CN104391477A - 一种驱控一体的网络化智能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种驱控一体的网络化智能控制器，包括微处理器模块、现场可编程门阵列模块、功率电路以及接口模块，微处理器模块用于进行指令解析、运算和控制，现场可编程门阵列模块用于处理与电机相关的信息并生成PWM信号，功率电路用于根据PWM信号驱动多个电机。本发明提供的驱控一体的控制器，能够同时驱动并控制多个电机，方便了对多轴设备的控制，实现了设备的集成化，节约资源，节省成本，提高效率；能够同时驱动并控制多个电机，也实现多个轴的协同控制；实现不同种类的被控设备的互联及协同控制，灵活的工作模式适应未来智能化制造的要求；开放了控制函数和控制协议，用户能够针对自己的特定设备进行二次开发，便于使用与维护。

Description

一种驱控一体的网络化智能控制器

技术领域

本发明涉及工业控制系统，特别地涉及一种驱控一体的网络化智能控制器。

背景技术

电机伺服系统广泛应用于数控加工、工业机器人、航空航天等领域，而且往往在同一应用场合中，如以工业机器人为例，都需要控制系统和驱动系统同时控制和驱动多个电机，一般为3至6台电机。

在传统的应用中每个电机需要一个驱动器，几个驱动器靠一个控制器控制，这种方案会造成大量的硬件重复和浪费，会占用较大的面积，也会增加成本。

同时目前工业机器人的控制系统大多数为封闭系统，约束了用户的使用，难于进行二次开发，不利于用户对问题进行诊断和维护，造成用户花费大量的人力和财力成本。

经检索发现，中国专利授权公开号为CN 102411353 B，名称为“驱动一体化控制器和控制系统”的专利中给出一种驱控一体化控制器的设计方法，但是该控制器是包括工业控制计算机、运动控制器、驱动器及可编程逻辑控制器的系统，控制器结构与本方法不同，集成度与本方法相比也较低。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种驱控一体控制器，能够控制多个电机，避免造成大量的硬件重复和浪费，占用较小的面积，降低成本；不仅实现多个轴的协同控制，还实现了多个不同种类的被控设备的互联及协同控制。

另外本发明提供的驱控一体控制器，开放了控制函数和控制协议，方便用户的二次开发、使用及维护。

本发明提供一种驱控一体的控制器，包括微处理器模块、现场可编程门阵列模块、功率电路以及接口模块，微处理器模块用于进行指令解析、运算和控制，现场可编程门阵列模块用于处理与电机相关的信息并生成PWM信号，功率电路用于根据PWM信号驱动多个电机，微处理器模块、现场可编程门阵列模块与功率电路依次连接，微处理器模块、现场可编程门阵列模块与功率电路通过接口模块与多个电机连接。

本发明提供的驱控一体的控制器，功率电路用于根据PWM信号能够驱动多个电机，从而避免了大量的硬件重复和浪费，占用较小的面积并降低了成本；同时由于本发明提供的驱控一体控制器能够控制多个电机，从而可以实现多个电机之间的协同控制。

本发明提供的驱控一体的控制器，能够同时驱动并控制多个电机，方便了对多轴设备，如工业机器人的控制，实现了设备的集成化，节约资源，节省成本，提高效率；

进一步地，微处理器模块与功率电路连接，功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值能够通过微处理器模块配置。

本发明提供的驱控一体的控制器，能够通过微处理器模块配置功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值，便于用户根据实际控制需要进行配置。

进一步地，现场可编程门阵列模块包括编码器解析模块、电流信号接收模块、PWM信号生成模块，编码器解析模块、PWM信号生成模块的数目根据多个电机的数目而定。

本发明提供的驱控一体的控制器，现场可编程门阵列模块包括与电机的数目相同的编码器解析模块与PWM信号生成模块，每一组编码器解析模块与PWM信号生成模块用于控制一个电机。

进一步地，驱控一体的控制器在主动模式下，微处理器模块能够独立进行指令解析、运算和控制。

本发明提供的驱控一体的控制器，分为两种工作模式，即主动模式(Active Mode)和被动模式(Passive Mode)。

主动模式的驱控一体的控制器，能够独立分析并编译指令，然后进行运算，继而向现场可编程门阵列模块，接口模块发送相应信号。

进一步地，驱控一体的控制器在被动模式下，接口模块包括网络接口，网络接口用于接收指令，微处理器模块根据指令进行指令解析、运算和控制。

本发明提供的驱控一体的控制器，分为两种工作模式下，即主动模式和被动模式。

被动模式的驱控一体的控制器，通过网络接口接收指令，进行运算，继而向现场可编程门阵列模块，接口模块发送相应信号。

进一步地，指令来自于通过网络连接的主动模式的驱控一体的控制器，或者来自于通过网络连接的人机接口。

被动模式的驱控一体的控制器，接收的指令可以来自通过网络连接的主动模式的驱控一体的控制器，也可以来自通过网络连接的人机接口。

两种模式的主要区别在于：在主动模式下，驱控一体的控制器中处理器模块需要一个实时内核，独立进行指令解析、运算和控制等。在被动模式下，驱控一体的控制器只需要采用轮询或中断的方式获取指令，顺序执行即可。

