TWI834071B

TWI834071B - 多軸伺服控制系統

Info

Publication number: TWI834071B
Application number: TW110139250A
Authority: TW
Inventors: 陳建達; 蔡易軒; 李佳樺; 黃靖為
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2024-03-01
Also published as: TW202318121A

Abstract

一種多軸伺服控制系統，包含複數馬達與複數驅動控制裝置。複數驅動控制裝置透過一外部通訊總線相互連接。各該驅動控制裝置包含一控制單元與複數驅動單元。複數驅動單元與該控制單元係透過複數本地總線串聯連接，以形成可依序傳輸資料的一串聯通訊迴路。各該驅動單元用以控制該等馬達中的至少一者。該控制單元透過外部通訊總線接收多軸位置命令，該等驅動單元透過本地總線對應地接收多軸命令，以分散式控制該等馬達。

Description

多軸伺服控制系統

本發明係有關一種多軸伺服控制系統，尤指一種位置命令與電流命令分散控制的一種多軸伺服控制系統。

請參見圖1與圖2所示，其係分別為現有多軸伺服控制系統的第一種型式與第二種型式之架構示意圖。如圖1所示，所採用的第一種型式係為單台獨立伺服驅動器控制單軸馬達的轉動，意即一台伺服驅動器控制一台馬達轉動，如圖1所示，即為三台伺服驅動器100A與對應的三台馬達200A搭配使用。在此種型式的應用中，兩兩伺服驅動器100A之間透過通訊總線(field bus)300A連接，如此，每一台伺服驅動器100A可接收上位控制器(或上位機)的控制命令，進而對所對應的馬達200A進行控制。其中，通訊總線可以是EtherCAT、CANOpen、PROFINET…等等，然而不以此為限制。每一台伺服驅動器100A至少包含控制器與電源模組，其中，控制器用以規劃、控制馬達的轉速，電源模組用以提供驅動器的電流輸出。然而，此型式的控制系統，由於每一台馬達200A係由對應的伺服驅動器100A所控制，因此在多軸應用時，同步性受限於通訊總線的通訊週期，所以其同步性較差。

如圖2所示，所採用的第二種型式係為單台獨立伺服驅動器控制多台馬達，如圖2所示，每一台伺服驅動器100A控制三台馬達200A，然而不以三台為限制，只要在伺服驅動器100A可以供應的輸出電流(功率)允許的範圍內，維持馬達200A正常運轉的數量都可被驅動與控制。同樣地，兩兩伺服驅動器100A之間透過通訊總線300A連接，並且透過通訊總線300A接收來自上位控制器的控制命令。然而，由於輸出電流(功率)的限制，因此，馬達200A數量的上限或者馬達200A的額定輸出，在伺服驅動器100A設計好之初，就已經被限制，因此其擴充性與取代性(更換性)較差。

為此，如何設計出一種多軸伺服控制系統，尤指一種位置命令與電流命令分散控制的一種多軸伺服控制系統，解決現有技術所存在的問題與技術瓶頸，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一種多軸伺服控制系統，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的多軸伺服控制系統包含複數馬達與複數驅動控制裝置。複數驅動控制裝置透過一外部通訊總線相互連接。各該驅動控制裝置包含一控制單元與複數驅動單元。複數驅動單元與該控制單元係透過複數本地總線串聯連接，以形成可依序傳輸資料的一串聯通訊迴路。各該驅動單元用以控制該等馬達中的至少一者。該控制單元透過該外部通訊總線接收多軸位置命令，該等驅動單元接透過該本地總線對應地接收多軸命令，以分散式控制該等馬達。

在一實施例中，該本地總線係為一高速的總線；該本地總線係以該控制單元的一輸出端為起始，以串聯方式依序連接該等驅動單元，最後回授至該控制單元的一輸入端為結束，以形成可依序傳輸資料的該串聯通訊迴路。

在一實施例中，各該驅動單元包含一處理器，該控制單元包含一處理器；該串聯通訊迴路係包含該控制單元的該處理器、該控制單元的該輸出端、各該驅動單元的一輸入端、各該驅動單元的該處理器、各該驅動單元的一輸出端、該控制單元的該輸入端以及該控制單元的該處理器。

在一實施例中，該控制單元包含一命令處理器與一命令同步器。該命令同步器連接該命令處理器。

在一實施例中，該控制單元包含一命令產生器、一命令處理器以及一命令同步器。該命令處理器連接該命令產生器。該命令同步器連接該命令處理器。

在一實施例中，該控制單元為一從站控制器，提供一從站操作模式，用以控制同為該驅動控制裝置的該等驅動單元。

在一實施例中，該控制單元為一主站控制器，提供一主站操作模式，用以控制同為該驅動控制裝置的該等驅動單元，以及其他驅動控制裝置的該等驅動單元的該控制單元與該等驅動單元。該驅動單元包含一電流迴路單元。該電流迴路單元接收一電流命令與一電流值，用以比較該電流命令與該電流值，以產生一電流控制信號。

