CN105911928A - 一种电机控制器与电机系统、以及使用该电机系统的关节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机控制器与电机系统、以及使用该电机系统的关节，其中，所述电机控制器，包括：FPGA芯片；CPU，所述CPU烧录于所述FPGA芯片；电机控制系统，所述电机控制系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以控制电机；电机信号采集系统，所述电机信号采集系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以接收电机信号。所述电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制领域，特别涉及一种电机控制器与电机系统、以及使用该电机系统的关节。
背景技术
关节是机械臂的基本单元，对机械臂的控制有赖于对关节的控制。通常情况下，关节应当满足如下要求：
(1)关节上需要嵌入具有多种类型接口的控制器，所述接口至少需要多种格式、多种功能，甚至需要定制功能的传感器接口，电机驱动接口和高速的通信总线接口。
但是现有技术中，控制器上接口通常数量、位置和功能都是固定的，如果要满足上述要求，则需要大量的外围电路以实现接口拓展或者功能拓展，还需要使用软件来实现定制功能的接口，还需要大量的软件算法去实现信号处理。
这会导致外围电路成本增加，物料和维护成本增加；CPU损耗过大，信号传输周期长，对关节的控制精度低；对于不同配置的关节，无法实现快速移植，开发成本高。
(2)该控制器的体积要尽可能的小，以便于嵌入到关节中，这有利于减小机械臂的体积，提高其集成度。
但是，现有技术中的外围电路面积过大，导致控制器无法缩小，不能实现高度的机电一体化。
综上所述，现有控制器的接口位置、数量与功能固定。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中控制器的接口位置、数量与功能固定的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种电机控制器，包括：
FPGA芯片；
CPU，所述CPU烧录于所述FPGA芯片；
电机控制系统，所述电机控制系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以控制电机；
电机信号采集系统，所述电机信号采集系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以接收电机信号。
进一步,所述FPGA芯片采用ALTERA EP3C系列芯片。
进一步，所述CPU为NIOS II微处理器。
进一步，电机控制系统包括：
电机驱动模块，所述电机驱动模块连接所述CPU，用于接收所述CPU指令以驱动电机，并采集电机转子位置；
电机制动模块，所述电机制动模块连接所述CPU，用于接收所述CPU指令以制动电机。
进一步，电机驱动模块包括：
PWM发生器，用于发送控制信号以驱动电机；
霍尔信号采集器，用于采集电机转子位置。
进一步，电机信号采集系统包括：
力矩传感器接收模块，所述力矩传感器接收模块连接所述CPU，用于将力矩信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令；
位置接收模块，所述位置接收模块连接所述CPU，用于将位置信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令；
电流采集模块，所述电流采集模块连接所述CPU，用于将电流信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令。
进一步，位置接收模块包括：
光电编码器接收模块，用于接收电机的绝对位置信息；
磁编码器接收模块，用于接收电机的相对位置信息。
进一步，还包括：
上层通讯模块，所述上层通讯模块通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，所述上层通讯模块连接所述CPU，用于传输上层控制器指令信息给所述CPU，并接收所述CPU反馈的信息。
进一步,所述FPGA芯片上还设置有On Chip RAM、PIO与JTAG。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本技术方案的电机控制器采用FPGA芯片，可以采用编程的方法来实现功能模块，并构建相应的对外接口。理论上讲，只要芯片的管脚和内部的逻辑资源足够，就可以根据需要进行编程以实现所需的功能模块和对外的接口。这克服了现有技术中控制器的接口数量、位置、功能固定的问题；本技术方案的电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
进一步，功能模块可以通过硬件编程语言实现，且所述硬件语言编程可实现对信号的硬件处理，其处理方式为并行方式，速度快。
本发明还提供一种电机系统，包括：
上述的电机控制器；
电机，所述电机与所述电机控制系统和电机信号采集系统连接。
进一步，还包括：
三相逆变电路，电机通过三相逆变电路与PWM发生器连接，所述PWM发生器通过控制三相逆变电路控制电机的驱动。
进一步，还包括：
减速器，所述减速器与电机连接；
抱闸，所述抱闸与减速器和电机制动模块连接。
进一步，还包括：
磁编码器，所述磁编码器与电机和磁编码器接收模块连接。
进一步，还包括：
力矩传感器，所述力矩传感器与力矩传感器接收模块连接，并通过减速器与电机连接。
进一步，还包括：
绝对位置传感器，所述绝对位置传感器通过减速器与电机连接，以采集电机的绝对位置信息；