采用被动模式的驱控一体的控制器与主动模式的驱控一体的控制器，可以进一步增加能够协同控制的电机的数目。

进一步地，接口模块还包括RS485接口、RS232接口或与RS485、RS232等价的串行总线接口。

本发明提供的驱控一体的控制器，通过RS485接口、RS232接口或与RS485、RS232等价的串行总线接口与多个不同种类的被控设备的连接，并结合来自接口模块的外部信号进行指令解析、运算和控制，从而实现与多个不同种类的被控设备的互联及协同控制。

进一步地，接口模块包括网络接口，驱控一体的控制器能够通过网络接口，下载调用开放的驱控一体的控制器提供的函数为特定设备编写的用户程序。

本发明提供的驱控一体的控制器，对最终用户开放了一系列能够直接调用的控制函数，用户可以在自己的特定设备上按照预定的语法编写用户程序，并调用驱控一体的控制器提供的控制函数，实现所期望的控制功能。编写完成后，可以通过网络接口下载到驱控一体的控制器中，由驱控一体的控制器执行。

进一步地，驱控一体的控制器能够通过开放的控制协议，用于控制电机与其他被控设备并向人机接口反馈自身的状态信息。

符合控制协议的控制指令通过网络传输，控制指令来自通过网络连接的主动模式的驱控一体的控制器，也可以来自通过网络连接的人机接口，例如工业计算机。

进一步地，控制协议包括电机位置设定指令、电机速度设定指令、功率电路的上电指令、被控制设备的回零位指令、PID参数调节指令以及IO状态指令。

与现有技术相比，本发明提供的驱控一体的控制器具有以下有益效果：

(1)能够同时驱动并控制多个电机，方便了对多轴设备，如工业机器人的控制，实现了设备的集成化，节约资源，节省成本，提高效率；

(2)能够同时驱动并控制多个电机，也实现多个轴的协同控制；

(3)能够通过微处理器模块配置功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值，便于用户根据实际控制需要进行配置；

(4)实现不同种类的被控设备的互联及协同控制，灵活的工作模式适应未来智能化制造的要求；

(5)开放了控制函数和控制协议，用户能够针对自己的特定设备进行二次开发，便于使用与维护。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的驱控一体的控制器的结构框图；

图2是使用图1所示的驱控一体的控制器对电机进行控制的框图；

图3是使用图1所示的驱控一体的控制器对工业机器人进行控制的框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的驱控一体的控制器，包括微处理器模块、现场可编程门阵列模块、功率电路以及接口模块，微处理器模块用于进行指令解析、运算和控制，现场可编程门阵列模块用于处理与电机相关的信息并生成PWM信号，功率电路用于根据PWM信号驱动多个电机，微处理器模块、现场可编程门阵列模块与功率电路依次连接，微处理器模块、现场可编程门阵列模块与功率电路通过接口模块与多个电机连接。

本实施例的驱控一体的控制器，功率电路用于根据PWM信号能够驱动多个电机，从而避免了大量的硬件重复和浪费，占用较小的面积并降低了成本；同时由于本发明提供的驱控一体控制器能够控制多个电机，从而可以实现多个电机之间的协同控制。

微处理器模块与功率电路连接，功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值能够通过微处理器模块配置。

本实施例的驱控一体的控制器，能够通过微处理器模块配置功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值，便于用户根据实际控制需要进行配置。

微处理器模块用于进行指令解析、运算和控制，微处理器模块通过数据总线，地址总线以及包括读写信号片选信号在内的时序信号与现场可编程门阵列模块相连。

微处理器模块中使用的为德州仪器(TI)的DSP芯片TMS320F28x。该DSP芯片通过最大32位数据总线、最大20位地址总线、读写信号等与FPGA、以太网芯片以及SRAM连接。

微处理器模块的配置可通过电路板上的配置接口如JTAG进行，也可以通过其他特定微处理器所支持的配置模式如远程模式进行。

本实施例的驱控一体的控制器的现场可编程门阵列模块(FPGA)主要负责与电机进行交互，包括对编码器信号进行译码的编码器解析模块、与电流采样数模转换器(ADC)交互的电流信号接收模块与PWM信号生成模块。

