TWM414034U - Servo drive device having distributed control machanism and servo drive network architecture using the same - Google Patents

Description

M414034 « · 五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作是有關於一種伺服驅動器及其伺服驅動網絡 架構，且特別是有關於一種具分散式運動控制機能之伺服 驅動器及其伺服驅動網絡架構。 【先前技術】 分散式控制系統(distributed control system)是一種廣 泛地使用在各種應用場合的技術。隨著工業發展、科技進 步，各家廠商亦積極開發與分散式控制系統有關的技術及 產品。 於工業控制的場合，馬達控制技術是相當重要的❶當 分散式控制系統應用在馬達的運動控制時，一般是使用一 台工控電腦來控制多個舰驅動器，從而控制多台 達的運動。為了使伺服驅動器與I控電腦相互連接，可在 每==動器上裝配一運動控制器，並在工控電腦褒配 :運動控制轴卡，而運動控制轴卡與運動控制器是以主從 式（master-siave)的架構所完成。如此，分散 能以一台工控電腦來控制多個 更 式運動控制的機能。夕則服_[㈣達到分散 卡與運動控二 ==控:;成:往往要_該== 子後，舰_上：=:?。再者’接上連接端 ㈢因為該連接端子佔用連接腳位，而 3 M414034 降低其輸出輸入埠的使用彈性。 再者，由於伺服驅動器與運動控制器通常是兩獨立產 品，兩者是不同的電氣規格，使用不同的訊號介面。基於 訊號相容的考量，往往要在伺服驅動器與運動控制器中使 用各別的訊號隔離元件，使得電路設計複雜度提高，成本 增加。 【新型内容】 本創作係有關於一種伺服驅動器及伺服驅動網絡架 構，其本身具有分散式運動控制的機能，能減少訊號隔離 元件的使用數量，從而簡化電路、降低成本。 根據本創作之一方面，提出一種伺服驅動器，適用於 一分散式運動控制系統(distributed control system)。伺服驅 動器包括一通訊埠、一輸出輸入埠、一隔離通訊單元、一 隔離輸出輸入單元、一運動控制模組、一訊號選擇單元、 及一伺服驅動單元。隔離通訊單元連接至通訊埠。隔離輸 出輸入單元連接至輸出輸入谭。隔離輸出輸入單元具有一 第一組通道及一第二組通道。第一組通道包含一第一分流 通道、一第二分流通道、及一第三分流通道。運動控制模 組連接至隔離通訊單元，並連接至第一分流通道。訊號選 擇單元連接至運動控制模組，並連接至第二分流通道。伺 服驅動單元連接至訊號選擇單元，另連接至第一組通道的 第三分流通道，並直接與隔離輸出輸入單元之第二組通道 相連接。 根據本創作之另一方面，提出一種伺服驅動網絡架 M414034 « * 構，適用於一分散式運動控制系統。伺服驅動網絡架構包 括一通訊網路及多個伺服驅動器。伺服驅動器經由通訊網 路連接至一外部主控電腦。各個伺服驅動器包括一通訊 埠、一輸出輸入埠、一隔離通訊單元、一隔離輸出輸入單 元、一運動控制模組、一訊號選擇單元、及一伺服驅動單 元。隔離通訊單元連接至通訊埠。隔離輸出輸入單元連接 至輸出輸入埠。隔離輸出輸入單元具有一第一組通道及一 ' 第二組通道。第一組通道包含一第一分流通道、一第二分 $ 流通道、及一第三分流通道。運動控制模組連接至隔離通 訊單元，並連接至第一分流通道。訊號選擇單元連接至運 動控制模組，並連接至第二分流通道。伺服驅動單元連接 至訊號選擇單元，另連接至第一組通道之第三分流通道， 並直接地與隔離輸出輸入單元之第二組通道相連接。 為讓本創作之上述内容能更明顯易懂，下文特舉較佳 實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。 【實施方式】 * 以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為 範例說明，並不會限縮本創作欲保護之範圍。此外，實施 例中之圖式係省略不必要之元件，以清楚顯示本創作之技 術特點。 