專利名稱：多軸同步伺服驅動系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種伺服驅動系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng)技術領域。
背景技術：
伺服驅動系統(tǒng)是一個數字化離散閉環(huán)控制驅動系統(tǒng)，其基本組成是上位控制器、伺服驅動器和伺服電機?，F有伺服驅動器的基本構成如

圖1所示，包括 FPGA (Field-Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)單元，DSP(數字信號處理器 Digital Signal Processing，簡稱DSP))單元，電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)控制環(huán)路單元和輔助電路，DSP內含PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)定時器，PWM定時器內含三個基本單元-周期寄存器、比較寄存器、計數寄存器，其中周期寄存器、比較寄存器是帶影子寄存器的。具體使用中，伺服驅動器需要間隔一段時間采集上位控制指令，同時采集伺服電機的傳感器反饋的即時電流、即時速度、即時位置等狀態(tài)信息，采用既定的控制算法， 對伺服驅動器的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)進行閉環(huán)調節(jié)控制，這個調節(jié)控制的間隔時間就是控制周期。電流環(huán)控制周期一般根據功率模塊的開關頻率和DSP主頻等參數確定；而速度環(huán)、位置環(huán)的控制周期相同，一般是電流環(huán)控制周期的整數倍，即執(zhí)行整數倍的電流環(huán)控制周期(執(zhí)行的電流環(huán)控制周期個數也叫電流環(huán)執(zhí)行次數值)后執(zhí)行一次速度環(huán)、位置環(huán)控制周期。現有多軸伺服驅動系統(tǒng)含有多個軸伺服驅動器，一般認為多軸伺服驅動系統(tǒng)共同接收上位控制器的指令就可以實現多軸伺服驅動器之間的同步，但實際執(zhí)行時每個軸伺服驅動器卻存在不同步。造成不同步的因素有一、每個軸伺服驅動器上電并使能起始時間點是隨機的，因此各軸伺服驅動器控制環(huán)的控制周期存在起始誤差；二、每個軸伺服驅動器的時鐘基礎易受晶振精度、環(huán)境溫度等影響，即使采用很高精度的時鐘晶體，各軸伺服驅動器控制環(huán)的控制周期的實際長度并不完全一致，即各軸伺服驅動器控制環(huán)的控制周期長度的存在誤差。經示波器觀測(如圖2所示)，各軸伺服驅動器控制環(huán)的控制周期因誤差形成的相對滑動，控制周期起始點呈現從低到高再從高到低的重復過程；從圖2中可以分析出，各軸伺服驅動器控制環(huán)的控制周期之間的最大誤差達到半個控制周期。上述多軸伺服驅動系統(tǒng)存在的誤差將一定程度地影響到多軸伺服驅動系統(tǒng)進行加工時的精度。經檢索發(fā)現公開號CN101038491A的中國專利公開了一種《與高速串行通訊配合的自我同步的交流伺服系統(tǒng)》，該系統(tǒng)存在的問題是1)該系統(tǒng)基于高速串行通訊，脫離集中控制方式，因此無法提升現有主流的集中多軸系統(tǒng)性能；2)由于將并行多路脈沖指令變成了高速串行數據，對上級主機操作系統(tǒng)提出很高的要求，必須使用實時操作系統(tǒng)，否則不能保證發(fā)送串行數據的實時性；同時對下層各軸伺服驅動器也提出了很高的要求，每個軸伺服驅動器需要增加高速、高性能和高成本的器件，并且最終的執(zhí)行效果仍低于傳統(tǒng)的集中控制方式；3)該系統(tǒng)的主軸伺服驅動器發(fā)送的同步信號必須是高速持續(xù)的，其它從軸伺服驅動器每時每刻都依靠同步信號來執(zhí)行每一步，一步錯步步錯，增加了該系統(tǒng)的使用風險。