專利名稱：基于usb的交流伺服驅動器通信模塊及通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種計算機通信技術領域的裝置及方法，具體是一種基于USB的交流伺服驅動器通信模塊及通信方法。
背景技術：
交流永磁同步電機作為一種結構簡單，運行可靠，效率高的電動機，由于其可以實現高精度、高動態(tài)性能、大范圍的速度和位置控制，在多種工業(yè)領域得到了廣泛的應用。伺服驅動器是交流永磁同步電機驅動與控制裝置，隨著電子技術與電機控制技術的發(fā)展，伺服驅動器在經歷了模擬式、模數混合式的發(fā)展后，目前進人全數字式的時代。全數字伺服不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點，還充分發(fā)揮了數字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活性，使伺服驅動器不僅結構簡單，而且性能更加可靠。隨著全數字伺服驅動器的發(fā)展，進行運動控制的伺服周期越來越短，對于運動控制精度的要求越來越高，采用傳統(tǒng)的信號傳輸方式(模擬信號或數字脈沖信號)組建的伺服系統(tǒng)存在各種不足，由于普通電纜帶寬的限制，脈沖頻率不能太高(一般小于IMHz)，這樣間接限制了伺服系統(tǒng)的指令更新極限，系統(tǒng)性能難以獲得大的提升。基于總線的運動控制與伺服系統(tǒng)成為實現高效高精度運動控制的迫切要求?？偩€型運動控制與伺服系統(tǒng)主要以雙絞線、電纜和光纖作為通信介質，把多個控制儀表連接成網絡系統(tǒng)，按照標準的網絡協(xié)議，實現數據傳輸和信息交換。由于采用數字網絡方式傳輸和標準化的協(xié)議，系統(tǒng)控制的實時性好，節(jié)省了系統(tǒng)的維護費用，數據通信的可
靠性高。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。發(fā)展到目前已經成為了電腦中的標準擴展接口，最多可以連接127個外部設備，并且不會損失帶寬。USB的設計為非對稱式的，它由一個主機控制器和當干通過集線器設備以樹形連接的設備組成。一個控制器下最多可以有5級Jub，包括Hub在內，最多可以連接127個設備，而一臺計算機可以同時有多個控制器。USB具有傳輸速度快(USB1. 1是12Mbps，USB2. 0 是480Mbps，USB3. 0是5(ibpS)，使用方便，支持熱插拔，連接靈活，獨立供電等優(yōu)點?，F有的用于伺服驅動器的總線接口主要缺陷在于多數伺服驅動器沒有提供與上位機相連的總線接口或使用傳輸速率較低的串行接口，使得用戶對于伺服電機運行狀態(tài)的監(jiān)控和伺服系統(tǒng)參數的修改都較為困難或實時性不足；當采用實時性強的工業(yè)現場總線， 多數的工業(yè)現場總線要求控制整個系統(tǒng)的工控機有相應的專門硬件接口，或集成專用的接口板卡才可以通信使用，加大了使用的硬件成本和技術成本，使整個伺服系統(tǒng)復雜化。經過對現有技術的檢索發(fā)現，國外的一些伺服驅動器產品采用了 USB的方式與上位機通信，如安川的Σ V系列，與上位機軟件SigmaWin+配合，用于伺服驅動器安裝試運行和監(jiān)視運動狀態(tài)，但是無法實時的下發(fā)運動指令；中國專利文獻號CN100568130C，名稱為“總線式全數字伺服驅動器”，該文獻公開了一種基于以太網的伺服驅動器，然而尚未有涉及使用基于USB的通信模塊及其通信協(xié)議
