TW202307601A - 伺服系統及伺服系統之控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明之課題在於提供一種成本之上升較少，且高可靠度之伺服系統及伺服系統之控制方法。 伺服系統具有：伺服馬達；編碼器，其檢測伺服馬達之位置/速度之旋轉資訊；及伺服放大器，其使用旋轉資訊，對上述伺服馬達進行驅動控制。伺服放大器包含：編碼器通信介面，其由硬體構成；處理器，其基於運轉指令與經由編碼器通信介面輸入之旋轉資訊，運算控制上述伺服馬達之控制指令；及控制部，其基於控制指令對上述伺服馬達進行驅動控制。 且，處理器將自編碼器直接接收到之旋轉資訊、與經由上述編碼器通信介面輸入之旋轉資訊進行比較，比較兩者之旋轉資訊，於不一致之情形時診斷為故障。

Description

伺服系統及伺服系統之控制方法

本發明係關於一種伺服系統及伺服系統之控制方法。

伺服系統具備：編碼器，其檢測伺服馬達之旋轉資訊(旋轉速度、旋轉位置)；伺服放大器，其提取(反饋)來自編碼器之旋轉資訊，基於伺服馬達之驅動指令資訊(運轉指令)與反饋之旋轉資訊，求得伺服馬達之控制指令，藉由該控制指令對伺服馬達進行驅動控制。伺服放大器多由微處理單元(MPU：Micro Processing Unit)等之處理器、與以來自處理器之控制指令動作之控制部構成。

然而，於伺服系統中為了提高控制精度，需要高頻率地產生控制信號進行控制，需要將來自編碼器之旋轉資訊以更高速確實地反饋至伺服放大器。但，於將該反饋之旋轉資訊(編碼器之輸出信號)提取至伺服放大器之情形時，若欲經由使用軟體之介面提取，則有無法高速地提取旋轉資訊之情形。因此，使用FPGA(Field-Programmable Gate Array：場可程式化閘陣列)或ASIC(Application Specific Integrated Circuit：特殊應用積體電路)等之硬體，作為輸入旋轉資訊時之介面(編碼器通信介面)。例如，於日本專利特開2015-231255號公報(專利文獻1)揭示有一種將編碼器之輸出(旋轉資訊)經由場可程式化閘陣列(FPGA)反饋至為處理器即MPU之構成。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻]日本專利特開2015-231255號公報

[發明所欲解決之問題]

如專利文獻1所示，因藉由使用對通信介面使用FPGA或ASIC等硬體之編碼器通信介面，可高速輸入旋轉資訊，故可進行高速處理，可實現伺服精密控制。

但，於使用使用FPGA或ASIC等之硬體之編碼器通信介面之情形時，有難以檢測硬體相關之所有故障(例如，軟體錯誤等)之情形，在應用於高安全度水準之功能安全之情形時仍有問題。於此種情形時，為了確保高安全度水準之功能安全，考慮使用硬體之編碼器通信介面之冗餘化，即，設置2個以上之編碼器通信介面，檢測其等之資訊有無一致，提高硬體之故障檢測之可靠性，提高伺服系統整體之可靠性。

然而，於使用此種硬體之編碼器通信介面之冗餘化之方法中，產生伺服系統之成本變高、及用以設置之面積增大等之問題。

因此，本發明之目的在於提供一種成本上升少，且高可靠度之伺服系統及伺服系統之控制方法。 [解決問題之技術手段]

若列舉本發明之一例，則係一種伺服系統，具有：伺服馬達；編碼器，其檢測上述伺服馬達之旋轉資訊；伺服放大器，其使用上述旋轉資訊對上述伺服馬達進行驅動控制；且上述伺服放大器包含：編碼器通信介面，其由硬體構成；處理器，其基於運轉指令與經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊，運算控制上述伺服馬達之控制指令；及控制部，其基於上述控制指令，對上述伺服馬達進行驅動控制；上述處理器將自上述編碼器直接接收到之上述旋轉資訊、與經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊進行比較，基於兩者之上述旋轉資訊之比較結果，診斷上述編碼器通信介面有無故障。

又，若列舉本發明之另一例，則係一種伺服系統之控制方法，該伺服系統具有伺服馬達、與檢測上述伺服馬達之旋轉資訊之編碼器，且基於上述編碼器之上述旋轉資訊驅動上述伺服馬達，且該控制方法基於運轉指令與經由使用硬體之編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊，驅動上述伺服馬達，且將經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊、與自上述編碼器直接輸入之上述旋轉資訊進行比較，根據兩者之上述旋轉資訊之比較結果，診斷上述編碼器通信介面有無故障。 [發明之效果]