綜合成本、可靠性、運行效果等多方面來分析，目前CN101038491A的中國專利系統(tǒng)相比集中控制方式而言性價比較低。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是，提出一種能夠有效減少各軸伺服驅動器控制環(huán)控制周期之間的誤差，從而實現各軸伺服驅動器同步的多軸伺服驅動系統(tǒng)。本實用新型為解決上述技術問題提出的技術方案是一種多軸伺服驅動系統(tǒng)，包括上位控制器、二個以上的伺服驅動器和伺服電機，所述伺服驅動器內含FPGA單元、DSP單元、電流環(huán)控制環(huán)路單元、速度環(huán)控制環(huán)路單元、位置環(huán)控制環(huán)路單元和輔助電路；所述伺服驅動器的輸入端連接上位控制器，其輸出端連接伺服電機；所述伺服驅動器含有同步中斷處理模塊且彼此連接有同步通訊總線；所述伺服驅動器之一是將其同步中斷處理模塊設置為定時向同步通訊總線發(fā)送同步信號的主伺服驅動器，其余伺服驅動器是將其同步中斷處理模塊設置為從同步通訊總線接收同步信號并根據同步信號產生中斷、修改電流環(huán)控制周期長度設定值和將速度環(huán)內的電流環(huán)執(zhí)行次數值清零的從伺服驅動器。本實用新型多軸伺服驅動系統(tǒng)的使用過程是1)選定任一伺服驅動器作為，其余伺服驅動器作為從伺服驅動器，將主伺服驅動器的同步中斷處理模塊設置為定時向同步通訊總線發(fā)送同步信號，將從伺服驅動器的同步中斷處理模塊設置為從同步通訊總線接收送同步信號；幻上電初始化，各伺服驅動器按其原始電流環(huán)控制周期長度設定值產生電流環(huán)控制周期長度；3)主伺服驅動器按設定時間間隔發(fā)出同步信號到同步通訊總線，從伺服驅動器通過同步通訊總線接受同步信號并產生同步中斷；4)在從伺服驅動器產生的第一次同步中斷中，同步中斷處理模塊讀取電流環(huán)計時長度值，將原始電流環(huán)控制周期長度設定值加上電流環(huán)計時長度值后形成的新電流環(huán)控制周期長度設定值設為中斷后的第二個電流環(huán)控制周期長度設定值，并按新電流環(huán)控制周期長度設定值產生中斷后的第二個電流環(huán)控制周期長度，同時，同步中斷處理模塊將速度環(huán)內的電流環(huán)執(zhí)行次數值清零，將中斷后的第三個及以后的電流環(huán)控制周期長度設定值重新恢復為原始電流環(huán)控制周期長度設定值，并按原始電流環(huán)控制周期長度設定值產生中斷后的第三個及以后的電流環(huán)控制周期長度；5)在從伺服驅動器產生的第二次同步中斷及后續(xù)同步中斷中，同步中斷處理模塊只將中斷后的第二個電流環(huán)控制周期長度設定值修改為新電流環(huán)控制周期長度設定值，當電流環(huán)計時長度值> 1/2原始電流環(huán)控制周期長度設定值時，新電流環(huán)控制周期長度設定值= 2X上一次電流環(huán)控制周期長度設定值-電流環(huán)計時長度值，當電流環(huán)計時長度值< 1/2原始電流環(huán)控制周期長度設定值時，新電流環(huán)控制周期長度設定值=上一次電流環(huán)控制周期長度設定值+電流環(huán)計時長度值，將中斷后的第三個及以后的電流環(huán)控制周期長度設定值重新恢復為原始電流環(huán)控制周期長度設定值，并按原始電流環(huán)控制周期長度設定值產生中斷后的第三個及以后的電流環(huán)控制周期長度；6)如果從伺服驅動器在設定時間間隔內未收到同步信號，則跳轉至步驟3)重新開始同步調節(jié)，否則重復步驟5)。