4作為全數字伺服驅動器總線通信的內容。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于USB的交流伺服驅動器通信模塊及通信方法，在伺服驅動器集成的USB總線通信功能，可以使用戶的計算機方便的與伺服驅動器相連接，配合通信協(xié)議使得上位機可以實現對伺服驅動器的實時下發(fā)運動指令，在線修改伺服參數，監(jiān)控電機運行狀態(tài)等功能，參數更新時間可達微秒級，在保證了用戶使用的便易性的同時，達到了很好的通信性能。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的本發(fā)明涉及一種基于USB的交流伺服驅動器通信模塊，包括數字信號處理模塊、 USB通信模塊和USB接口模塊，其中數字信號處理模塊與USB通信模塊的數據總線相連接并以并行的方式將上位機與伺服驅動器之間的報文信息傳輸給USB通信模塊，USB通信模塊分別與數字信號處理模塊和USB接口模塊相連接并將上位機與伺服驅動器之間的報文信息封裝為USB標準通信形式或解析成并行數據，USB接口模塊通過USB電纜線連接了上位機與伺服驅動器，并以USB標準通信形式傳輸上位機與伺服驅動器之間的報文信息。所述的數字信號處理模塊包括數字信號處理器單元、芯片電源、時鐘單元、看門狗單元、復位電路單元、JTAG接口單元和存儲單元，其中數字信號處理器單元接收并解析處理上位機通過USB傳輸的指令和電機的反饋信號并形成控制的閉環(huán)，實現伺服驅動器位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)控制算法，芯片電源和時鐘單元分別與數字信號處理器單元相連并提供工作電壓和時鐘信號，看門狗單元和復位電路單元分別與芯片電源和時鐘單元相連并接收工作狀態(tài)信息后輸出至數字信號處理器單元進行工作狀態(tài)判斷，當工作狀態(tài)出現異常則立即產生復位信號使核心芯片復位，JTAG接口單元與數字信號處理器單元的調試管腳相連并實現數字信號處理器單元的在線調試、程序下載和燒寫以及對芯片內部寄存器或存儲空間的存取與監(jiān)控，存儲單元與數字信號處理器單元相連且內設有已編譯的系統(tǒng)程序以實現啟動后自動引導運行并存儲程序運行時的數據信息或寄存器信息。所述的USB通信模塊包括USB通信芯片、USB存儲單元、USB芯片電源和USB時鐘單元，其中USB通信芯片內設有USB協(xié)議以及指令集且該USB通信芯片與數據總線相連，USB存儲單元內設有用于設置的串口引擎和緩沖區(qū)工作方式、設置端點的類型大小、設置標志位所代表的意義、設置每個端點的緩沖區(qū)大小和層數的USB配置程序，USB芯片電源和USB時鐘單元分別與USB通信芯片相連并提供工作電壓和時鐘信號。所述的USB接口模塊包括上位機USB接口，傳輸電纜和伺服驅動器USB接口。本發(fā)明涉及上述模塊的通信方法，包括以下步驟第一步、伺服驅動器連接到電腦時，向電腦提供枚舉所必須的信息，如設備ID等， 待上位機識別USB設備。第二步、上位機根據通信協(xié)議向下端傳輸通信報文，內容主要包括上位機實時監(jiān)控伺服運行狀態(tài)，如使能情況、運行速度等；上位機與伺服驅動器之間上傳、下載、保存伺服參數，如速度環(huán)比例增益等；上位機實時發(fā)送伺服控制命令，改變工作方式、狀態(tài)等；上位機進行對伺服驅動器參數的優(yōu)化、調諧與測試。上位機同時開辟一個新線程，用于實時查詢并接收伺服驅動器的回傳數據
第三步、USB通信模塊解析標準USB形式的通信報文，向數字信號處理模塊發(fā)出中斷請求。第四步、數字信號處理模塊執(zhí)行中斷程序，中斷程序按照通信協(xié)議對通信報文做相應的處理。中斷程序首先判斷接收到的報文報頭的合法性，當它不符合通信協(xié)議，則報錯退