根據本發明，可提供一種於藉由使用硬體之編碼器通信介面驅動伺服系統之情形時，亦可實現成本之上升較少且高可靠度之伺服系統及伺服系統控制之方法。

以下，藉由具體之實施例詳細地說明本發明。另，本發明並非限定於以下說明之實施例者。即，本發明包含以下說明之實施例在內可以各種態樣變化。又，於以下說明中使用之圖式中，有對相同零件或構成機器使用相同符號(序號)，省略關於已說明之零件或構成機器之說明之情形。

《實施例1》 接著，對本發明之實施例1，使用圖1～圖3進行說明。圖1係顯示本發明之實施例1之伺服系統之整體構成之圖。圖2係顯示實施例1之動作流程之圖。圖3係用以說明比較實施例1之2種旋轉資訊時之資料跳行之圖。

如圖1所示，伺服系統1由伺服放大器2、伺服馬達3、及檢測伺服馬達3之旋轉資訊(旋轉位置、旋轉速度等)之編碼器4構成。編碼器4依據通信協定接收來自伺服放大器2之請求，根據請求，向伺服放大器2發送與請求對應之旋轉資訊。伺服放大器2提取(反饋)以與編碼器4之通信而得之旋轉資訊，基於伺服馬達之指令資訊(運轉指令)與提取出之旋轉資訊，求得伺服馬達之控制指令，根據該控制指令對伺服馬達進行驅動控制。

此處，伺服放大器2具備：微控制器單元(MCU：Micro Controller Unit)5，其係以微處理器為基礎之控制器IC；控制部6，其控制伺服馬達3；及編碼器通信介面7，其接收處理自編碼器4發送之旋轉資訊(旋轉位置、速度)之反饋資料。該編碼器通信介面7使用FPGA或ASIC等硬體。

於該實施例中，MCU5具備：串列通信介面(SCI：Serial Communication Interface)51；安全診斷部52，其包含進行編碼器通信介面7之異常診斷(故障診斷)之功能；及控制指令產生部53，其運算產生對控制部6之控制指令；請求產生部54，其輸出對編碼器4之請求；及故障應對部55，其於安全診斷部52診斷出故障(異常)之情形時進行故障(異常)之應對。另，SCI51亦可外裝於MCU5，此處設置於MCU5內之輸入端部謀求小型化。

於控制指令產生部53中產生控制指令時，為了實現伺服精密控制，使用可自高速輸入編碼器4之旋轉資訊之編碼器通信介面7獲得之旋轉資訊FB2。

SCI51係接收自編碼器通信協定發送之串列資料之介面。SCI51可進行全雙工通信，接收自編碼器4以串列發送來之資料(旋轉資訊)，於SCI51之暫存器累積該旋轉資訊，且以FIFO(First In First Out：先進先出)之順序將累積於暫存器之資料發送至MCU5及編碼器通信介面7。如此，於該實施例中，構成為可將旋轉資訊自1個SCI51發送至MCU5及編碼器通信介面7。因以可自1個SCI51獲得之方式共用旋轉資訊，故電路變得簡單，成本上控制上亦較佳。

安全診斷部52進行為確保伺服放大器2之安全之安全診斷。安全診斷實施伺服放大器2之硬體電路之故障檢測、MCU5之內部軟體關聯之故障檢測、及編碼器通信介面7之故障診斷。該等安全診斷中之編碼器通信介面7之故障診斷藉由將經由SCI51直接輸入(反饋)至MCU5之旋轉資訊FB1、與經由編碼器通信介面7輸入至MCU5之旋轉資訊FB2進行比較而進行。故障應對部55基於安全診斷部52之診斷結果，進行伺服馬達之緊急停止等之適當對策。

控制指令產生部53產生對控制部6之位置控制部61、速度控制部62、馬達控制部63之控制指令。該控制指令基於運轉指令與經由編碼器通信介面7而得之旋轉資訊FB2產生。具體而言，產生(運算)用以使運轉指令與旋轉資訊之差消失之控制指令。

請求產生部54依據編碼器協定產生與應接收之資料對應之請求，經由SCI51發送至編碼器4。作為請求，除要求發送用以通常控制之旋轉資訊外，還要求發送測試用資訊等。編碼器4將與該請求對應之旋轉資訊發送至伺服放大器2。具體而言，發送至設置於MCU5之輸入端部之SCI51。