编码器解析模块、PWM信号生成模块的数目根据多个电机的数目而定，本实施例的驱控一体的控制器，现场可编程门阵列模块包括与电机的数目相同的编码器解析模块与PWM信号生成模块，每一组编码器解析模块与PWM信号生成模块用于驱动与控制一个电机。

编码器解析模块可以根据电机编码器的绝对编码器信号或相对编码器信号计算出当前电机转轴位置，并存储在FPGA内。编码器解析模块接收来自RS485收发器的编码器信号，对于绝对编码器根据相应的传输协议可以解析出电机实时位置，同样对于相对编码器采用译码模块也可以得到电机实时位置。

电流信号接收模块接收来自功率电路ADC的电流信号，本实施例中ADC与FPGA间通过SPI总线连接。

FPGA的配置可以采用专用配置芯片、JTAG口进行，也可以通过微控制器对其进行配置。

现场可编程门阵列模块采用Altera公司的Cyclone系列FPGA。

FPGA还包括报警处理模块，报警处理模块用于处理来自功率电路的各种报警信号。

在功率电路中，电流传感器可获取与每个电机两相电流值相应的模拟信号，然后经由ADC转换为数字信号，FPGA中的电流信号接收模块获取相应的电流值。

PWM信号生成模块根据计算结果及空间矢量PWM算法，产生电机PWM控制信号。

功率电路是采用模块化设计的组合式多轴交流驱动器，其可以驱动的电机数目以及电机电流额定值是可以配置的，配置信息通过总线如I2C与微控制器模块交互，该电路主要包括整流和逆变两个部分，整流部分将输入的交流电变换为直流电，可以将输入的220V交流电滤波整流为310V左右；逆变部分主要采用国际整流器(IR)公司的智能功率模块(IPM)实现，能承受的最大母线电压为600V。

功率电路还包括电流采样电路、ADC电路、抱闸电路、I2C识别模块以及报警电路，电流采样电路采用采样电阻和光电耦合放大电路，采样电阻可将电流信息转换为电压输出，经光耦放大后可输入ADC转换电路，从而将模拟电压信号转换为数字信号。

IPM模块的数目、最大电流、采样电阻的阻值以及ADC的数目，可以根据需要驱动的轴数和电流要求进行组合。

抱闸电路用来控制电机抱闸。

I2C识别模块可以用来与DSP交换功率电路配置信息。

本实施例的驱控一体的控制器，分为两种工作模式，即主动模式和被动模式。

本实施例的驱控一体的控制器，在主动模式下，微处理器模块包括实时内核，微处理器模块能够独立进行指令解析、运算和控制。

主动模式的驱控一体的控制器，能够独立解析并编译指令，然后进行运算，继而向现场可编程门阵列模块，接口模块发送相应信号。本实施例中DSP采用TI提供的SYSBIOS作为实时内核。

本实施例的驱控一体的控制器，在被动模式下，接口模块包括以太网接口，以太网接口用于接收指令，微处理器模块根据指令进行指令解析、运算和控制。

被动模式的驱控一体的控制器，通过以太网接口接收指令，进行运算，继而向现场可编程门阵列模块，接口模块发送相应信号。通过中断或者轮询的方式不断地通过以太网接收指令，然后解析执行。

也可以采用其他网络接口接收指令，例如无线网络接口。

本实施例的驱控一体的控制器，指令来自于通过以太网连接的主动模式的驱控一体的控制器，或者来自于通过以太网连接的人机接口。

被动模式的驱控一体的控制器，接收的指令可以来自通过以太网连接的主动模式的驱控一体的控制器，也可以来自通过以太网连接的人机接口。

两种模式的主要区别在于：在主动模式下，驱控一体的控制器中处理器模块独立进行指令解析、运算和控制等。在被动模式下，驱控一体的控制器只需要采用轮询或中断的方式获取指令，顺序执行即可。

采用被动模式的驱控一体的控制器与主动模式的驱控一体的控制器，可以进一步增加能够协同控制的电机的数目。

本实施例的驱控一体的控制器，接口模块还包括RS485接口、RS232接口或与RS485、RS232等价的串行总线接口。

接口模块包括以太网接口、RS232以及RS485接口。

以太网接口可以实现高速实时的与外部数据进行交互，与其他控制器、网络摄像头、计算机等网络设备实现连接；

RS232适合点对点短距离通讯；

RS485可用于长距离多点通讯；

通过以太网、RS485等也可实现大部分现场总线如Modbus的通讯。

本实施例的驱控一体的控制器，通过RS485接口、RS232接口或与RS485、RS232等价的串行总线接口，能够与多个不同种类的被控设备的连接，并结合来自接口模块的外部信号进行指令解析、运算和控制，从而实现与多个不同种类的被控设备的互联及协同控制。