出ο當上位機傳來的報文為伺服參數更新，則把伺服驅動器的伺服參數更新為通信報文中的伺服參數值。當上位機傳來的報文為伺服命令，伺服驅動器會依據通信協(xié)議執(zhí)行相應的命令。當上位機傳來的報文為請求伺服返回參數，則伺服驅動器會判斷要求回傳的參數類型，當為非實時參數，則伺服驅動器會把要求返回的參數連同參數號通過短包回傳。當為實時的電機運行狀態(tài)參數如電機運行速度、位置、轉矩等，則會把要求返回的參數連同參數號通過長包回傳。第五步、USB通信模塊將通信報文封裝成標準USB形式，回傳給上位機。第六步、上位機接收到通信報文后，進行數據校驗判斷是否正確接收，當沒有正確接收，則向伺服驅動器發(fā)送重發(fā)請求；當正確接收，則依據通信協(xié)議處理通信報文的信息。第七步、當上位機在發(fā)送通信報文后，超時未接收到回傳報文，則顯示出錯信息。本發(fā)明通過USB總線的方式實現了上位機與伺服驅動器之間的實時通信，解決了如下技術問題1)使用基于USB的通信模塊及其通信協(xié)議作為全數字伺服驅動器總線通信的內容，利用上位機自身的USB接口，實現了對于伺服電機運行狀態(tài)的監(jiān)控和伺服系統(tǒng)參數的修改等功能。2)提出基于USB的通信模塊的通信方法，保證了通信的實時性，可靠性和傳輸速率。本發(fā)明的有益效果是，可以在上位機不附加額外硬件的條件下，采用USB總線通信形式，通過本發(fā)明所述的通信模塊及其通信協(xié)議實現上位機與伺服驅動器之間的快速實時通信，降低了系統(tǒng)的成本和復雜性，節(jié)省了系統(tǒng)建設和維護的費用，并且達到了很高的通信速率，滿足了系統(tǒng)的實時性要求。通信協(xié)議所涵蓋的多種通信功能滿足用戶對操作伺服驅動器的需求。用戶操作上位機，通過USB總線通信模塊及協(xié)議可以方便的實現對伺服驅動器實時下發(fā)運動指令，在線修改伺服參數，監(jiān)控電機運行狀態(tài)等多種功能。


圖1是系統(tǒng)連接示意圖。圖2是USB通信模塊的結構示意圖。圖3是伺服驅動器端的通信協(xié)議解析流程圖。圖4是通過上位機使用通信模塊的流程簡圖。圖5是上位機使用該實施例監(jiān)控的電機實時轉速曲線。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例如圖1所示，本實施例中涉及的基于USB的交流伺服驅動器通信模塊，包括數字信號處理模塊1、USB通信模塊2和USB接口模塊3，其中數字信號處理模塊1與USB通信模塊2的數據總線相連接并以并行的方式將上位機與伺服驅動器之間的報文信息傳輸給 USB通信模塊2，USB通信模塊2 —端與數字信號處理模塊1相連接，另一端與USB接口模塊 3相連接并將上位機與伺服驅動器之間的報文信息封裝為USB標準通信形式或解析成并行數據，USB接口模塊3包括通過傳輸電纜連接了的上位機USB接口 4與伺服驅動器USB接口 5，并以USB標準通信形式傳輸上位機與伺服驅動器之間的報文信息。如圖2所示，所述的數字信號處理模塊1包括數字信號處理器單元6、芯片電源和時鐘單元7、看門狗單元和復位單元8、JTAG接口單元9、存儲單元10，其中數字信號處理器單元6是32位150MHz主頻的定點數字信號處理器單元TMS320F2812，它接收并解析處理上位機通過USB傳輸的指令和電機的反饋信號，形成控制的閉環(huán)，實現了伺服驅動器位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)三環(huán)控制算法。芯片電源和時鐘單元7為數字信號處理器單元提供 +3. 3V和+1.9V工作電壓和30MHz時鐘信號。看門狗單元和復位單元8接收芯片電源和時鐘單元的信號，通過數字信號處理器單元的看門狗單元功能檢測芯片電源工作是否正常， 如出現異常則立即產生復位信號使核心芯片復位，防止事故發(fā)生。復位按鈕同樣可以通過手動方式對核心芯片進行復位操作。