作效率较为低下问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种伺服驱动器。

根据本申请的伺服驱动器包括：现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块，所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述数字信号处理模块20，用于驱动与所述伺服驱动器连接的电机，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。

进一步地，所述现场可编程门阵列模块包括：与422接口电路通讯连接的第一TTL串口，用以与外部总线进行通讯；与数字信号处理模块连接的第二 TTL串口，用于与内部数字信号处理模块进行通讯。

进一步地，所述数字信号处理模块包括：数字信号处理器，用于向所述电机驱动芯片发送控制信号以及通信信号；电机驱动芯片，用于接收所述控制信号和通信信号；三相桥电路，用于控制电机的转速和启停；其中，所述通信信号用于作为四线标准SPI信号，将数字信号处理器作为主机，电机驱动芯片作为从机；所述控制信号为6路PWM信号。

进一步地，还包括：用于防止流过电机线圈的电流超过额定值或者预先设定阈值的过流保护电路结构，所述过流保护电路的输出端与所述电机驱动芯片的控制使能引脚相连，通过所述控制使能引脚接收到的高或低电平控制所述电机驱动芯片的输出信号。

进一步地，还包括：用于防止流过电机线圈的电流超过额定值或者预先设定阈值的过流保护电路软件程序，通过将配置的电源电压模拟量出输入所述数字信号处理器的模数转换器采集端口的数字量化比较，判断是否超过软件程序预设阈值。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种机器人。

根据本申请的机器人包括：多个所述的伺服驱动器，每个所述伺服驱动器包括：通讯输入接口和通讯输出接口，单个所述伺服驱动器或多个所述伺服驱动器通级联后，用于控制所述机器人的关节运动。

进一步地，所述伺服驱动器还包括如下的一种或者多种对外接口：编码器接口，通信接口，电源接口、风扇接口，调试接口。

进一步地，所述伺服驱动器还包括：多个LED指示灯，所述LED指示灯用于作为如下的任一一种或者多种指示灯：电源指示灯、通信输入指示灯、通信输出指示灯、数字信号处理模块工作指示灯、驱动器过温过流指示灯、驱动器故障指示灯、驱动器硬件过流指示灯。

进一步地，所述伺服驱动器包括：DRV8301电机驱动芯片。

进一步地，所述伺服驱动器用于可驱动额定电压值为48V以内的直流无刷电机。

在本申请实施例中，采用现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块的方式，通过所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输，达到了将伺服驱动器性能指标最优化的目的，从而实现了电机响应速度高、提高实时性、通讯速率和稳定性的技术效果，进而解决了伺服驱动器中采用单核处理器时工作效率较为低下的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据申请实施例的伺服驱动器结构示意图；

图2是图1中的现场可编程门阵列模块示意图；

图3是图1中的数字信号处理模块示意图；

图4是根据本申请实施例的伺服驱动器通信方式示意图；

图5是根据本申数字信号处理模块工作原理示意图；

图6是根据本申过流保护电路工作原理示意图；

图7是根据本申ADC电压采集示意图；

图8是主从设备SPI通信示意图；

图9是多编码接口示意图；

图10是单个编码器示意图；以及

图11是多个编码器级联示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请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，以便这里描述的本申请的实施例。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。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例中的伺服驱动器主要采用FPGA+DSP的双核处理器控制方案，相比与现有技术中的单核处理器控制有着明显的优势，伺服电机的响应速度明显提高，整个机器人系统实时性要求的也大大提高，通讯速率提高而且稳定性也大大提高，相比于现有技术中的驱动器都有着明显的优势。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，伺服驱动器包括：现场可编程门阵列模块10和数字信号处理模块20，所述现场可编程门阵列模块10用于处理总线上的数据通讯，所述数字信号处理模块20，用于驱动与所述伺服驱动器连接的电机，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。

本申请实施例中的伺服驱动器主要由通讯部分和驱动控制两大部分组成。通讯主要由现场可编程门阵列模块中的FPGA处理器和外围电路组成，现场可编程门阵列模块中的FPGA处理器负责驱动器对外的总线通讯和命令解析，DSP 数字信号处理模块负责驱动控制部分，负责控制后端驱动电路，控制电机启停。通过上述两个处理器各自分工合作，之间通过串口进行数据的交换，将整个驱动器的性能指标达到最优。

本申请实施例中的伺服驱动器采用双核FPGA+DSP的处理器方案实现，通过FPGA处理器负总线上的通讯，命令帧协议解析；通过DPS处理器则负责控制电机启停以及电机参数调整，两者之间通过串口进行数据的实时交互。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