依據本創作實施例所提出的伺服驅動器及伺服驅動 網絡架構，將一運動控制模組設置在伺服驅動器内，使伺 服驅動器具有分散式運動控制的機能，並調整伺服驅動器 的電路架構，使運動控制模組能與伺服驅動器的既有介面 5 M414034 電路相容。如此，具有分散式運動控制機能的飼服驅動器 可使用較少的訊號隔離元件，從而簡化電路、降低成本。 凊參照第1圖，其繪示依據本創作一實施例之伺服驅 動系統的示意圖。此伺服驅動系統10可實現為一分散式 控制糸統（distributed control system, DCS)。词服驅動系統 10包含一主控電腦12、一運動控制軸卡13、一通訊網路 14、及多個伺服驅動器16。於實作中，主控電腦12例如 是一工控電腦或工業電腦，而通訊網路14例如是符合特 定通訊協定的匯流排’如RS-485匯排流、控制器區域網 路(Controller Area Network，CAN)匯排流、或其均等物。 飼服驅動器16經由通訊網路14連接至主控電腦16。 於第1圖中，伺服驅動器16例如但不受限地可經由通訊 網路14串聯地連接至主控電腦12。每個伺服驅動器π用 以連接至一台馬達15 ’如交流伺服馬達。伺服驅動器16 與通訊網路14係形成本創作實施例之一祠服驅動網絡架 構20。 每個伺服驅動器16於其内部設置有一運動控制模組 165(如虛線所繪示），因而具有分散式運動控制的機能。飼 服驅動器16的分散式運動控制機能例如是指其能經由通 訊網路14接收來自主控電腦12的運動命令，從而達到單 軸或多軸馬達的運動控制。於實作中，單軸或多軸馬達的 運動控制，例如是決定於伺服驅動系統1〇中伺服驅動器 16與馬達15的數量，以滿足不同的使用需求。 請參照第2圖，其繪示為第1圖之伺服驅動器之一例 之電路方塊圖。伺服驅動器16包括一通訊埠161 ' —輸出 M414034 . · 輸入埠162、一隔離通訊單元163、一隔離輸出輸入單元 164、一運動控制模組165、一訊號選擇單元166、及一伺 服驅動單元167。由第2圖可知，運動控制模組165係配 置在伺服驅動器16内部，且運動控制模組165與伺服驅 動單元167係共用一個隔離輸出輸入單元164。相較之下， 於傳統的作法中，運動控制模組與伺服驅動器係兩獨立產 品，故兩者之間需要額外使用一組隔離輸出輸入單元，作 為訊號傳遞介面以使訊號相容。故知，於本實施例中，藉 φ 由將運動控制模組165配置在伺服驅動器16内部並使兩 者共用部分的即有電路，能減少訊號隔離元件的使用數 量，從而簡化電路、降低成本。 通訊埠161用以連接至通訊網路14。通訊埠161可 用來使伺服驅動器16接收通訊訊號S1，而從通訊訊號S 中解析出用來控制馬達的運動命令。通訊埠161例如但不 受限地是基於RS-485或CAN的連接埠。 輸出輸入埠162可用來連接至外部電路18。例如， φ 輸出輸入埠162可連接至一自動控制機組的定位開關或極 ' 限開關。當自動控制機組被馬達帶動時，輸出輸入埠162 可從定位開關或極限開關接收到有關機組的機械近接訊 號或定位訊號，如外部訊號S2。此外部訊號S2可讓伺服 驅動器16作為馬達控制的參考基準。 隔離通訊單元163連接至通訊埠161。隔離通訊單元 163例如包含通訊介面及隔離變壓器。通訊介面例如是基 於RS-485、CAN、或其他型式的通訊介面。隔離變壓器則 例如是脈衝變壓器，用以隔離訊號。隔離通訊單元163用 7 M414034 來使通訊訊號S1作適當的訊號轉換。 隔離輸出輸入單元164連接至輸出輸入埠162。隔離 輸出輸入單元164具有一第一組通道(channel)164CHl及 一第二組通道164CH2。於此例中，隔離輸出輸入單元164 的通道例如是指其訊號的輸出路徑、輸入路徑、或傳送路 徑。例如，於本實施例中，第一組通道164CH1為輸入通 道，用以將資料或訊號由隔離輸出輸入單元164輸入至伺 服驅動單元167 ;第二組通道164CH2為輸出通道，用以 將資料或訊號由伺服驅動單元167輸出至隔離輸出輸入單 元164。如第2圖所示，第一組通道164CH1包含三個分 流通道A1、A2、A3。隔離輸出輸入單元164例如包含光 隔離式或光耦合式的晶片或元件，如光電隔離器（photo coupler) ° 運動控制模組165接至隔離通訊單元163，並連接至 第一組通道164CH1的分流通道A1。