本實用新型的多軸伺服驅動系統(tǒng)的有益效果是由于通過設定的主伺服驅動器發(fā)出同步信號并經同步通訊總線被其他從伺服驅動器接收，再通過設置的同步中斷處理模塊對從伺服驅動器的定時器的周期寄存器和比較寄存器內的電流環(huán)控制周期長度設定值和電流環(huán)執(zhí)行次數值進行動態(tài)修改，從而可以使各伺服驅動器的各控制環(huán)的控制周期的起始點在產生同步中斷后不斷重新對齊；因此相比現有多軸伺服驅動系統(tǒng)的電流環(huán)控制周期長度設定值均是不變的固定值，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使各伺服驅動器的各控制環(huán)的控制周期之間的誤差在同步中斷間隔內得以大大縮小，而且即使出現偶爾的同步信號丟失對整個系統(tǒng)的影響細微，從而大大增強各伺服驅動器之間的同步性，進而保證多軸伺服驅動系統(tǒng)進行加工時的精度。上述技術方案的完善是所述電流環(huán)控制周期長度設定值儲存于伺服驅動器的定時器的周期寄存器內，所述電流環(huán)執(zhí)行次數計數值儲存于伺服驅動器的隨機存儲器內。上述技術方案的進一步完善是所述同步信號是指由主驅動器的FPGA單元按照設定參數定時發(fā)送的邊沿觸發(fā)信號。以下結合附圖對本實用新型的作進一步說明。圖1是現有伺服驅動器的結構示意圖。圖2是現有多軸伺服驅動系統(tǒng)未進行同步處理時的控制環(huán)控制周期的波形分析圖。圖3是本發(fā)明實施例多軸伺服驅動系統(tǒng)的架構圖。圖4是本發(fā)明實施例多軸伺服驅動系統(tǒng)在第一次同步中斷時的控制環(huán)控制周期的波形分析圖。圖5是本發(fā)明實施例多軸伺服驅動系統(tǒng)在第二次同步中斷時的控制環(huán)控制周期的波形分析圖。
具體實施方式
實施例本實施例的多軸伺服驅動系統(tǒng)如圖3所示，包括上位控制器100、三個伺服驅動器 1-1、1-2、1-3和三個伺服電機5-1、5-2、5-3，本實施例為方便說明選定三個伺服驅動器。伺服驅動器一般內含FPGA單元、DSP單元、電流環(huán)控制環(huán)路單元、速度環(huán)控制環(huán)路單元、位置環(huán)控制環(huán)路單元和輔助電路；伺服驅動器的輸入端連接上位控制器，其輸出端連接伺服電機。以上均是現有技術，其他現有技術在此不再贅述。三個伺服驅動器1-1、1_2、1-3均含有同步中斷處理模塊4且三個伺服驅動器1-1、 1-2、1-3彼此之間連接有同步通訊總線2，伺服驅動器之一 1-1是將其同步中斷處理模塊4 設置為定時向同步通訊總線2發(fā)送同步信號的主伺服驅動器，其余伺服驅動器1-2、1-3是將其同步中斷處理模塊4設置為從同步通訊總線2接收同步信號并根據同步信號產生中斷、修改電流環(huán)控制周期長度設定值和將速度環(huán)內的電流環(huán)執(zhí)行次數值清零的從伺服驅動器。[0024]同步信號是指由主驅動器1-1的FPGA單元按照設定參數定時發(fā)送的邊沿觸發(fā)信號。本實施例的多軸伺服驅動系統(tǒng)的使用過程見前述實用新型內容，在此不再贅述。如圖4所示，在第一次同步中斷時，在豎虛線A處(即第一個電流環(huán)控制周期處)， 同步中斷處理模塊4對從伺服驅動器1-2、1-3的第二個電流環(huán)控制周期長度設定值進行修改并將速度環(huán)內的電流環(huán)執(zhí)行次數值清零，此時可看出從伺服驅動器1-2、1_3的的第二個電流環(huán)控制周期長度發(fā)生了變化，在豎虛線B處(即第三個電流環(huán)控制周期開始處)，三個伺服驅動器1-1、1_2、1-3的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的控制周期起始點已經基本對齊。[0027]如圖5所示，在第二次同步中斷時，在豎虛線Al處(即第一個電流環(huán)控制周期處) 同步中斷處理模塊4只對從伺服驅動器1-2、1-3的第二個電流環(huán)控制周期長度設定值進行修改，在豎虛線Bl處(即第三個電流環(huán)控制周期開始處)，三個伺服驅動器1-1、1-2、1-3的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的控制周期起始點已經基本對齊。分別對比圖4和圖2或圖5和圖2，采用本實施例的多軸伺服驅動系統(tǒng)及其同步控制方法可以實現各伺服驅動器的同步。