在本申请实施例中，采用现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块的方式，通过所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输，达到了将伺服驱动器性能指标最优化的目的，从而实现了电机响应速度高、提高实时性、通讯速率和稳定性的技术效果，进而解决了伺服驱动器中采用单核处理器时工作效率较为低下的技术问题。

根据本发明实施例，作为本实施例中的优选，如图2所示，所述现场可编程门阵列模块10包括：与422接口电路通讯连接的第一TTL串口101，用以与外部总线进行通讯；与数字信号处理模块连接的第二TTL串口102，用于与内部数字信号处理模块进行通讯。

根据本发明实施例，如图4所示，现场可编程门阵列模块10用于负责和机器人系统总线通讯，其通讯接口为全双工422，速率达到5Mbps，该伺服驱动器可以通过多个驱动器进行级联同时工作，同时在每个驱动器上有一个通讯输入接口和一个输出接口，及驱动器可以独立工作控制机器人某个单关节。也可以将伺服驱动器进行级联(上一级的输出接下一级的输入)同时可以控制机器人多个关节，都是由现场可编程门阵列模块10的控制逻辑编程来决定实现。现场可编程门阵列模块10本身引脚的信号为TTL串口信号，通过外部的转换电路转换成标准的422接口电路，现场可编程门阵列模块10就实现了与外部总线进行422通讯的方案。在内部通信(数字信号处理模块20进行通讯)，通过TTL串口进行通讯。此外，由于本身数字信号处理模块20也是TTL串口，电平接口在电气规格上可完全实现兼容。

根据本发明实施例，作为本实施例中的优选，如图3所示，所述数字信号处理模块20包括：数字信号处理器201，用于向所述电机驱动芯片发送控制信号以及通信信号；电机驱动芯片202，用于接收所述控制信号和通信信号；三相桥电路203，用于控制电机的转速和启停；其中，所述通信信号用于作为四线标准SPI信号，将数字信号处理器作为主机，电机驱动芯片作为从机；所述控制信号为6路PWM信号。

如图5所示，数字信号处理器201负责驱动控制端，作为本申请实施例中的优选，具体为DSP处理器通过控制电机驱动芯片202优选地采用DRV8301 电机驱动芯片来控制伺服电机，DSP处理器给DRV8301发送控制信号和通信信号，DRV8301收到正确指令后通过后面的三相MOS管电路来控制电机的转速快慢和启停。优选地，通过6个MOS管组成的三相桥电路，电机的每一相线对应接到三相桥的每一项。该设计控制部分带有电机控制保护功能，具体有电机过流保护、电机过压保护、控制过温保护、控制故障保护等保护。当流过电机线圈的电流过大时，超过额定值或者预先设定好的阈值后，控制器就会对进行电机过流保护。

根据本发明实施例，作为本实施例中的优选，如图6所示，本申请实施例中的伺服驱动器还包括：用于防止流过电机线圈的电流超过额定值或者预先设定阈值的过流保护电路结构，所述过流保护电路的输出端与所述电机驱动芯片的控制使能引脚相连，通过所述控制使能引脚接收到的高或低电平控制所述电机驱动芯片的输出信号。

具体地，硬件过流保护电路图如图6所示，电机驱动芯片202优选地采用 DRV8301电机驱动芯片。通过三个采样电阻分别采集电机三相线两两之间流过的电流值，采集后得到的三组差分电流信号通过一个运算放大器进行加法器计算，将三个电流值进行叠加，并进行信号放大反向处理，再将叠加放大后的电流信号通过一个RC滤波器，得到比较平滑的一个电平信号，再将此信号和比较器电路进行比较，比较器的输出接一个二输入与门的输入，与门输出最后接到DRV8301的控制使能引脚，通过控制使能引脚的高低电平来控制DRV8301 的输出信号控制，具体的电路参数计算为：该驱动器设计最大驱动电流上限值为20A，流过电机线圈的最大电流为20A，通过5mR的采样电阻计算得出，电压值＝20A*5mR＝0.1V，在经过运放放大20倍后为20*0.1＝2V，2V的信号经过一级RC滤波器电路，得到一个平滑的电平信号，在将电平信号接入到比较器的反向端引脚，此时反相器同相端设定固定值比较值为1.9V阈值，此时反向端电压高于同向端电压，比较器输出一个低电平，又由于与门2引脚平时都是上拉到高电平，而此时与门1引脚得到一个低电平值，所以两者经过与门计算后得到输出为一个低电平信号，给到DRV8301的使能引脚，此时DRV8301 认为电机线圈过流，关闭控制电机的控制端信号。相反，如果正常情况下，电机线圈电流值很小，经过上述电路转换后得到一个小于1.9V的电平值，而比较器为平时为带上拉输出，输出为高电平，到与门输入引脚也为高电平，最终与门输出引脚也为高电平，此时DRV8301为正常工作状态。