光电编码器，所述光电编码器与绝对位置传感器和光电编码器接收模块连接，所述光电编码器对绝对位置信息进行编码，并将编码后的绝对位置信息发送至光电编码器接收模块。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本技术方案的电机系统包括电机控制器，所述电机控制器采用FPGA芯片，可以采用编程的方法来实现功能模块，并构建相应的对外接口。理论上讲，只要芯片的管脚和内部的逻辑资源足够，就可以根据需要进行编程以实现所需的功能模块和对外的接口。这克服了现有技术中控制器的接口数量、位置、功能固定的问题；本技术方案的电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
本发明还提供一种关节，包括：一个以上的上述的电机系统。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
本技术方案的关节包括电机系统，所述电机系统包括电机控制器，所述电机控制器采用FPGA芯片，可以采用编程的方法来实现功能模块，并构建相应的对外接口。理论上讲，只要芯片的管脚和内部的逻辑资源足够，就可以根据需要进行编程以实现所需的功能模块和对外的接口。这克服了现有技术中控制器的接口数量、位置、功能固定的问题；本技术方案的电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
附图说明
图1为本发明第一实施例中电机控制器的示意图；
图2为本发明第二实施例中电机系统的示意图。
(注意：附图中的所示结构只是为了说明本发明特征的示意，并非是要依据附图所示结构。)
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
第一实施例
本实施例提供了一种电机控制器。
参考图1，本实施例的电机控制器包括FPGA芯片，CPU，电机控制系统和电机信号采集系统。
所述FPGA芯片可以采用编程的方法来实现功能模块，并构建相应的对外接口。理论上讲，只要芯片的管脚和内部的逻辑资源足够，就可以根据需要进行编程以实现所需的功能模块和对外的接口。
在本实施例中，编程的方法可以为硬件编程语言，如VHDL语言。功能模块采用硬件编程语言实现，可实现对信号的硬件处理，其处理方式为并行方式，速度快。
在本实施例中，所述FPGA芯片采用ALTERA EP3C系列芯片。
所述CPU通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，在本实施例中，所述CPU为NIOS II微处理器。
所述电机控制系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以控制电机。
参考图1，在本实施例中，所述电机控制系统包括电机驱动模块和电机制动模块。
所述电机驱动模块连接所述CPU，用于接收所述CPU指令以驱动电机，并采集电机转子位置。
在本实施例中，电机驱动模块包括PWM发生器和霍尔信号采集器。
所述PWM发生器用于发送控制信号以驱动电机；所述霍尔信号采集器用于采集电机转子位置。
所述电机制动模块连接所述CPU，用于接收所述CPU指令以制动电机。
所述电机信号采集系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以接收电机信号。
在本实施例中，电机信号采集系统包括：力矩传感器接收模块、位置接收模块和电流采集模块。
所述力矩传感器接收模块连接所述CPU，用于将力矩信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令。
所述位置接收模块连接所述CPU，用于将位置信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令。
在本实施例中，位置接收模块包括光电编码器接收模块和磁编码器接收模块。
所述光电编码器接收模块用于接收电机的绝对位置信息；所述磁编码器接收模块，用于接收电机的相对位置信息。
所述电流采集模块连接所述CPU，用于将电流信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令。
在本实施例中，所述电机控制器还包括上层通讯模块，所述上层通讯模块通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，所述上层通讯模块连接所述CPU，用于传输上层控制器指令信息给所述CPU，并接收所述CPU反馈的信息。
在本实施例中，所述FPGA芯片上还设置有On Chip RAM、PIO与JTAG。
本实施例的电机控制器克服了现有技术中控制器的接口数量、位置、功能固定的问题；电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
第二实施例
本实施例提供了一种电机系统。
参考图2，本实施例的电机系统包括：电机和第一实施例所述的电机控制器。所述电机与所述控制器的电机控制系统和电机信号采集系统连接。
所述的电机控制器采用FPGA芯片，可以采用编程的方法来实现功能模块，并构建相应的对外接口。理论上讲，只要芯片的管脚和内部的逻辑资源足够，就可以根据需要进行编程以实现所需的功能模块和对外的接口。
参考图2，本实施例中，所述的电机系统还包括：三相逆变电路。
所述电机通过三相逆变电路与PWM发生器连接，所述PWM发生器通过控制三相逆变电路控制电机的驱动。
当关节需要运动时，所述CPU发出驱动指令给所述PWM发生器，所述PWM发生器控制三相逆变电路使电机驱动，从而实现关节的运动。所述PWM发生器将电机驱动信息反馈给所述CPU。
本实施例中，还包括：减速器和抱闸。
所述减速器与电机连接。
所述抱闸与减速器和电机制动模块连接。
当关节需要制动时，所述CPU发出制动指令给所述电机制动模块，所述电机制动模块将制动指令传送至所述抱闸和减速器，通过抱闸和减速器实现电机的制动。
本实施例中，还包括磁编码器。
所述磁编码器与电机和磁编码器接收模块连接。
本实施例中，还包括力矩传感器。