運動控制模組165與 位在第1圖之主控電腦12或運動控制軸卡13中的控制晶 片（未繪示）形成主從式（master-slave)的架構。換言之，相 較於主式的運動控制軸卡13，伺服驅動器16中的運動控 制模組165例如是一從式控制器。運動控制模組165例如 是一專用的控制晶片，用來從隔離通訊單元163接收轉換 後的通訊訊號，並在參考第一通道164CH1的訊號後，將 通訊訊號S1解碼成對應的控制訊號與運動命令。 訊號選擇單元166連接至運動控制模組165，並可另 連接至第一組通道164CH1的分流通道A2。訊號選擇單元 166經由一控制線166a連接至伺服驅動單元167。訊號選 M414034

a I 擇單元166經由控制線166a接收伺服驅動單元167所發 出一運動控制機能控制訊號，藉以選擇伺服驅動單元167 的輸入訊號來源。換言之’訊號選擇單元166可選擇性地 將運動控制模組165解碼後的訊號、或將第一組通道 164CH1的訊號，傳送至伺服驅動單元167。於實作中，訊 號選擇單元166例如包含一多工器。 4司服驅動早元167連接至訊7虎選擇單元166(如其輸 出端），並可另連接至第一組通道164CH1的分流通道A3。 φ 伺服驅動單元167另直接地與隔離輸出輸入單元164之第 二組通道164CH2相連接。伺服驅動單元167用來驅動一 馬達15。 於第2圖所示之例中，伺服驅動單元167例如但不受 限地包含一數位訊號處理單元167a、一微處理器（micro control chip, MCU)167b、一記憶單元 167c、一脈衝寬度調 變（pulse width modulation，PWM)單元 167d、一功率放大 器167e、一通訊單元167f、一類比訊號處理單元I67g、 φ 及一電力線167h、及兩回授路徑167i及167j。數位訊號 ' 處理單元167a接收數位訊號，並於處理後傳送至微處理 器167b。微處理器167b處理伺服驅動單元167的邏輯與 運算程式。記憶單元167c例如包含一電子抹除式可複寫 唯讀記憶體（Electrical Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM)或其他型式的記憶體，用來儲存伺服驅 動單元167的控制參數及其它資訊。PWM單元167d於微 處理器167b的控制下產生PWM訊號，並輸出至功率放大 器167e。功率放大器167e將PWM訊號轉換成功率訊號。 9 M414034 電力線167h傳遞功率訊號至馬達15。回授路徑⑽ 將馬達15的電流5請或其他電氣訊號回授至類比訊說 理單元167g’以作回授控制。回授路徑167j例如將馬、 =的轉矩、位置、速度、或與其他運轉參數相關的訊 授至數位訊號處理單元167a，以作回授控制。 U ° 請繼續參照第2圖，於此實施例中^服驅動器 可更包括一數位開關單元168。數位開關單元168連接於 伺服驅動單元167與賴控龍組165之間。數位開關: 元168的開啟或關閉，決定了運動控制模组165的致能早 (enable)或除能(disable) ’從而決定了分散式運動控制機萨 的開啟或關閉。數位開關單元i 6 8的開啟或關閉與饲服^ 動早兀167的參數相關’其可經由—人機介面(未繪示)如 刼作面板來輪入或修改。數位開關單元168例如是由電曰 體或其他邏輯電路所實現，然本創作亦不限於此。具有= 常知識者應能從此處之揭露内容，而實現其他開啟或關閉 運動控制模組165的實施態樣。 於-實施例中，假設第-組通道l64cm共有m+n 位兀，其中’分流通道A1與分流通道A2各為N位元， :分流通道位元，其中M、N為正整數。於此實 施例中t運動控制模組165被除能，Μ隔離輸出輸入單 凡164可藉由分流通道Α2與訊號選擇單元166連接，再 ，接至伺服驅動單元167，故伺服驅動單元167可使用分 流通道Α2與A3共位元。再者，若運動控制模組165 被致能，則分流通道Α1會供運動控制模組165使用，而 飼服驅動單元167仍可使用分流通道A3。