JTAG接口單元9符合IEEEl 149. 1標準，接口與數字信號處理器單元的調試管腳相連，借助上位機和專用的開發(fā)軟件實現數字信號處理器單元的在線調試、程序下載和燒寫，完成對芯片內部寄存器或存儲空間的存取與監(jiān)控。存儲單元 10包括數字信號處理器單元內部的FLASH單元和用來擴展存儲空間的SRAM，實現對程序和數據的存儲，數字信號處理器單元內部的FLASH單元用來配置已編譯的系統(tǒng)程序，在控制板上電后自動引導運行，而SRAM則作為數字信號處理器單元的內存擴展，用來存儲程序運行時的數據信息或寄存器信息。如圖2所示，所述的USB通信模塊2包括:USB通信芯片11、芯片電源和時鐘單元 12、存儲單元13，其中USB通信芯片11是指CY7C68013A，它通過數據總線與數字信號處理器單元6相連，并且使用數字信號處理器單元6的一個外部中斷管腳通過中斷的方式進行通信。USB通信芯片11內部集成了一個8051處理器，一個串行接口引擎、一個USB收發(fā)器、8. 5KB的片上RAM、4KB的FIFO存儲器和一個通用可編程接口。芯片電源和時鐘單元12 的芯片電源與數字信號處理器單元的芯片電源單元共用，時鐘采用獨立的石英晶振器提供 24MHz的時鐘信號。由于USB接口芯片的存儲單元只提供了 8. 5KB的RAM，所以芯片外部擴展了存儲單元13，可以將上位機機上編譯好的程序，通過USB總線下載，燒寫到存儲單元13 里，便于上電運行。所述的USB接口模塊3包括上位機USB接口 4和伺服驅動器USB接口 5，其中 上位機USB接口 4為USB-B型接口。伺服驅動器USB接口 5為USB-A型接口。本實施例通過以下方式進行通信第一步、伺服驅動器連接到電腦時，向電腦提供枚舉所必須的信息，如設備ID等，
7待上位機識別USB設備。第二步、上位機根據通信協(xié)議向下端傳輸通信報文，內容主要包括上位機實時監(jiān)控伺服運行狀態(tài)，如使能情況、運行速度等；上位機與伺服驅動器之間上傳、下載、保存伺服參數，如速度環(huán)比例增益等；上位機實時發(fā)送伺服控制命令，改變工作方式、狀態(tài)等；上位機進行對伺服驅動器參數的優(yōu)化、調諧與測試。上位機同時開辟一個新線程，用于實時查詢并接收伺服驅動器的回傳數據。根據通信協(xié)議，通信報文分為實時性報文與非實時性報文。實時通信報文都為伺服端向上位機端通信，通信報文包括運動狀態(tài)監(jiān)控數據和通信測試數據。實時性報文的通信為長包通信，通信報文大小為195個8字節(jié)數據。非實時性報文包含多種通信數據類型， 為雙向通信，按照通信方向可以分為上位機端發(fā)往伺服端的報文和伺服端發(fā)往上位機端的報文。上位機發(fā)往伺服驅動器的報文有對伺服驅動器的控制指令、對伺服參數的更新等。伺服驅動器發(fā)往上位機的報文有伺服驅動器當前的狀態(tài)信號、伺服參數等。非實時性報文通信為短包通信，通信報文大小為5個8字節(jié)數據。實時性報文與非實時性報文的報文結構包括報文報頭、報文類型、數據及校驗位。第三步、USB通信模塊解析標準USB形式的通信報文，向數字信號處理模塊發(fā)出中斷請求。第四步、數字信號處理模塊執(zhí)行中斷程序，中斷程序按照通信協(xié)議對通信報文做相應的處理。中斷函數中的程序流程圖如圖4所示1)當通信報文到來，觸發(fā)中斷后，數字信號處理器單元會一直接收通信報文，直至全部接收完畢。2)通信報文全部接收完畢會放入數據緩沖區(qū)，然后開始對報文進行解析。3)報文報頭為報文的第一個8位數據，當它不符合通信協(xié)議，則報錯退出中斷。4)隨后會判斷報文的報文類型，報文按功能不同，分為伺服參數更新、伺服命令、 請求伺服返回參數三類a)當上位機傳來的報文為伺服參數更新，則把伺服驅動器的伺服參數更新為通信報文中的伺服參數值。