所述力矩传感器与力矩传感器接收模块连接，并通过减速器与电机连接。
本实施例中，还包括绝对位置传感器与光电编码器。
所述绝对位置传感器通过减速器与电机连接，以采集电机的绝对位置信息。
所述光电编码器与绝对位置传感器和光电编码器接收模块连接，所述光电编码器对绝对位置传感器采集的绝对位置信息进行编码，并将编码后的绝对位置信息发送至光电编码器接收模块。
本技术方案的电机系统包括电机控制器，克服了现有技术中控制器的接口数量、位置、功能固定的问题；本技术方案的电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
第三实施例
本实施例提供了一种包含一个以上的第二实施例中所述的电机系统的关节，所述关节内设有所述电机系统。
所述关节包括电机系统，所述电机系统包括所述电机控制器，所述电机控制器采用FPGA芯片，可以采用编程的方法来实现功能模块，并构建相应的对外接口。理论上讲，只要芯片的管脚和内部的逻辑资源足够，就可以根据需要进行编程以实现所需的功能模块和对外的接口。这克服了现有技术中控制器的接口数量、位置、功能固定的问题；本技术方案的电机控制器功能模块可根据需要进行编程实现；接口的扩展和缩减成本低；物理管脚可任意配置，接口位置灵活性高，便于布线；能够将大量的外部电路内置，减少板卡面积，从而实现高度的机电一体化。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种电机控制器，其特征在于，包括：
FPGA芯片；
CPU，所述CPU烧录于所述FPGA芯片；
电机控制系统，所述电机控制系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以控制电机；
电机信号采集系统，所述电机信号采集系统通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，且与CPU连接以接收电机信号。
2.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于,所述FPGA芯片采用ALTERA EP3C系列芯片。
3.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述CPU为NIOS II微处理器。
4.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，电机控制系统包括：
电机驱动模块，所述电机驱动模块连接所述CPU，用于接收所述CPU指令以驱动电机，并采集电机转子位置；
电机制动模块，所述电机制动模块连接所述CPU，用于接收所述CPU指令以制动电机。
5.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于，电机驱动模块包括：
PWM发生器，用于发送控制信号以驱动电机；
霍尔信号采集器，用于采集电机转子位置。
6.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，电机信号采集系统包括：
力矩传感器接收模块，所述力矩传感器接收模块连接所述CPU，用于将力矩信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令；
位置接收模块，所述位置接收模块连接所述CPU，用于将位置信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令；
电流采集模块，所述电流采集模块连接所述CPU，用于将电流信息传输给所述CPU，并接收所述CPU发布的指令。
7.根据权利要求6所述的电机控制器，其特征在于，位置接收模块包括：
光电编码器接收模块，用于接收电机的绝对位置信息；
磁编码器接收模块，用于接收电机的相对位置信息。
8.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，还包括：
上层通讯模块，所述上层通讯模块通过硬件编程语言实现，并烧录于所述FPGA芯片，所述上层通讯模块连接所述CPU，用于传输上层控制器指令信息给所述CPU，并接收所述CPU反馈的信息。
9.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于,所述FPGA芯片上还设置有On Chip RAM、PIO与JTAG。
10.一种电机系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-9任一所述的电机控制器；
电机，所述电机与所述电机控制系统和电机信号采集系统连接。
11.根据权利要求10所述的电机系统，其特征在于，还包括：
三相逆变电路，电机通过三相逆变电路与PWM发生器连接，所述PWM发生器通过控制三相逆变电路控制电机的驱动。
12.根据权利要求10所述的电机系统，其特征在于，还包括：
减速器，所述减速器与电机连接；
抱闸，所述抱闸与减速器和电机制动模块连接。
13.根据权利要求10所述的电机系统，其特征在于，还包括：
磁编码器，所述磁编码器与电机和磁编码器接收模块连接。
14.根据权利要求12所述的电机系统，其特征在于，还包括：
力矩传感器，所述力矩传感器与力矩传感器接收模块连接，并通过减速器与电机连接。
15.根据权利要求12所述的电机系统，其特征在于，还包括：
绝对位置传感器，所述绝对位置传感器通过减速器与电机连接，以采集电机的绝对位置信息；
光电编码器，所述光电编码器与绝对位置传感器和光电编码器接收模块连接，所述光电编码器对绝对位置信息进行编码，并将编码后的绝对位置信息发送至光电编码器接收模块。
16.一种关节，其特征在于，包括：
一个以上的权利要求10-15任一所述的电机系统。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160831 |