本申请实施例中的伺服驱动器还包括：用于防止流过电机线圈的电流超过额定值或者预先设定阈值的过流保护电路软件程序，通过将配置的电源电压模拟量出输入所述数字信号处理器的模数转换器采集端口的数字量化比较，判断是否超过软件程序预设阈值。

软件过流保护机制为通过软件计算得出，具体实现为通过采样电阻采集后的电流送到DRV8301的差分输入引脚，DRV8301内部通过配置的参数计算得到一个0到VCC的模拟量，此模拟量出输入到DSP处理器的ADC采集端口进行数字量化比较，如果超过了软件预设的阈值，就说明电机过流，需要立即关闭。此时，与门芯片输入引脚，DSP处理器会给出一个低电平的信号，通过与门计算后，输出会变成低电平信号；此时，DRV8301的使能引脚也得到一个同样的低电平信号，则认为电机过流，关闭电机控制端的输出信号，相反 ADC端口采集的信号没有超过阈值，则认为正常，软件不会关闭DRV8301，控制器正常输出。

优选地，电压保护为保护电机母线上的电压不会超过额定电压值，以保证电机不会被损坏，因为有时候电机突然制动，就会出现母线电压瞬间升高，这对应电机和整个控制器都是非常不利的，所以必须能够检测母线电压值，将不必要的电压值进行释放或者转换，对于母线电压，在本申请中设计了一组ADC 电压采集，如图7所示，由DSP处理器去负责控制采集和监控，一但发现过压，立即打开MOS管的G极，MOS管导通，高压通过电阻进行释放保护。由于系统电压为48V，电压远远高出采集电压3.3V的电压值范围，所以要通过两个电阻进行分压采集，转换计算公示为：V(ADC)＝48*(R2/(R1+R2)), 相反，系统电压正常时，MOS管处于关断状态。过温保护由驱动芯片DRV8301 进行控制，如果电机过流较大，DRV8301温度就会急剧升高，在超过内部预设的阈值时，此时DRV8301就会出现过温报警提示，对应的LED显示点亮，提示此时过温。

具体地，如图8所示，DRV8301和DSP处理器之间通过控制信号和通讯信号进行连接，通信信号为四线标准SPI信号，DSP处理器作为主机，DRV8301 作为从机，DSP处理器可以通过SPI时序控制DRV8301的寄存器配置，配置 DRV8301的工作模式以及工作参数等；控制信号为6路PWM信号，DSP处理器输出6路PWM信号给DRV8301的6路输入接口，之后DRV8301将此信号进行整形，放大后驱动后端的三相MOS管桥电路，从而控制三相桥电路的导通。

该驱动器电源设计方案采用直流48V供电，最高支持到55V。工作电压为5V、3.3V、2.5V、1.2V，由电源转换芯片得来，电源IC采用小体积，大电流的开关芯片，满足整个系统的供电要求。优选地，由于DRV8301内部集成了一路开关电源，所以直接外供48V转到5V采用的内部电路转换，这样就省掉了一组电源转换电路，节省了电路板设计空间和成本，以达到最优的实施方式。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

根据本发明实施例，还提供了一种用于实施上述伺服驱动器的机器人，如图10、11所示，该机器人包括：多个所述的伺服驱动器，每个所述伺服驱动器包括：通讯输入接口和通讯输出接口，单个所述伺服驱动器或多个所述伺服驱动器通级联后，用于控制所述机器人的关节运动。优选地，所述伺服驱动器包括：DRV8301电机驱动芯片。优选地，所述伺服驱动器用于可驱动额定电压值为48V以内的直流无刷电机。

作为本实施例中的优选，如图9所示，所述伺服驱动器还包括如下的一种或者多种对外接口：编码器接口，通信接口，电源接口、风扇接口，调试接口。

在本申请实施例伺服驱动器中预留了多种编码器接口以及通信接口，还有电源接口、风扇接口，调试接口等，满足市面上所有48V以下电机的使用范围。

编码器接口，包括光电增量式、三相霍尔位置检测、关节绝对位置检测接口，光电增量式采用差分信号输入接口，5V电压供电，如图9所示，可对电机的速度和位置进行控制，三相霍尔位置检测可以检测上电时电机转子所处的一个当前位置，提供一个电机当前的位置指令信息，关节绝对位置检测是连接外部的关节处的绝对编码器，接口对通用SPI接口，3.3V供电，通过与编码器进行连接通讯，可随时确定机器人的关节当前处于一个位置角度，这对在机器人的闭环控制中有着非常重要的作用。