b)當上位機傳來的報文為伺服命令，則判斷是哪種伺服命令，當為連接伺服，則伺服驅動器會回傳一個握手信號表明USB通信系統(tǒng)連接成功；當為伺服使能，則置伺服驅動器的寄存器使能位，使電機進入待運行的狀態(tài)。當為伺服關閉，則清除伺服驅動器的寄存器使能位，伺服驅動器不再對電機輸出電信號。c)當上位機傳來的報文為請求伺服返回參數，則伺服驅動器會判斷要求回傳的參數類型，當為非實時參數，則伺服驅動器會把要求返回的參數連同參數號通過短包回傳。當為實時的電機運行狀態(tài)參數如電機運行速度、位置、轉矩等，則會把要求返回的參數連同參數號通過長包回傳?；貍魍戤吅螅顺鲋袛?。第五步、USB通信模塊將通信報文封裝成標準USB形式，回傳給上位機。第六步、上位機接收到通信報文后，進行數據校驗判斷是否正確接收，當沒有正確接收，則向伺服驅動器發(fā)送重發(fā)請求；當正確接收，則依據通信協(xié)議處理通信報文的信息。第七步、當上位機在發(fā)送通信報文后，超時未接收到回傳報文，則顯示出錯信息。
如圖5所示，以通過USB通信模塊，使電機以一定轉速旋轉為例，結合通信協(xié)議，對上位機的操作流程進行說明，它由以下幾個步驟所構成1)連接伺服驅動器，上位機會發(fā)送一個請求伺服連接的通信報文，伺服驅動器接收到后會返回連接成功的通信報文，上位機接收并解析成功后，說明連接成功，可以正常通2)上位機設置伺服參數，如速度環(huán)比例增益等，發(fā)送伺服參數更新的通信報文，伺服驅動器接收到后會將原有的伺服參數更新為上位機傳下來的伺服參數。3)上位機設置電機轉速，發(fā)送電機轉速更新的通信報文，伺服驅動器接收到后會將指令速度按照上位機傳下來的指令速度更新。4)使能伺服，發(fā)送伺服使能的通信報文，伺服驅動器接收到后，置伺服驅動器的寄存器使能位，電機開始按照指令轉速運行。5)要求回傳運行速度，發(fā)送請求伺服返回參數的通信報文，伺服驅動器接收到后會返回電機運行速度，在上位機可以觀察電機的運行狀態(tài)。6)關閉使能，發(fā)送伺服關閉的通信報文，伺服驅動器接收到后，清除伺服驅動器的寄存器使能位，使電機停止。7)斷開連接，關閉USB芯片的通信功能。
權利要求
1.一種基于USB的交流伺服驅動器通信模塊，其特征在于，包括數字信號處理模塊、 USB通信模塊和USB接口模塊，其中數字信號處理模塊與USB通信模塊的數據總線相連接并以并行的方式將上位機與伺服驅動器之間的報文信息傳輸給USB通信模塊，USB通信模塊分別與數字信號處理模塊和USB接口模塊相連接并將上位機與伺服驅動器之間的報文信息封裝為USB標準通信形式或解析成并行數據，USB接口模塊通過USB電纜線連接了上位機與伺服驅動器，并以USB標準通信形式傳輸上位機與伺服驅動器之間的報文信息。
2.根據權利要求1所述的基于USB的交流伺服驅動器通信模塊，其特征是，所述的數字信號處理模塊包括數字信號處理器單元、芯片電源、時鐘單元、看門狗單元、復位電路單元、JTAG接口單元和存儲單元，其中數字信號處理器單元接收并解析處理上位機通過USB 傳輸的指令和電機的反饋信號并形成控制的閉環(huán)，實現伺服驅動器位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)控制算法，芯片電源和時鐘單元分別與數字信號處理器單元相連并提供工作電壓和時鐘信號，看門狗單元和復位電路單元分別與芯片電源和時鐘單元相連并接收工作狀態(tài)信息后輸出至數字信號處理器單元進行工作狀態(tài)判斷，當工作狀態(tài)出現異常則立即產生復位信號使核心芯片復位，JTAG接口單元與數字信號處理器單元的調試管腳相連并實現數字信號處理器單元的在線調試、程序下載和燒寫以及對芯片內部寄存器或存儲空間的存取與監(jiān)控，存儲單元與數字信號處理器單元相連且內設有已編譯的系統(tǒng)程序以實現啟動后自動引導運行并存儲程序運行時的數據信息或寄存器信息。