在一實施例中，該驅動單元更包含一命令處理單元與一命令同步單元。該命令處理單元接收該電流命令，且對該電流命令進行處理。該命令同步單元，連接該命令處理單元，接收處理後的該電流命令，且對該電流命令進行同步化，以提供至該電流迴路單元。

在一實施例中，該驅動單元更包含一電流處理單元。該電流處理單元接收取樣後的該電流值，且對該電流值進行處理，以提供至該電流迴路單元。

在一實施例中，該驅動單元更包含一回授處理單元。該回授處理單元接收複數回授命令，且對該等回授命令進行通訊封包處理，以提供至該本地總線的輸出。

藉由所提出的多軸伺服控制系統實現技術功效：1、透過驅動單元對電流(扭力)命令的處理與控制以及控制單元對位置(速度)命令的處理與控制所實現的分散式運算，不僅可大幅地降低控制單元的運算量(由於電流(扭力)命令的處理與控制係透過驅動單元執行)，即可選擇成本較佳、功能相對低階的控制器，亦可提高驅動控制裝置的擴充性與更換性；2、高速本地總線透過以背板的走線方式實現串聯回授的完整的通訊傳輸迴路，可避免資料的失真與衰減；3、經由控制單元的細緻化運算，使命令資料細分化，進而提供至控制每一軸馬達的驅動單元，使驅動單元能夠精細地控制每一軸馬達；4、控制單元可操作為從站模式與主站模式，因此提高控制單元使用的彈性與多樣性。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100:驅動控制裝置

200:馬達

300:通訊總線

400:本地總線

10:控制單元

20:驅動單元

101:命令產生器

102:命令處理器

104:命令同步器

100A:伺服驅動器

200A:馬達

300A:通訊總線

圖1：係為現有多軸伺服控制系統的第一種型式之架構示意圖。

圖2：係為現有多軸伺服控制系統的第二種型式之架構示意圖。

圖3：係為本發明多軸伺服控制系統的架構示意圖。

圖4：係為本發明高速本地總線的設計之示意圖。

圖5：係為本發明控制單元的控制方式之示意圖。

圖6：係為本發明驅動單元的控制方式之示意圖。

圖7：係為本發明控制單元作為從站之示意圖。

圖8：係為本發明控制單元作為主站之示意圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖3所示，其係為本發明多軸伺服控制系統的架構示意圖。所述多軸伺服控制系統包含複數馬達200與複數驅動控制裝置100。複數驅動控制裝置100透過一外部通訊總線(field bus)300相互連接。如圖3所示，係以兩組驅動控制裝置100為例，然本發明不以此為限制。其中，在本發明中，多軸馬達200係應用，然不以此限制於，輸送搬運裝置、上下料(pick and place)裝置、表面黏著技術(SMT)、視覺檢測的定位裝置、點焊和往復測量等等之機械自動化操作、機械手臂作業之領域。

各該驅動控制裝置100包含一控制單元10與複數驅動單元20。複數驅動單元20彼此之間，以及驅動單元20與該控制單元10係透過複數本地總線(local bus)400串聯連接，以形成可依序傳輸資料的一串聯通訊迴路。各該驅動單元20用以控制該等馬達200中的至少一者，然而各該驅動單元20控制馬達200的數量與形態並非以圖3所示的狀況為限制。

該控制單元10透過該外部通訊總線300接收多軸位置命令(或多軸速度命令)，該等驅動單元20透過該本地總線400對應地接收多軸命令，以分散式控制該等馬達200，具體詳述將在後文說明。

如圖3所示，本發明提供一種多軸伺服控制系統(多軸馬達控制的伺服驅動設計)，將傳統多軸馬達控制分散化，由控制單元10、驅動單元(或稱伺服單元、伺服驅動單元)20、本地總線400、馬達200分別獨立組成，並且維持單一外部通訊總線300的連接方式。此控制系統架構的特點為：

1、高速的本地總線400採輸入(input)與輸出(output)連接，容後詳述。

2、控制單元10負責各軸馬達200的位置和速度之同步控制以及各軸運動流程，容後詳述。

3、驅動單元20負責馬達200的電流控制、電流取樣以及位置回授。其中，一個驅動單元20控制一個以上的馬達200；因此，只要透過更換即可提供更大輸出功率的驅動單元20，並可驅動控制更多或更大額定功率的馬達200，且不會影響整機的運轉，因此擴充性與取代性(更換性)較佳。