本实施例中，接口模块包括以太网芯片、RS485收发器、RS232收发器、编码器输入以及普通IO等，其中以太网芯片使用WIZnet自带TCP/IP协议的W53x系列以太网芯片；RS485收发器可采用兼容ANSI TIA/EIA-485-A标准的芯片，如MAX485；RS232收发器可采用兼容ANSI TIA/EIA-232-F标准的芯片如MAX3232；编码器输入可以等价为RS485输入，编码器信号经输入电路调理后输入至FPGA中；普通IO采用光电隔离电路。

DSP芯片具有3个SCI接口，其中两个用作RS232和RS485接口，分别与RS485收发器、RS232收发器连接。

本实施例的驱控一体的控制器，接口模块包括以太网接口，驱控一体的控制器能够通过以太网接口，下载用户程序，该用户程序调用开放的驱控一体的控制器提供的控制函数，是为特定设备编写的实现用户特定控制目的控制程序。

本实施例的驱控一体的控制器，对最终用户开放了一系列能够直接调用的控制函数，用户可以在自己的特定设备上按照预定的语法编写用户程序，并调用驱控一体的控制器提供的控制函数，实现所期望的控制功能。编写完成后，可以通过以太网接口下载到驱控一体的控制器中，由驱控一体的控制器执行。

本实施例的驱控一体的控制器，驱控一体的控制器能够通过开放的控制协议，用于控制电机与其他被控设备并向人机接口反馈自身的状态信息。

符合控制协议的控制指令通过以太网传输，控制指令来自通过以太网连接的主动模式的驱控一体的控制器，也可以来自通过以太网连接的人机接口，例如工业计算机。

控制协议包括电机位置设定指令或速度设定指令。

控制协议还包括功率电路的上电指令、被控制设备的回零位指令、PID参数调节指令以及IO状态指令。

本实施例的驱控一体的控制器，还包括存储模块，存储模块主要使用存储芯片如SRAM等实现数据的存储，可以存放用户程序、配置参数、运行记录以及诊断信息等。

本实施例中，存储模块采用512K 16位的SRAM。

本实施例的驱控一体的控制器，还包括辅助电路，辅助电路主要包括供电电路、时钟电路以及状态指示电路等。

供电电路可以将外部输入的24V电压转换为各个芯片所需的工作电压和电流；时钟电路为特定芯片提供基准时钟；状态指示电路使用LED灯指示驱控一体的控制器的工作状态。本实施例中，DSP有两个GPIO口用于连接外部LED指示灯，指示其工作状态。

本实施例中，DSP有I2C接口用于与功率电路部分连接。

本实施例中，微处理器模块可以通过现场可编程门阵列模块连接接口模块上具有特定功能的IO接口，特定功能的IO接口包括连接至用于指示工作状态的LED指示灯的控制信号、控制功率电路通断的信号的接口等。

图2是使用图1所示的本实施例的驱控一体的控制器对电机1和电机2进行控制的框图。

一般伺服电机都具有编码器线，UVW动力线，有的还带有抱闸线。电机1和电机2的编码器分别通过编码器线，将位置信号输入至驱控一体的控制器的接口模块，接口模块对信号进行调理后分别发送至FPGA的两个编码器解析模块，两个编码器解析模块分别对编码器信号进行译码，可以获得电机1和电机2当前位置。同时电机的电流通过功率电路上的采样电路及ADC转换也可以输入到FPGA中(未在图2中标出)，获得当前电流值，微处理器和FPGA便可以根据这些输入值与期望的理想值作比较，利用PID等控制算法对电机进行控制，控制信号输出为PWM信号，PWM信号作用在IPM上后，便可对电机1和电机2进行控制。同时FPGA还负责处理抱闸信号。

图2中为控制两个电机的情况，也可以根据实际需要控制多个电机。

图3是使用图1所示的驱控一体的控制器对工业机器人进行控制的框图，需要控制一个六轴工业机器人，另有一个附加轴，一共七个伺服轴，此外现场还有工业计算机、PLC、外部传感器、示教盒以及网络摄像头等设备。

采用2个驱控一体的控制器进行控制，其中一个为主动模式的驱控一体的控制器，可以控制1号到4号四个电机，另一个为被动模式的驱控一体的控制器，可以控制5号到7号三个电机。