3.根據權利要求1所述的基于USB的交流伺服驅動器通信模塊，其特征是，所述的USB 通信模塊包括-.USB通信芯片、USB存儲單元、USB芯片電源和USB時鐘單元，其中:USB通信芯片內設有USB協(xié)議以及指令集且該USB通信芯片與數據總線相連，USB存儲單元內設有用于設置的串口引擎和緩沖區(qū)工作方式、設置端點的類型大小、設置標志位所代表的意義、 設置每個端點的緩沖區(qū)大小和層數的USB配置程序，USB芯片電源和USB時鐘單元分別與 USB通信芯片相連并提供工作電壓和時鐘信號。
4.根據權利要求1所述的基于USB的交流伺服驅動器通信模塊，其特征是，所述的USB 接口模塊包括上位機USB接口，傳輸電纜和伺服驅動器USB接口。
5.一種根據上述任一權利要求所述模塊的通信方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、伺服驅動器連接到電腦時，向電腦提供枚舉所必須的信息；第二步、上位機根據通信協(xié)議向下端傳輸通信報文，上位機進行對伺服驅動器參數的優(yōu)化、調諧與測試，上位機同時開辟一個新線程，用于實時查詢并接收伺服驅動器的回傳數據；第三步、USB通信模塊解析標準USB形式的通信報文，向數字信號處理模塊發(fā)出中斷請求；第四步、數字信號處理模塊執(zhí)行中斷程序，中斷程序按照通信協(xié)議對通信報文做相應的處理；第五步、USB通信模塊將通信報文封裝成標準USB形式，回傳給上位機；第六步、上位機接收到通信報文后，進行數據校驗判斷是否正確接收，當沒有正確接收，則向伺服驅動器發(fā)送重發(fā)請求；當正確接收，則依據通信協(xié)議處理通信報文的信息；第七步、當上位機在發(fā)送通信報文后，超時未接收到回傳報文，則顯示出錯信息。
6.根據權利要求5所述的通信方法，其特征是，所述的通信報文包括上位機實時監(jiān)控伺服運行狀態(tài)、上位機與伺服驅動器之間上傳、下載、保存伺服參數、上位機實時發(fā)送伺服控制命令。
7.根據權利要求5所述的通信方法，其特征是，所述的相應的處理是指中斷程序首先判斷接收到的報文報頭的合法性，當它不符合通信協(xié)議，則報錯退出；當上位機傳來的報文為伺服參數更新，則把伺服驅動器的伺服參數更新為通信報文中的伺服參數值；當上位機傳來的報文為伺服命令，伺服驅動器會依據通信協(xié)議執(zhí)行相應的命令； 當上位機傳來的報文為請求伺服返回參數，則伺服驅動器會判斷要求回傳的參數類型；當為非實時參數，則伺服驅動器會把要求返回的參數連同參數號通過短包回傳； 當為實時的電機運行狀態(tài)參數，則會把要求返回的參數連同參數號通過長包回傳。
全文摘要
一種計算機通信技術領域的基于USB的交流伺服驅動器通信模塊及通信方法，該通信模塊包括數字信號處理模塊、USB通信模塊和USB接口模塊，數字信號處理模塊與USB通信模塊的數據總線相連接，USB通信模塊分別與數字信號處理模塊和USB接口模塊相連接并將上位機與伺服驅動器之間的報文信息封裝為USB標準通信形式或解析成并行數據，USB接口模塊通過USB電纜線連接了上位機與伺服驅動器，并以USB標準通信形式傳輸上位機與伺服驅動器之間的報文信息。本發(fā)明實現在線修改伺服參數，監(jiān)控電機運行狀態(tài)等功能，參數更新時間可達微秒級。
文檔編號G06F13/38GK102214154SQ201110143689
公開日2011年10月12日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權日2011年5月31日
發(fā)明者劉佳, 朱向陽, 熊振華, 盛鑫軍 申請人:上海交通大學