4、控制單元10可以當成主站(master)與從站(slave)兩種模式，提供命令控制各軸馬達200。當主站時，可透過外部通訊總線300主動地控制其它台伺服驅動器(即驅動控制裝置100)和本身多個伺服驅動所連線的多個馬達200；當從站時則控制本身多個伺服驅動所連線的多個馬達200，被動接收外部總線命令，容後詳述。

請參見圖4所示，其係為本發明高速本地總線的設計示意圖。本發明的高速本地總線400搭配硬體設計(例如，在本實施例係以背板的走線方式實現)，採用串聯回授方式(左方驅動控制裝置100內的本地總線400係為右方驅動控制裝置100內的本地總線400的展開)，以控制單元10為起始站，將資料傳到第一個串接驅動單元20的輸入端in(或稱輸入模組in)。所接收的資料經處理器402處理後，透過輸出端out(或稱輸出模組out)，將資料傳到第二個串接驅動單元20的輸入端in。如此依序到最後一個串接驅動單元20的輸入端in。最後再經由最後一個串接驅動單元20的輸出端out輸出到上一個驅動單元20的另外一個輸入端in，依序返回到控制單元10的另一個輸入端，如此形成一個完整的通訊傳輸迴路。藉此，透過串聯回授方式對資料進行通訊傳輸，可避免資料的失真與衰減。

請參見圖5所示，其係為本發明控制單元的控制方式之示意圖。控制單元10接受到外部通訊總線300傳送的多軸命令資料(即給第一軸的命令、給第二軸的命令…給第N軸的命令)，其中，多軸命令資料係由上位控制器所提供，並且命令資料包含位置、速度、扭力…等。在本實施例中，控制單元10包含命令處理器102與命令同步器104。控制單元10接收到該些多軸命令資料後，透過命令處理器102對多軸命令資料進行處理，包含命令平滑的處理、命令插值的處理…等。然後，再經過命令同步器104對處理後的命令資料進行同步後，透過高速的本地總線400將同步後的命令資料傳送至第一個驅動單元20，並且依序地透過本地總線400對每個驅動單元20的命令資料進行傳送，最終將命令資料傳回至控制單元10。然後，控制單元10處理各軸的狀態資訊，並且將處理後的資訊回傳到通訊總線300。換言之，每一軸馬達200控制的時間排程係由控制單元10所執行。因此，從上位控制器提供的多軸命令資料，經由控制單元10的命令處理器102與命令同步器104的細緻化運算，使秒(second)或毫秒(ms)等級的命令資料細分化為微秒(us)甚至是奈秒(ns)等級的命令，並且提供至控制每一軸馬達200的驅動單元20，使驅動單元20能夠精密(精細)地控制每一軸馬達200。在本實施例中，控制單元10只需要負責處理命令資料，而各軸馬達200的電流控制則由所對應的各個驅動單元20負責，以達到分散式運算功效。

值得一提，控制單元10具有位置命令控制與電流命令控制，其中位置命令相應於速度命令，而電流命令相應於扭力命令。在現有傳統的控制機制，位置(速度)命令控制與電流(扭力)命令控制通常在相同的處理器或控制器處理。然而，在本發明中，對於電流(扭力)命令的處理與控制係透過驅動單元20執行，而位置(速度)命令的處理與控制則透過控制單元10執行。換言之，由於本發明模組化的優勢，因此，對於電流(扭力)命令與位置(速度)命令可分別在不同(即驅動單元20與控制單元10)處理器或控制器執行。藉此，不僅可大幅地降低控制單元10的運算量(由於電流(扭力)命令的處理與控制係透過驅動單元20執行)，即可選擇成本較佳、功能相對低階的控制器，亦可提高驅動控制裝置100的擴充性與更換性。

請參見圖6所示，其係為本發明驅動單元的控制方式之示意圖。在一實施例中，驅動單元20可透過控制晶片(control chip)完成電流環控制。在本發明的驅動單元20係包含電流取樣單元21、電流處理單元22、命令處理單元23、命令同步單元24、電流迴路單元25、脈波寬度調變信號(PWM)單元26以及回授處理單元27。電流取樣單元21接收電流回授信號，並對該電流回授信號進行取樣處理，例如透過Delta-Sigma(△-Σ)的調變方式進行信號取樣。電流處理單元22接收取樣後的電流回授信號，用以對電流回授進行處理。命令處理單元23接收本地總線400輸入的命令資料，用以提供本地的高速命令資料處理。命令同步單元24為命令同步對時機制，對命令資料進行同步化。電流迴路單元25接收命令同步單元24所提供的同步命令資料以及電流處理單元22提供的回授電流資訊，進行電流環控制。PWM單元26根據電流迴路單元25的電流環控制，產生控制的PWM信號輸出，控制馬達200的實際電流。回授處理單元27用以接收編碼器回授(encoder feedback)、末端編碼器回授(end optical ruler feedback)以及壓力(力量)感測器回授(force sensor feedback)進行編碼器的通訊封包處理。

