CN201869158U - 兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，包括功率单元、显示单元和控制单元，功率单元和显示单元分别与控制单元连接；控制单元包括处理模块、总线接口模块和位置反馈接口模块，处理模块包括相连接的DSP和FPGA，DSP还分别与功率单元和显示单元连接，FPGA的输入端分别与总线接口模块和位置反馈接口模块连接，FPGA通过位置反馈接口模块分别外接增量式编码器或绝对式编码器。本交流伺服驱动器具备两个位置反馈接口，且每个接口兼容所有增量式编码器和支持三种主流协议的所有绝对式编码器或光栅尺等反馈元件；也支持三种总线协议，通过参数配置可选择其中一种，不需要更换控制板，适用性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及交流伺服驱动器领域，特别涉及一种兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器。
背景技术
目前市场上的交流伺服驱动单元一般标配增量式编码器，其线数由1024至5000线不等，控制较简单，只需要对其输出的脉冲进行计数和辨别方向即可，根据脉冲数来确定电机的位置，以电机的Z脉冲为参考点，每次上电需要重新找Z脉冲作为“0”参考点；而配置绝对式编码器的使用相对较少，一般在17bit至19bit，可以直接读取电机的绝对位置，不需要找参考点，其“0”位置是固定不变的。然而，这也存在较多的问题：(1)增量式编码器需要更多连接线和硬件接口处理，例如多摩川的2500线的增量式编码器需要的硬件连接线是14根，而同品牌的17bit的绝对式编码器的硬件连线则只需要4根；(2)增量式编码器报警或者掉电之后，驱动器需要重新对电机进行初始定位之后才能正常运行，而绝对式编码器即使掉电也能实时记忆当前位置，驱动器只需要读取当前编码器的位置不需要对电机进行初始化定位；(3)增量式编码器定位精度低，速度波动率大。目前也有少数标配绝对式编码器的伺服产品，具有比增量式编码器更高的分辨率，可以对驱动器的定位精度和速度环响应都有相应的改善，可以满足高精度、快响应的应用场合要求，但是它的价格较增量式编码器要高得多，因此，对驱动器市场来说，增量式编码器更具有价格竞争力。目前市场上的各种交流伺服驱动器的编码器接口只适用于增量式光电编码器，或者绝对式编码器，更无法实现对增量式编码器和绝对式编码器的兼容。
另外，目前国内常用的伺服驱动单元，其控制指令来源往往是模拟电压或脉冲的方式，存在速度低、抗干扰能力差等缺点，能支持总线协议的伺服驱动单元更是凤毛麟角，往往一个厂家使用一种通信总线，更无法实现多种总线协议的兼容，因为往往不同的通信总线其协议也不一样；而国外一些伺服厂家所产的伺服驱动单元可以使用多种通信总线，但在改变通信总线时需要相应的更换控制主板以匹配不同的需求，这就使得伺服驱动单元使用较不方便，其使用成本也高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，该交流伺服驱动器可兼容增量式编码器和绝对式编码器，也实现了在不更换控制板的情况下支持三种总线协议，其实用性好。
本实用新型的技术方案为：一种兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，包括功率单元、显示单元和控制单元，功率单元和显示单元分别与控制单元连接；所述控制单元包括处理模块、总线接口模块和位置反馈接口模块，处理模块包括相连接的DSP和FPGA，DSP还分别与功率单元和显示单元连接，FPGA的输入端分别与总线接口模块和位置反馈接口模块连接，FPGA通过位置反馈接口模块分别外接增量式编码器或绝对式编码器。
所述位置反馈接口模块包括增量式编码器接口、绝对式编码器接口、差分接收检测电路和差分接口芯片，增量式编码器接口通过差分接收检测电路与FPGA连接，绝对式编码器接口通过差分接口芯片与FPGA连接，增量式编码器接口外接增量式编码器，绝对式编码器接口外接绝对式编码器。
所述控制单元通过物理层和应用层实现三种总线协议的选择，物理层为总线接口模块中各硬件组成的硬件电路，包括至少一组依次连接的网卡接口、网络变压器和以太网物理层芯片，以太网物理层芯片与FPGA连接，应用层为设于DSP内的软件。