控制部6具備位置控制部61、速度控制部62及馬達控制部63。位置控制部61、速度控制部62、馬達控制部63輸入MCU5之控制指令產生部53產生之控制指令，控制伺服馬達3之位置、速度及轉矩。

編碼器通信介面7具備編碼器資料接收部71及編碼器資料發送部72。編碼器資料接收部71經由SCI51接收自編碼器發送之旋轉資訊之資料。編碼器資料發送部72經由FPGA或ASIC等I/O端口，將接收之旋轉資訊FB1發送至MCU5。MCU5根據輸入該旋轉資訊FB1之順序保存於未圖示之記憶體。

另，於圖1中，雖為了易於理解，而將MCU5之構成以功能塊形式顯示，但實際上根據記憶於ROM(Read only Memory：唯讀記憶體)之程式，MPU或CPU實施馬達之控制及故障診斷。

接著，關於實施例1中使用硬體之編碼器通信介面7之故障診斷，藉由圖2所示之動作流程進行說明。圖2係顯示MCU5之故障診斷處理之動作之流程圖。

於圖2中，於步驟S01，請求產生部54產生用以獲得馬達控制所求之旋轉資訊之請求R。

接著，於步驟S02，請求產生部54將該請求R經由SCI51發送至編碼器4。藉此，編碼器4將與請求對應之旋轉資訊發送至伺服放大器2。於步驟S03，由SCI接收自編碼器4發送之旋轉資訊(旋轉位置或速度等)。

接著，於步驟S04，將累積於SCI51內之暫存器之旋轉資訊以FIFO之順序發送至編碼器通信介面7。同時，於MCU5內亦提取相同之旋轉資訊。此處，將發送至編碼器通信介面7，自編碼器資料發送部72輸出之旋轉資訊設為FB2，將直接提取至MCU5並保存之旋轉資訊設為FB1。

接著，於步驟S05，安全診斷部52將經由編碼器通信介面7獲得之旋轉資訊FB2與由SCI51接收並提取至MCU5之旋轉資訊FB1進行比較。且，於步驟S05，於FB1與FB2一致之情形時，安全診斷部52判斷為編碼器通信介面7無故障(異常)，返回至步驟S01。該步驟S01~步驟S05所示之故障診斷程序於伺服馬達之運轉期間繼續。

於步驟S05，若產生比較之2個資料(旋轉資訊FB1與FB2)不一致之狀態之情形，則安全診斷部52判斷為編碼器通信介面7發生故障，進入下一個步驟S06。另，此時之一致不僅為2個資料完全一致之情形(即，FB1-FB2=0之情形)，可視作2個資料一致之程度之情形(2個資料之差為預設之閾值以下之情形時)亦判斷為「一致」。

於步驟S06，將編碼器通信介面7之故障信號發送至故障應對部55。

且，於步驟S07，故障應對部55基於故障信號，進行對於伺服系統之適當之緊急應對。例如，故障應對部55切斷向伺服馬達3供給之電源，使伺服馬達停止。又，與此同時，進行將故障狀態通知管理系統整體之上階裝置等之應對。

如此，於伺服系統動作期間(運轉期間)，配合伺服馬達之運轉控制繼續實施故障診斷動作。且，於判斷為故障之情形(於FB1與FB2之資料不一致之情形時)時，可診斷故障並進行緊急應對。

接著，對安全診斷部52之診斷動作(步驟S05之比較判斷動作)中，於將FB1與FB2進行比較時，用以比較編碼器4於相同時序輸出之旋轉資訊之方法進行說明。如上述般，因硬體之編碼器通信介面7進行高速動作，故每單位時間可入手之旋轉資訊FB2之數量多於直接輸入至MCU45之FB1。因此，為了更正確地將FB1與FB2進行比較，將FB2之資料配合跳行時序而比較FB1與FB2可進行更正確之診斷。圖3係用以說明該跳行處理及資料比較之圖。