另外以伺服驅動器動力輸出的伺服電機采用2500線編碼器為例，將本實施例的多軸伺服驅動系統(tǒng)與采用現有多軸伺服驅動系統(tǒng)的具體對比計算說明如下2500線編碼器的每圈脈沖數為10000，伺服驅動器的晶振頻率=40MHz，設定晶振精度是lOOppm，設定同步中斷時間間隔是100ms (微秒)，設定伺服驅動器的原有電流環(huán)控制周期是lOOus，速度環(huán)和位置環(huán)控制周期為電流環(huán)周期的10倍=IOOus X 10 = IOOOus, 儲存于從伺服驅動器的定時器的周期寄存器內的電流環(huán)控制周期值=100US + 40MHz =， 則指令脈沖產生1500RPM轉的脈沖頻率為=1500 + 60 X 10000/s = 250kHz,每個指令脈沖平均周期為=ls/250000= 1000000us/250000 = 4us,在半個速度環(huán)或位置環(huán)控制周期(即500us)內最多將會產生125個脈沖誤差 (=500us + 4us = 125)。采用本實施例的多軸伺服驅動系統(tǒng)后，各伺服驅動器之間控制環(huán)控制周期的誤差最大只有IOus(產生同步中斷之后到下一次同步中斷之前，各伺服驅動器的控制環(huán)控制周期仍然會相對滑動，按同步中斷時間間隔IOOms和晶振精度IOOppm計算，100ms +IOOppm = IOOms +10000 = 0. OOlms = IOus)，則最多只會產生 2. 5 個脈沖誤差(=10us + 4us = 2. 5)。 這樣相比現有125個脈沖誤差，可以大大減小多軸加工時帶來的插補誤差。上述本實施例的多軸伺服驅動系統(tǒng)中還需要說明的是(包括現有技術)1)同步中斷設為最高優(yōu)先級別，以便DSP的快速響應，可屏蔽中斷，除復位和非屏蔽中斷匪I外其它中斷此時無法響應。2)現有技術中，周期寄存器中被賦值(即電流環(huán)控制周期長度設定值)以后一般是固定不變的，電流環(huán)控制周期長度設定值乘以時鐘基礎(時基)就是電流環(huán)控制周期。 比較寄存器的計數值(即電流環(huán)比較值)在每個電流環(huán)控制周期根據輸入和反饋量動態(tài)修改，電流環(huán)比較值決定了輸出PWM波形的占空比。計數寄存器的計數值(電流環(huán)計時長度)在一個電流環(huán)控制周期內先是從零開始不斷遞增，當電流環(huán)計時長度等于電流環(huán)比較值時，PWM輸出發(fā)生翻轉，當電流環(huán)計時長度等于電流環(huán)控制周期長度設定值時，電流環(huán)計時長度開始遞減，當電流環(huán)計時長度又等于電流環(huán)比較值時，PWM再次發(fā)生翻轉，直至電流環(huán)計時長度等于0，即刻產生PWM定時器下溢中斷；然后開始新一輪的計數遞增和遞減，周而復始。3)周期寄存器、比較寄存器是帶影子寄存器的，對電流環(huán)控制周期長度設定值的修改實際是對影子寄存器重新賦值，對第二個電流環(huán)控制周期長度設定值的修改將在第三個電流環(huán)控制周期中產生效果。只要同步修改各伺服驅動器的電流環(huán)控制周期長度設定值和電流環(huán)比較值，就能保證PWM輸出的占空比不變，對輸出電流的控制不會造成影響。4)每個伺服驅動器電流環(huán)控制周期之間的對齊實際是在第一次同步中斷發(fā)生后開始的第三個電流環(huán)控制周期完成的(如圖4和圖5所示的豎虛線B和Bi)，電流環(huán)控制周期長度設定值則要修改第二個電流環(huán)控制周期長度設定值)，速度、位置環(huán)的控制周期調節(jié)的策略是在第一次同步中斷發(fā)生時，將已經進行的電流環(huán)執(zhí)行次數值統(tǒng)一設置為0(清零)，即第一次同步中斷，將會不同程度延長各伺服驅動器的速度、位置環(huán)的控制周期一次， 目的是為了在第一次同步中斷發(fā)生后，在主伺服驅動器1-1的第10個電流環(huán)控制周期后， 調整各伺服驅動器的速度、位置環(huán)的控制周期的起始點彼此對齊(如圖4和圖5所示)。