所述功率单元包括交-直-交功率主电路、集成驱动电路和SVPWM脉宽调制集成电路，集成驱动电路与交-直-交功率主电路连接，DSP通过SVPWM脉宽调制集成电路与交-直-交功率主电路连接，交-直-交功率主电路的输出端外接电机。
所述交-直-交功率主电路的输出端还设有电流检测模块，并通过电流检测模块与DSP连接，通过电流检测模块实时监测交-直-交功率主电路的输出电流，保证电机的正常工作。
所述显示单元包括LED显示模块和数据存储模块，LED显示模块和数据存储模块分别与DSP连接。
所述LED显示模块采用LED显示屏幕。
本兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器使用时，控制单元为交流伺服驱动器的核心部分，其中，DSP完成键盘扫描、显示、通信、电流环/速度环/位置环的控制，FPGA的任务是处理位置反馈接口模块得到的的信号，并接收总线接口模块中的三种总线协议；功率单元中集成驱动电路驱动交流伺服驱动器启动，通过SVPWM脉宽调制集成电路对DSP的输出信号进行脉宽调制，然后将得到的PWM信号通过接口电路传送给交-直-交功率主电路，交-直-交功率主电路对交流电源提供的交流电进行转换变压，最后输出并驱动电机工作。
本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
本交流伺服驱动器具备两个位置反馈接口，且每个接口兼容所有增量式编码器和支持三种主流协议的所有绝对式编码器或光栅尺等反馈元件；本交流伺服驱动器也支持三种总线协议，通过参数配置可选择其中一种，不需要更换控制板，适用性好。
本交流伺服驱动器实现了一个伺服单元同时兼容多种位置反馈并支持多种总线协议，克服了现有驱动器只能标配一种形式的编码器和支持一种总线协议的缺点，其使用方便，成本也较低。
附图说明
图1为本交流伺服驱动器的原理示意图。
图2为本交流伺服驱动器的控制单元中位置反馈接口模块的结构示意图。
图3为绝对式编码器的物理层链接图。
图4为本交流伺服驱动器的控制单元中物理层的硬件结构示意图。
图5为本交流伺服驱动器中采用微处理器直接对FPGA配置时的原理示意图。
图6为本交流伺服驱动器中采用多配置芯片配置时的原理示意图。
图7为本交流伺服驱动器中采用单配置芯片内分段选择配置时的原理示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，如图1所示，包括功率单元、显示单元和控制单元，功率单元和显示单元分别与控制单元连接；控制单元包括处理模块、总线接口模块和位置反馈接口模块，处理模块包括相连接的DSP和FPGA，DSP还分别与功率单元和显示单元连接，FPGA的输入端分别与总线接口模块和位置反馈接口模块连接，FPGA通过位置反馈接口模块分别外接增量式编码器或绝对式编码器。本实施例中，位置反馈接口模块的硬件接口设有第一位置反馈接口和第二位置反馈接口，第一位置反馈接口用于连接增量式编码器或绝对式编码器，第二位置反馈模块用于连接主编码器或光栅尺等其它位置反馈元件。
如图2所示，位置反馈接口模块包括增量式编码器接口、绝对式编码器接口、差分接收检测电路和差分接口芯片，增量式编码器接口通过差分接收检测电路与FPGA连接，绝对式编码器接口通过差分接口芯片与FPGA连接，增量式编码器接口外接增量式编码器，绝对式编码器接口外接绝对式编码器。
控制单元通过物理层和应用层实现三种总线协议的选择，物理层为总线接口模块中各硬件组成的硬件电路，如图4所示，物理层包括至少一组依次连接的网卡接口、网络变压器和以太网物理层芯片，以太网物理层芯片与FPGA连接，应用层为设于DSP内的软件。
如图1所示，功率单元包括交-直-交功率主电路、集成驱动电路和SVPWM脉宽调制集成电路，集成驱动电路与交-直-交功率主电路连接，DSP通过SVPWM脉宽调制集成电路与交-直-交功率主电路连接，交-直-交功率主电路的输出端外接电机。其中，集成驱动电路由DC/DC转换模块与电源连接实现，SVPWM脉宽调制集成电路包括PWM脉宽调制模块和接口电路模块，PWM脉宽调制模块用于调制来自DSP的控制信号的脉宽并输出PWM信号，通过接口电路模块将PWM信号送至交-直-交功率主电路。
交-直-交功率主电路的输出端还设有电流检测模块，并通过电流检测模块与DSP连接，通过电流检测模块实时监测交-直-交功率主电路的输出电流，保证电机的正常工作。
如图1所示，显示单元包括LED显示模块和数据存储模块，LED显示模块和数据存储模块分别与DSP连接。其中，LED显示模块采用LED显示屏幕。
本兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器使用时，控制单元为交流伺服驱动器的核心部分，其中，DSP完成键盘扫描、显示、通信、电流环/速度环/位置环的控制，FPGA的任务是处理位置反馈接口模块得到的的信号，并接收总线接口模块中的三种总线协议；功率单元中集成驱动电路驱动交流伺服驱动器启动，通过SVPWM脉宽调制集成电路对DSP的输出信号进行脉宽调制，然后将得到的PWM信号通过接口电路传送给交-直-交功率主电路，交-直-交功率主电路对交流电源提供的交流电进行转换变压，最后输出并驱动电机工作。
上述工作原理中，两种位置反馈的实现具体如下：位置反馈接口模块的两个位置反馈接口均为兼容多种编码器接口，既可适用增量式编码器，也适用于绝对式编码器、光栅尺等。伺服驱动器通过参数配置，同时只能选择一种位置反馈元件。如图2所示，当位置反馈接口模块外接增量式编码器时，经过增量式编码器接口和差分信号检测电路，滤除差分信号中的高频干扰信号，然后对信号进行调理整形处理，转换为内部逻辑电平信号输入到FPGA中，进行计数和辨向；当位置反馈接口模块外接绝对式编码器时，信号采集电路采用点对点连接，RS485差分接口芯片可支持BISS、ENDAT2.2、NRG等三种通讯协议，且具有相同的物理链路层(其物理链路层的链接如图3所示)，这三种协议的通讯模块均是基于FPGA设计，三种协议集成在同一现场可编程门阵列FPGA芯片中，通过参数配置可选择其中的一种通信协议，进行位置信息传递或其他传感信息的交互。其中，三种协议为：①BISS协议：由德国IC-Haus公司提出的BiSS(Bidirectional Synchronous Serial)协议是一种新型的可自由使用的开放式双向同步串行通信协议，使用该协议通信波特率最高可以达到10Mbps，达到RS485接口总线的波特率上限，BiSS协议包括读数模式(sensor mode)和寄存器模式(register mode)两部分的内容，主要应用于丹纳赫公司绝对值编码器信号采集传输；②ENDAT2.2协议：由海德汉公司提出的EnDat数据接口是用于编码器的双向数字接口，可以传输绝对式编码器的位置值也可以传输增量式编码器的位置值，还能传输或更新保存在编码器中的信息或保存新信息，由于采用串行数据传输方式，它只需要四条信号线，是基于RS-485电气标准的传输速度最快的纯数字位置编码器接口，双向EnDat2.2接口的时钟频率现已提高到16MHz，能满足直接驱动这类高动态性能要求的应用，主要应用于海德汉公司绝对值编码器信号采集传输；③NRG协议：由多摩川公司提出的NRG协议，采用半双工的通讯模式，最高时钟频率5MHz，基于RS-485电气标准的传输速度最快的纯数字位置编码器接口，其协议包括读数模式和寄存器模式两部分的内容。
三种总线协议的实现具体如下：3种总线协议均采用工业以太网为物理媒介作为现场总线接口，可支持EtherCAT、NCUC-Bus、GSK-Link等3种高速现场总线协议；所支持的3种高速现场总线协议的物理层完全相同，可以采用统一的硬件电路，即采用超五类以太网线，物理层采用标准以太网接口芯片，不同的链路层协议可以在同一个FPGA芯片中实现，应用层协议在DSP中通过软件实现，通过参数配置选择3种总线标准中的一种。高速现场总线网络硬件平台包括由以太网物理层(PHY)芯片(10M/100Mbps)、网卡脉冲变压器(100Mbps)以及网卡(RJ45)接口构成物理层(如图4所示)；由FPGA方案实现的链路层控制器以及可选的存储链路层配置数据的存储器构成数据链路层；由DSP以软件的方式实现软件应用层协议。该过程中，三种工业总线协议IP核需要配置到FPGA中，才能实现其协议的功能，每次运行只有一个协议起作用，因此，需要对使用何种协议进行有效的控制；将IP内核配置到FPGA中有多种配置方式：uP(微处理器，如ARM或DSP等CPU)配置，多配置芯片选择配置，单配置芯片内分段选择配置，FPGA内部选择等，各配置方式具体如下：
(1)微处理器uP直接对FPGA配置，由程序设置决定给FPGA配置哪一种IP内核(如图5所示)，这种方式也可以将三种内核集成在一起进行配置，由软件决定使用哪种内核。
(2)多配置芯片配置，三种IP核有三个配置芯片，根据需要具体对哪个芯片进行连通进行配置，选择方式是由FPGA或uP信号决定选择哪个芯片(如图6所示)。