於圖3中，下側為編碼器通信介面7之輸出即旋轉資訊FB2，上側為自SCI51直接輸入至MPU5之旋轉資訊FB1。

如圖3所示，為了配合比較該兩者資料之時點，相對於直接輸入至MPU5之旋轉資訊FB1，將編碼器通信介面7之輸出即旋轉資訊FB2以依資料通信週期時間與複數個週期時間之比率設定之跳行率進行跳行處理。且，根據設定之跳行率隔開時間，將經跳行處理後之旋轉資訊FB2與FB1進行比較。藉由進行此種跳行處理，可更正確地判斷編碼器通信介面7之故障。FB2之跳行處理可於事前設定。於圖3中，顯示跳行率為1:3之例，三個週期中，一個週期之旋轉資訊FB2用於與FB1之比較。

根據以上說明之本發明之實施例1，於藉由使用硬體之編碼器通信介面驅動伺服系統之情形時，亦可實現成本之上升較少且高可靠度之伺服系統。

《實施例2》 接著，對本發明之實施例2，使用圖4進行說明。圖4係實施例2之伺服系統之構成圖。因實施例2之基本構成與已說明之實施例1相同，故省略說明，此處主要對與實施例1不同之構成部分進行說明。

圖4所示之實施例2代替圖1中之使用硬體之編碼器通信介面7，於MCU5內設置具有相同功能之編碼通信介面70。即，對於內置於MCU5之編碼器通信介面70，使用動態可重組處理器即DRP(Dynamically Reconfigurable Processor)。DRP(動態可重組處理器)係一面動態切換運算器間之連接，一面執行應用程式之硬體。一般DRP內部之電路具備：8位元單位之PE(Processor Element：處理器元件)陣列，其配置成格柵狀；STC(State Transition Controller：狀態轉換控制器)，其動態地選擇該等PE；及RAM(Random Access Memory：隨機存取記憶體)與記憶體控制器，其等將資料供給至PE。另，因DRP之構成本身眾所周知，故此處省略DRP之詳細說明。

該實施例2之動作與實施例1相同，因與已說明之內容重複，故此處省略其詳細之說明。又，因實施例2之動作流程為與圖2所示之內容相同之動作流程，故亦省略其之動作說明。又，於安全診斷部52之診斷動作中，如圖3所示，於將FB1與FB2進行比較時，為了比較編碼器4於相同時序輸出之旋轉資訊，關於資料跳行亦與實施例1相同。即，於實施例2亦進行如圖3之跳行處理。因此，亦省略關於其等之說明。

於圖4所示之實施例2中，由DRP構成之編碼器通信介面70內置於MCU5，可具有硬體邏輯之高處理能力、與如CPU之較高靈活性、功能擴展性。

另，於該實施例2中，亦與實施例1之情形相同，設為以下構成：不獨立設置用以將旋轉資訊提取至由DRP構成之編碼器通信介面70之SCI、與用以提取至MCU5之SCI，而使用共通之1個SCI51。又，藉由利用DRP內置編碼器協定對應之編碼器通信介面70，無需外裝之硬體(FPGA或ASIC等)，可小型化且削減一部分硬體之成本。

圖5例如顯示與使用時脈同步式串列通信之編碼器之連接形態之例。對於編碼器4與MCU5之間之連接，例如使用RS-485規格等作動信號，由雙絞線41進行配線。藉此，有可緩和雜訊等之影響之效果。亦可為以下形態：於MCU5分別備置相當於DRP及SCI之兩功能塊之輸入輸出引腳，分別將RS-485收發機之各信號(SCL、Rx、Tx)並聯連接於該等兩者之輸入輸出引腳。

圖6係於圖5所示之MCU5中，備置DRP及SCI之輸入輸出引腳，分別將RS-485收發機之各信號(SCL、Rx、Tx)並聯連接於兩者之輸入輸出引腳時之構成圖。

根據以上說明之本發明之實施例2，可提供具有與實施例1相同之效果，同時小型化且更為廉價之伺服系統。

1:伺服系統 2:伺服放大器 3:伺服馬達 4:編碼器 5:微控制器單元 6:控制部 7:編碼器通信介面 41:雙絞線 51:串列通信介面 52:安全診斷部 53:控制指令產生部 54:請求產生部 55:故障應對部 61:位置控制部 62:速度控制部 63:馬達控制部 70:編碼器通信介面 71:編碼器資料接收部 72:編碼器資料發送部 DRP:動態可重組處理器 FB1:旋轉資訊 FB2:旋轉資訊 Rx:信號 S01~S07:步驟 SCI:串列通信介面 SCL:信號 Tx:信號