故知，相較於 傳統使:連接端子來外接運動控制 器的作法，本創作的伺 迫二動益可因使用訊號選擇單元而進—步提升輸出輸入 垾的使用彈性》 叫參照第3圖’其繪示為第2圖之伺服驅動器之運動 二制:莫組被除能時之一例之電路方塊圖。於此例中，數位 口關，7L 168被關閉’運動控制模、组165被除*，而柯服 ，動單το 167的分散式運動控制機能被關，此—狀態如 |線路頭繪示。此時，訊號選擇單幻66選擇分流通道 A2作為輸出，使得伺服驅動單元167經由訊號選擇單元 66電性連接至分流通道A2。再者飼服驅動單元⑹係 直接地連接至分流通道A3。故知，隔離輸出輸人單元⑹ 之兩分流通道A2及A3都能供彳司服驅動單元167使用。 μ參照第4圖’其綠示為第2圖之词服驅動器之運動 控制，組被致能時之—例之電路方塊圖。於此例t，數位 開關，7L 168被開啟’運動控制模组165被致能，而伺服 驅動單兀167的分散式運動控制機能被開啟。此時，訊號 選擇單元166並不會選擇分流通道A2作為輸出，此一狀^ 態如虛線路徑所繪示。另一方面，訊號選擇單元166選擇 使用分流通道A1之運動控制模組165作為輸出。再者， 伺服驅動單元167係直接地連接至分流通道A3。故知， 隔離輸出輸入單元164之分流通道A3仍能供伺服驅動單 元167使用。 由第3圖及第4圖可知，本創作將運動控制模組165 需使用到的輸出輸入端額外地連接至訊號選擇單元166 設置於伺服驅動單元167内部的運動控制模組165， 亚不 M414034 會影響伺服驅動單元167使用分流通道A3。再者，當運 動控制模組165被除能時，其原先所使用的分流通道可因 訊號選擇單元166的選擇而歸還給伺服驅動單元167來使 用，不會有佔用連接埠的問題。故知，本創作的伺服驅動 單元的輸出輸入埠的使用彈性較高。 舉例來說’假設隔離輸出輸入單元164可從第一組通 道164CH1接收12道輸入訊號(M+N=12)，其中，分流通 道A1與分流通道A2用於輸入相同的4道輸入訊號，而分 流通道A3用於輸入另外的8道輸入訊號。當運動控制模 癱 組165開啟時，第一組通道164CH1的4道訊號可經由分 流通道A1供運動控制模組165使用。當運動控制模組165 關閉時，該4道訊號則可經由分流通道A2供伺服驅動單 元167使用。另外，不論運動控制模組165開啟或關閉， 第一組通道164CH1的另8道訊號皆可經由分流通道A3 供伺服驅動單元167使用。 依據本創作實施例所提出的伺服驅動器及飼服驅動 網絡架構，伺服驅動器因其内部設有一運動控制模紐而具-有分散式運動控制的機能，並調整伺服驅動器的電路架/ * 構，使運動控制模組能與既有介面電路相容。如此，具有 分散式運動控制機能的伺服驅動器可使用較少的訊號隔 離元件，從而簡化電路、降低成本。再者，相較於傳統使 用連接端子來外接運動控制器的作法，本創作的伺服驅動 單元的輸出輸入埠的使用彈性較高。 綜上所述，雖然本創作已以一較佳實施例揭露如上， 然其並非用以限定本創作。本創作所屬技術領域中具有通 12 M414034 . · 常知識者，在不脫離本創作之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此，本創作之保護範圍當視後附之申請 專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖繪示依據本創作一實施例之伺服驅動系統的 示意圖。 ， 第2圖繪示為第1圖之伺服驅動器之一例之電路方塊 . 圖。 ® 第3圖繪示為第2圖之伺服驅動器之運動控制模組被 除能時之一例之電路方塊圖。 第4圖繪示為第2圖之伺服驅動器之運動控制模組被 致能時之一例之電路方塊圖。 【主要元件符號說明】 10 :伺服驅動系統 . 12 :主控電腦 ® 13 :運動控制軸卡 14 :通訊網路 15 :馬達 16 :伺服驅動器 18 :外部電路 20 :伺服驅動網絡架構 161 :通訊埠 162 :輸出輸入埠 13 M414034 163 :隔離通訊單元 164:隔離輸出輸入單元 164CH1、164CH2 :通道 165 :運動控制模組 166 :訊號選擇單元 166a :控制線