(3)单配置芯片内分段选择配置，基本配置芯片可由FPGA或是uP发出(如图7所示)，这种方式也可以将三种内核集成在一起进行配置，由软件决定使用哪种内核。
上述三种配置方式中，FPGA内部选择使用哪种总线协议。无论是用uP进行配置，还是由配置芯片配置，都可将三种内核配置到FPGA之中，在FPGA内部进行选择使用哪种协议，这种选择可由uP控制，也可由FPGA内部控制实现。
本实施例中，三种总线协议具体为：①EtherCAT总线标准由德国Beckhoff公司提出，是一项开放的技术标准，任何人应用、开发、销售EtherCAT技术的产品都无需授权；②NCUC-Bus是由中国数控系统总线技术联盟共同开发的高速现场总线标准，主站、从站链路层协议及应用层协议的知识产权归中国数控系统总线技术联盟共有，链路层、应用层的实现及驱动程序由各联盟成员自主开发，其知识产权归各各联盟成员独有，NCUC-Bus是我国数控系统行业的第一项通用总线标准，为高档数控系统、高速高精伺服装置的开发提供自主知识产权的关键技术，实现国内各个数控企业的产品互联互通，促进数控系统行业技术的交流与合作；③GSK-Link是广州数控自主开发的工业以太网总线标准，链路层协议与EtherCAT、NCUC-Bus相比功能较为简单，协议简练，占用的FPGA资源大大减少，主站、从站采用相同的链路层协议，应用层协议借鉴SERCOS-II，精简了一些数控系统较少使用的命令。
如上所述，便可较好地实现本实用新型，上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围；即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (7)
1.兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，包括功率单元、显示单元和控制单元，功率单元和显示单元分别与控制单元连接；所述控制单元包括处理模块、总线接口模块和位置反馈接口模块，处理模块包括相连接的DSP和FPGA，DSP还分别与功率单元和显示单元连接，FPGA的输入端分别与总线接口模块和位置反馈接口模块连接，FPGA通过位置反馈接口模块分别外接增量式编码器或绝对式编码器。
2.根据权利要求1所述的兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，所述位置反馈接口模块包括增量式编码器接口、绝对式编码器接口、差分接收检测电路和差分接口芯片，增量式编码器接口通过差分接收检测电路与FPGA连接，绝对式编码器接口通过差分接口芯片与FPGA连接，增量式编码器接口外接增量式编码器，绝对式编码器接口外接绝对式编码器。
3.根据权利要求1所述的兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，所述控制单元通过物理层和应用层实现三种总线协议的选择，物理层为总线接口模块中各硬件组成的硬件电路，包括至少一组依次连接的网卡接口、网络变压器和以太网物理层芯片，以太网物理层芯片与FPGA连接，应用层为设于DSP内的软件。
4.根据权利要求1所述的兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，所述功率单元包括交-直-交功率主电路、集成驱动电路和SVPWM脉宽调制集成电路，集成驱动电路与交-直-交功率主电路连接，DSP通过SVPWM脉宽调制集成电路与交-直-交功率主电路连接，交-直-交功率主电路的输出端外接电机。
5.根据权利要求4所述的兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，所述交-直-交功率主电路的输出端还设有电流检测模块，并通过电流检测模块与DSP连接。
6.根据权利要求1所述的兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，所述显示单元包括LED显示模块和数据存储模块，LED显示模块和数据存储模块分别与DSP连接。
7.根据权利要求6所述的兼容多种位置反馈并支持多种总线协议的交流伺服驱动器，其特征在于，所述LED显示模块采用LED显示屏幕。
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