圖1係顯示本發明之實施例1之伺服系統之圖。 圖2係實施例之伺服系統之動作流程圖。 圖3係說明於比較實施例1之2種旋轉資訊時之資料跳行之圖。 圖4係顯示本發明之實施例2之伺服系統之構成圖。 圖5係顯示編碼器與處理器之連接形態之例之圖。 圖6係顯示圖5之連接形態之伺服系統之構成圖。

1:伺服系統

2:伺服放大器

3:伺服馬達

4:編碼器

5:微控制器單元

6:控制部

7:編碼器通信介面

51:串列通信介面

52:安全診斷部

53:控制指令產生部

54:請求產生部

55:故障應對部

61:位置控制部

62:速度控制部

63:馬達控制部

71:編碼器資料接收部

72:編碼器資料發送部

FB1:旋轉資訊

FB2:旋轉資訊

Claims (16)

1. 一種伺服系統，其具有：伺服馬達；編碼器，其檢測上述伺服馬達之旋轉資訊；及伺服放大器，其使用上述旋轉資訊對上述伺服馬達進行驅動控制；且 上述伺服放大器包含：編碼器通信介面，其由硬體構成；處理器，其基於運轉指令與經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊，運算控制上述伺服馬達之控制指令；及控制部，其基於上述控制指令，對上述伺服馬達進行驅動控制；且 上述處理器將自上述編碼器直接接收到之上述旋轉資訊、與經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊進行比較，基於兩者之上述旋轉資訊之比較結果，診斷上述編碼器通信介面有無故障。
2. 如請求項1之伺服系統，其中作為上述處理器，使用微控制器單元。
3. 如請求項1之伺服系統，其中設置串列通信介面，其接收並累積自上述編碼器發送之串列之上述旋轉資訊，以FIFO之順序將該累積之資料發送至上述處理器及上述編碼器通信介面。
4. 如請求項3之伺服系統，其中於上述處理器內設置產生決定上述旋轉資訊之應接收之資料之請求的請求產生部，藉由將上述請求經由上述串列通信介面發送至上述編碼器，上述編碼器將與上述請求對應之上述旋轉資訊發送至上述串列通信介面。
5. 如請求項3之伺服系統，其中上述串列通信介面設置於上述處理器之輸入端部。
6. 如請求項1之伺服系統，其中使上述編碼器通信介面內置於上述處理器。
7. 如請求項6之伺服系統，其中作為上述編碼器通信介面，使用動態可重組處理器。
8. 如請求項7之伺服系統，其中使接收並累積自上述編碼器發送之串列之上述旋轉資訊且以FIFO之順序將所累積之資料發送至上述處理器及上述編碼器通信介面之串列通信介面內置於上述處理器。
9. 如請求項1之伺服系統，其中將經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊跳行後之資訊與自上述編碼器直接接收到之上述旋轉資訊進行比較。
10. 如請求項1之伺服系統，其中於診斷出上述故障之情形時，進行對於伺服系統之緊急應對。
11. 如請求項1之伺服系統，其中於上述處理器具備相當於動態可重組處理器及串列通信介面之功能之輸入輸出引腳，藉由上述輸入輸出引腳接收自上述編碼器發送之串列之上述旋轉資訊。
12. 一種伺服系統之控制方法，該伺服系統具有伺服馬達、與檢測上述伺服馬達之旋轉資訊之編碼器，基於上述編碼器之上述旋轉資訊驅動上述伺服馬達，且該控制方法 基於運轉指令與經由使用硬體之編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊，驅動上述伺服馬達，且 將經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊、與自上述編碼器直接輸入之上述旋轉資訊進行比較，根據兩者之上述旋轉資訊之比較結果，診斷上述編碼器通信介面有無故障。
13. 如請求項12之伺服系統之控制方法，其中經由串列通信介面將上述旋轉資訊提取至編碼器通信介面，該串列通信介面係接收並累積自上述編碼器發送之串列之上述旋轉資訊，且以FIFO之順序發送所累積之資料。
14. 如請求項12之伺服系統之控制方法，其中產生決定應自上述編碼器接收之資料之請求，將上述請求發送至上述編碼器，自上述編碼器輸入與上述請求對應之上述旋轉資訊。
15. 如請求項12之伺服系統之控制方法，其中將經由上述編碼器通信介面輸入之上述旋轉資訊跳行後之資訊與自上述編碼器直接接收到之上述旋轉資訊進行比較。
16. 如請求項12之伺服系統之控制方法，其中於診斷出上述故障之情形時，進行對於伺服系統之緊急應對。

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