167 :伺服驅動單元 167a :數位訊號處理單元 167b ： MCU 167c :記憶單元 167d : PWM 單元 167e :功率放大器： 167f :通訊單元 167g :類比訊號處理單元 167h :電力線 167i、167j :回授路徑 168 :數位開關單元

Al、A2、A3 :分流通道 SI、S2 :訊號

Claims (1)

1. M414034 六、申請專利範圍： 1. 一種伺服驅動器，適用於一分散式運動控制系統 (distributed control system)，該伺服驅動器包括： 一通訊埠； 一輸出輸入埠； 一隔離通訊單元，連接至該通訊埠； 一隔離輸出輸入單元，連接至該輸出輸入埠，該隔離 ' 輸出輸入單元具有一第一組通道及一第二組通道，該第一 I 組通道包含一第一分流通道、一第二分流通道、及一第三 分流通道； 一運動控制模組，連接至該隔離通訊單元，並連接至 該第一分流通道； 一訊號選擇單元，連接至該運動控制模組，並連接至 該第二分流通道；以及 一伺服驅動單元，連接至該訊號選擇單元，另連接至 該第一組通道之該第三分流通道，並直接與隔離輸出輸入 φ 單元之該第二組通道相連接。 - 2.如申請專利範圍第1項所述之伺服驅動器，其中， 當該運動控制模組被致能（enable)時，該伺服驅動單元經由 該訊號選擇單元電性連接至該運動控制模組，並進行資訊 傳輸。 3.如申請專利範圍第1項所述之伺服驅動器，其中， 當該運動控制模組被除能時，該伺服驅動單元經由該訊號 選擇單元電性連接至該隔離輸出輸入單元之該第一組通 道，並進行資訊傳輸。 15 M414034 4. 如申請專利範圍第1項所述之伺服驅動器，其中， 該運動控制模組的致能與除能係受控於該伺服驅動單元。 5. 如申請專利範圍第4項所述之伺服驅動器，其中 該伺服驅動器更包括： 一數位開關單元，連接於該伺服驅動單元與該運動控 制模組之間，其中，該運動控制模組的致能與否係經由該 數位開關單元受控於該伺服驅動單元。 6. 如申請專利範圍第1項所述之伺服驅動器，其中， 該運動控制模組為一從式（slave)控制器。 7. 如申請專利範圍第1項所述之伺服驅動器，其中， 該第一組通道為輸入通道，該第二組通道為輸出通道。 8. —種伺服驅動網絡架構，適用於一分散式運動控 制系統（distributed control system)，該伺服驅動網絡架構包 括： 一通訊網路；以及 複數個伺服驅動器，經由該通訊網路連接至一外部主 控電腦，各個伺服驅動器包括： 一通訊埠； 一輸出輸入埠； 一隔離通訊單元，連接至該通訊埠； 一隔離輸出輸入單元，連接至該輸出輸入埠， 該隔離輸出輸入單元具有一第一組通道及一第二組通 道，該第一組通道包含一第一分流通道、一第二分流通 道、及一第三分流通道； 一運動控制模組，連接至該隔離通訊單元，並 M414034 連接至該第一分流通道； 一訊號選擇單元，連接至該運動控制模組，並 連接至該第二分流通道；及 一伺服驅動單元，連接至該訊號選擇單元，另 連接至該第一組通道之該第三分流通道，並直接與隔離輸 出輸入單元之該第二組通道相連接。 9. 如申請專利範圍第8項所述之伺服驅動網絡架 構，其中，於各個伺服驅動器中，當該運動控制模組被致 φ 能（enable)時，該伺服驅動單元經由該訊號選擇單元電性連 接至該運動控制模組，並進行資訊傳輸。 10. 如申請專利範圍第8項所述之伺服驅動網絡架 構，其中，於各個伺服驅動器中，當該運動控制模組被除 能時，該伺服驅動單元經由該訊號選擇單元電性連接至該 隔離輸出輸入單元之該第一組通道，並進行資訊傳輸。 11. 如申請專利範圍第8項所述之伺服驅動網絡架 構，其中，於各個伺服驅動器中，該運動控制模組的致能 • 與除能係受控於該伺服驅動單元。 • 12.如申請專利範圍第11項所述之伺服驅動網絡架 構，其中，各該伺服驅動器更包括： 一數位開關單元，連接於該伺服驅動單元與該運動控 制模組之間，其中，該運動控制模組的致能與否係經由該 數位開關單元受控於該伺服驅動單元。 13.如申請專利範圍第8項所述之伺服驅動網絡架 構，其中，於各個伺服驅動器中，該運動控制模組為一從 式（slave)控制器。 17 M414034 14.如申請專利範圍第8項所述之伺服驅動網絡架 構，其中，該第一組通道為輸入通道，該第二組通道為輸 出通道。