具體地，驅動單元20接收由控制單元10傳過來命令資料，進行馬達200的位置控制迴路、速度控制迴路以及編碼器位置處理。其中，命令資料包含但不限於電流命令、電氣角、速度和通訊延遲補償量等，傳輸與接受具備錯誤偵測與糾正機制。

因為驅動單元20每次中斷會將電流命令、電氣角和通訊延遲補償量傳給其它軸的驅動單元20，因此需要命令同步單元24對時處理模塊，將各軸驅動單元20進行對時機制，確保多軸之間的編碼器取樣、電流回授取樣和PWM生效時間同步。

透過電流回授取樣，將回授資料透過電流處理單元22解碼後，搭配自行設計的同步濾波器(Sync Filter)架構，將電流回授資訊傳回電流環進行控制，電流取樣方法包含但不限於Delta-Sigma(△-Σ)、ADC等。

電流迴路單元25的電流環控制包含PI(微分-積分)控制、d-q軸(直-交軸)電流轉換、SVPWM控制、電壓解耦合以及dead time補償。電流迴路單元25的電流環控制透過SVPWM控制計算出的比較數值，透過PWM單元26實現IGBT的六橋控制。

回授處理單元27接收編碼器回授訊號、末端編碼器訊號和壓力感測器訊號，這些通訊格式都包含ECC(error correcting code)功能。回授處理單元27解完通訊封包後，透過本地總線400通訊將資料傳回至控制單元10，進而進行位置和扭矩的全閉環控制。

在本發明中，控制單元10的操作角色可分別兩種模式：從站(slave)模式與主站(master)模式。請參見圖7所示，其係為本發明控制單元作為從站之示意圖。當控制單元10作為從站角色時，多軸命令資料係透過上位控制器、可程式邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)或者運動控制器所提供。因此，驅動單元20接收該些多軸命令資料，可進一步地對每一軸的馬達200進行驅動與控制。在從站(slave)模式操作下，控制單元10被動地接收上位控制器提供的多軸命令資料，並且透過命令處理器102與命令同步器104細緻化運算命令資料，使得驅動單元20能夠精密(精細)地控制每一軸馬達200。

圖7右方所示的主站裝置(可以是第三方上位主站控制器)。第三方上位主站控制器(master device)規劃各軸的命令，透過通訊總線300傳送給各個從站裝置(slave device)。相關從站資訊也會透過通訊總線300回傳到第三方上位主站控制器。對於從站裝置而言，每一個從站裝置會把多軸命令資訊提供給第三方從站裝置，讓第三方從站裝置可以分別控制從站裝置內的每一軸馬達200。

請參見圖8所示，其係為本發明控制單元作為主站之示意圖。在主站(master)模式下，控制單元10具有主站控制器的功能，意即控制單元10除了可控制本地的驅動單元20之外，亦能夠透過命令產生器101產生命令資訊透過通訊總線300傳送至其他的從站裝置，進而控制其他從站裝置。換言之，當控制單元10本身可以作為主站控制器時，則不需要第三方上位主站控制器，因此，各軸命令資料的規劃、插值，與同步處理都可在控制單元10完成。在一實施例中，透過程序編程，可以提供使用者進行外部軸或內部軸控制的程序編程，並且可透過將編程的程序下載至控制單元10，如此，作為主站模式操作的控制單元10則針對編程的程序進行對外部軸和/或內部軸的馬達200進行控制。

綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：

1、透過驅動單元20對電流(扭力)命令的處理與控制以及控制單元10對位置(速度)命令的處理與控制所實現的分散式運算，不僅可大幅地降低控制單元10的運算量(由於電流(扭力)命令的處理與控制係透過驅動單元20執行)，即可選擇成本較佳、功能相對低階的控制器，亦可提高驅動控制裝置100的擴充性與更換性。

2、高速本地總線透過以背板的走線方式實現串聯回授的完整的通訊傳輸迴路，可避免資料的失真與衰減。

3、經由控制單元10的細緻化運算，使命令資料細分化，進而提供至控制每一軸馬達200的驅動單元20，使驅動單元20能夠精細地控制每一軸馬達200。

4、控制單元10可操作為從站模式與主站模式，因此提高控制單元10使用的彈性與多樣性。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。