5)同步信號由主伺服驅動器1-1內的FPGA (現場可編程邏輯陣列)定時產生，然后經過隔離及電平轉換后發(fā)送至同步通訊總線2。從伺服驅動器1-2、1-3從同步通訊總線 2接收到同步信號，經電平轉換及隔離后輸入到從伺服驅動器內的FPGA，然后向從伺服驅動器1-2、1-3內的DSP產生同步中斷，在上位控制器100采用脈沖方式對各伺服驅動器進行控制時，同步信號是獨立存在的且與上位控制器100脈沖指令無關，上位控制器100無需任何改動，整個同步信號的產生到傳輸無需上位控制器100或伺服驅動器的DSP來干預。6)同步通訊總線2可使用RS485、CAN、100BASE-TX/RJ45等任何一種電氣接口來實現。7)伺服驅動器內的DSP產生同步中斷的響應誤差(即各從伺服驅動器的各控制環(huán)的控制周期的起始點誤差)最小可小于100ns(按一般同步通訊總線2線長10m， 則10m+300m/us 33ns，考慮最多兩個指令的執(zhí)行時間誤差50ns以及其他誤差10ns， 50ns+33ns+10ns = 93ns < 100ns)。本實用新型的不局限于上述各實施例，凡采用等同替換形成的技術方案，均落在本實用新型要求的保護范圍。
權利要求1.一種多軸同步伺服驅動系統(tǒng)，包括上位控制器、二個以上的伺服驅動器和伺服電機， 所述伺服驅動器內含FPGA單元、DSP單元、電流環(huán)控制環(huán)路單元、速度環(huán)控制環(huán)路單元、位置環(huán)控制環(huán)路單元和輔助電路；所述伺服驅動器的輸入端連接上位控制器，其輸出端連接伺服電機；其特征在于所述伺服驅動器含有同步中斷處理模塊且彼此連接有同步通訊總線；所述伺服驅動器之一是將其同步中斷處理模塊設置為定時向同步通訊總線發(fā)送同步信號的主伺服驅動器，其余伺服驅動器是將其同步中斷處理模塊設置為從同步通訊總線接收同步信號并根據同步信號產生中斷、修改電流環(huán)控制周期長度設定值和將速度環(huán)內的電流環(huán)執(zhí)行次數值清零的從伺服驅動器。
2.根據權利要求1所述多軸同步伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于所述電流環(huán)控制周期長度設定值儲存于伺服驅動器的定時器的周期寄存器內，所述電流環(huán)執(zhí)行次數計數值儲存于伺服驅動器的隨機存儲器內。
3.根據權利要求2所述多軸同步伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于所述同步信號是指由主驅動器的FPGA單元按照設定參數定時發(fā)送的邊沿觸發(fā)信號。
專利摘要本實用新型涉及一種多軸同步伺服驅動系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng)技術領域。該系統(tǒng)包括上位控制器、二個以上伺服驅動器和伺服電機，伺服驅動器內含電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制環(huán)路單元；伺服驅動器的輸入端連接上位控制器，其輸出端連接伺服電機；選定任一伺服驅動器作為定時向同步通訊總線發(fā)送同步信號的主伺服驅動器，其余作為從伺服驅動器，在伺服驅動器之間連接同步通訊總線并設置用于發(fā)出同步信號、根據同步信號產生中斷并修改電流環(huán)控制周期長度設定值和將電流環(huán)控制周期執(zhí)行次數值賦零的同步中斷處理模塊。該系統(tǒng)可以使各伺服驅動器的控制環(huán)控制周期長度之間的誤差在同步中斷間隔內得以大大縮小，從而大大增強系統(tǒng)的同步性，并保證系統(tǒng)加工的精度。
文檔編號H02P5/50GK202094830SQ20112002307
公開日2011年12月28日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權日2011年1月25日
發(fā)明者劉劍東, 柳德偉 申請人:南京雪曼機電科技有限公司