通信接口，采用422串口，一个数据发送口，另一个数据接收口，每个接口都支持全双工操作，同时可以进行级联控制，也可以单板进行控制，通信速率达到5Mbps。

电源接口，采用3.5MM绿色端子带卡扣锁紧功能，电源输入端带有TVS 防浪涌保护器件，防止高压静电损坏器件。

风扇接口，属于预留接口，用户可以接自己的风扇给电机散热或者给驱动器散热使用，不过驱动器本身已带有散热片进行主动式散热，可根据实际需要进行安装。风扇接口，电气标准为电压12V，最大输出电流500mA，而且风扇开关可通过软件进行指令进行操作。

调试接口为两个，分别为FPGA处理器接口和DSP处理器接口，通过调试接口可方便调试人员进行软件的更新升级和在线仿真。

作为本申请实施例中的优选，所述伺服驱动器还包括：多个LED指示灯，所述LED指示灯用于作为如下的任一一种或者多种指示灯：

电源指示灯、通信输入指示灯、通信输出指示灯、数字信号处理模块工作指示灯、驱动器过温过流指示灯、驱动器故障指示灯、驱动器硬件过流指示灯。

LED报警指示灯说明：该驱动器设计采用多个LED等指示驱动器不同的工作状态。LED灯分别有电源指示灯，通信输入指示灯、通信输出指示灯、DSP 工作指示灯、驱动器过温过流指示灯、驱动器故障指示灯、驱动器硬件过流指示灯。

具体地，其中，LED电源指示灯(红色)：红色灯亮，表示驱动器电源正常上电，相反则表示电源电路出现故障；LED通讯输入指示灯(蓝色)：正常间隔1S闪烁，表示驱动器输入信号与外部通信正常，相反则表示通信出现异常；LED通讯输出指示灯(蓝色)：正常间隔1S闪烁，表示驱动器输出信号与外部通信正常，相反则表示通信出现异常；DSP工作指示灯(绿色)：正常1S 闪烁，表示DSP处理器工作状态正常，相反则表示处理器异常出现程序跑飞死机等情况；驱动器过温过流指示灯(黄色)：正常熄灭，如果黄色灯亮起，则表示驱动器出现过温或电机出现过流；驱动器故障指示灯(橙色)：正常熄灭，如果橙色灯亮起，则表示驱动器出现故障或者硬件电路出现故障；驱动器硬件过流指示灯(黄色)：正常熄灭，如果黄色灯亮起，则表示电机出现过流。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种伺服驱动器，其特征在于，包括：现场可编程门阵列模块和数字信号处理模块，所述现场可编程门阵列模块用于处理总线上的数据通讯，所述数字信号处理模块，用于驱动与所述伺服驱动器连接的电机，所述数字信号处理模块与所述现场可编程门阵列模块通过串口执行数据相互传输。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述现场可编程门阵列模块包括：

与422接口电路通讯连接的第一TTL串口，用以与外部总线进行通讯；

与数字信号处理模块连接的第二TTL串口，用于与内部数字信号处理模块进行通讯。

3.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：

数字信号处理器，用于向所述电机驱动芯片发送控制信号以及通信信号；电机驱动芯片，用于接收所述控制信号和通信信号；

三相桥电路，用于控制电机的转速和启停；

其中，所述通信信号用于作为四线标准SPI信号，将数字信号处理器作为主机，电机驱动芯片作为从机；所述控制信号为6路PWM信号。

4.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，还包括：用于防止流过电机线圈的电流超过额定值或者预先设定阈值的过流保护电路结构，

所述过流保护电路的输出端与所述电机驱动芯片的控制使能引脚相连，通过所述控制使能引脚接收到的高或低电平控制所述电机驱动芯片的输出信号。

5.一种机器人，其特征在于，包括：多个如权利要求1-4任一项所述的伺服驱动器，每个所述伺服驱动器包括：通讯输入接口和通讯输出接口，单个所述伺服驱动器或多个所述伺服驱动器通级联后，用于控制所述机器人的关节运动。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述伺服驱动器还包括如下的一种或者多种对外接口：

编码器接口，通信接口，电源接口、风扇接口，调试接口。

7.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述伺服驱动器还包括：多个LED指示灯，所述LED指示灯用于作为如下的任一一种或者多种指示灯：电源指示灯、通信输入指示灯、通信输出指示灯、数字信号处理模块工作指示灯、驱动器过温过流指示灯、驱动器故障指示灯、驱动器硬件过流指示灯。

8.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述伺服驱动器包括：DRV8301电机驱动芯片。

9.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述伺服驱动器用于可驱动额定电压值为48V以内的直流无刷电机。