1号到4号四个电机的动力线与编码器信号线连接到主动模式的驱控一体的控制器，5号到7号三个电机的动力线与编码器信号线连接到被动模式的驱控一体的控制器。

各控制器、工业计算机与网络摄像头通过以太网连接到同一局域网中。

PLC连接到主动模式的驱控一体的控制器接口模块的RS485接口上；外部传感器连接到主动模式的驱控一体的控制器接口模块的IO接口上；示教盒连接到主动模式的驱控一体的控制器接口模块的RS232接口上。

当使用示教盒控制机器人时，用户按下相应按键后，示教盒会按照预定的协议通过RS232总线发送相应的指令到主动模式的驱控一体的控制器接口模块上，主动控制器经编译解析后，控制1号至4号电机的运动，同时主动模式的驱控一体的控制器接口模块也会发送指令到被动模式的驱控一体的控制器，继而控制5号到7号电机的运动。

通常，用户首先在工业计算机上根据开放的控制协议，按照预定的语法调用提供的控制函数编写相应程序，然后通过以太网下载至主动模式的驱控一体的控制器的存储设备上，主动模式的驱控一体的控制器解析用户编写的程序，结合外部传感器信号、PLC信号等自动运行用户程序控制电机及其它被控设备，并将相应的指令通过以太网传送至被动模式的驱控一体的控制器，控制相应的电机及其它被控设备。

本实施例中其它设备也可以连接到被动模式的驱控一体的控制器。

也可以将两个驱控一体的控制器均设定为被动模式，此时工业计算机可以根据开放的协议，通过以太网以设定的频率如1KHZ，向两个被动模式的驱控一体的控制器发送指令，包括位置设定点指令(Position Setpoint Commands)，PID参数调节指令，普通IO状态指令等，这样便可实现对该机器人系统的完全控制。

本发明提供的驱控一体的控制器，能够同时驱动并控制多个电机，方便了对多轴设备，如工业机器人的控制，实现了设备的集成化，节约资源，节省成本，提高效率；能够同时驱动并控制多个电机，也实现多个轴的协同控制；能够通过微处理器模块配置功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值，便于用户根据实际控制需要进行配置；实现不同种类的被控设备的互联及协同控制，灵活的工作模式适应未来智能化制造的要求；开放了控制函数和控制协议，用户能够针对自己的特定设备进行二次开发，便于使用与维护。

上述说明中未作详细说明部分为本专业领域内公开的知识和技术。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种驱控一体的控制器，其特征在于，包括微处理器模块、现场可编程门阵列模块、功率电路以及接口模块，所述微处理器模块用于进行指令解析、运算和控制，所述现场可编程门阵列模块用于处理与电机相关的信息并生成PWM信号，所述功率电路用于根据PWM信号驱动多个电机，所述微处理器模块、所述现场可编程门阵列模块与所述功率电路依次连接，所述微处理器模块、所述现场可编程门阵列模块与所述功率电路通过所述接口模块与所述多个电机连接。

2.如权利要求1所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述微处理器模块与所述功率电路连接，所述功率电路驱动电机的数目以及输出电流额定值能够通过所述微处理器模块配置。

3.如权利要求1所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述的现场可编程门阵列模块包括编码器解析模块、电流信号接收模块、PWM信号生成模块，所述编码器解析模块、所述PWM信号生成模块的数目根据所述多个电机的数目而定。

4.如权利要求1所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述驱控一体的控制器在主动模式下，所述微处理器模块独立进行指令解析、运算和控制。

5.如权利要求1所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述驱控一体的控制器在被动模式下，所述接口模块包括网络接口，所述网络接口用于接收指令，所述微处理器模块根据所述指令进行指令解析、运算和控制。

6.如权利要求5所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述指令来自于通过网络连接的主动模式的驱控一体的控制器，或者来自于通过网络连接的人机接口。

7.如权利要求1所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述接口模块还包括RS485接口、RS232接口或与RS485、RS232等价的串行总线接口。

8.如权利要求1所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述接口模块包括网络接口，所述驱控一体的控制器能够通过所述网络接口，下载调用开放的驱控一体的控制器提供的函数为特定设备编写的用户程序。

9.如权利要求8所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述驱控一体的控制器能够通过开放的控制协议，用于控制电机与其他被控设备并向人机接口反馈自身的状态信息。

10.如权利要求9所述的驱控一体的控制器，其特征在于，所述控制协议包括电机位置设定指令、电机速度设定指令、所述功率电路的上电指令、被控制设备的回零位指令、PID参数调节指令以及IO状态指令。