本发明涉及一种机器人伺服控制电路，尤其涉及一种轴间无通讯的四轴机器人伺服控制电路。
背景技术：
现有的四轴机器人伺服控制器采用两块或四块主控芯片控制四路驱动，主控芯片间通过通讯总线进行协调通讯，以完成对四轴机器人的控制。由于轴间通讯需要耗费时间且可能遭受通讯噪声干扰，使得整个伺服控制系统的稳定性与实时性受到挑战。另一方面，目前的伺服控制器传感器有限，常只能实现对无编码器、增量式编码器、绝对式编码器电机中特定一类的控制，且对于运动控制器信号的处理方式也比较单一。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种轴间无通讯的四轴机器人伺服控制电路。
本发明所采用的技术方案如下：一种轴间无通讯的四轴机器人伺服控制电路，包括电源模块、四个驱动模块、扩展通讯模块、四个模拟量反馈模块、四个速度反馈模块、fpga模块、主控芯片；
其中，电源模块给整个伺服控制电路提供工作电压；
驱动模块包括光耦隔离模块和功率驱动模块，驱动模块接收主控芯片发出的pwm信号，经光耦隔离模块后控制功率驱动模块，从而控制四轴机器人上的永磁同步电机的运行；
扩展通讯模块收发主控芯片的sci和ecan端口的信号，通过扩展接口连接外部设备，实现通讯的扩展；
模拟量反馈模块由4个相同的模拟量反馈单元构成，模拟量反馈模块采集驱动模块及主控芯片模块上的电压、电流信号，将信号调理后传递至主控芯片的adc接收口，保证主控芯片获得实时准确的模拟量反馈值；
速度反馈模块提供对光电编码器、绝对式编码器和霍尔传感器的接口，将采集上述三类的速度反馈信号，分别接入主控芯片的eqep、rs485和io，实现对多种速度反馈信号的处理，使得驱动电路能够用于控制无编码器电机、增量式编码器电机和绝对式编码器三种电机；fpga模块作为向外部提供输出io信号的输出端口和外部输入io控制信号的输入端口，还用于接收运动控制器传来的脉冲信号与方向信号，经过计算后将解码后的控制指令通过io总线传给主控芯片，使主控芯片能够获得准确的指令。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：采用一块主控芯片同时控制四轴驱动，不存在主控芯片间的通讯过程，提升了控制实时性。具有含qep、霍尔、rs485在内的多种速度反馈接口，可适应与无编码器、增量式编码器、绝对式编码器的配合。具有fpga、cap两种脉冲方向信号捕获方式，能够适应不同频率范围的运动控制器指令。丰富的传感器资源和主控芯片资源能够实现对电机的开环、电流环、速度环、位置环精确控制。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为功率驱动模块示意图；
图3为速度反馈模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明。
一个应用实例是利用本发明实现对四台绝对编码式伺服电机进行的速度闭环控制，从而控制四轴scara工业机器人运动。其中速度的给定由外接的运动控制器完成。
如图1所示，本发明包括电源模块、驱动模块(4路)、扩展通讯模块、模拟量反馈模块(4路)、速度反馈模块(4路)、人机交互模块、fpga模块、主控芯片(tms320f28377d)。
其中，主控芯片是电路的核心部分，本发明选用tms320f28377d作为主控芯片，是由于此芯片拥有24路pwm，其资源能够支撑同时控制四路电机驱动，而传统的dsp(如tms320f28035、tms320f28069等)并不具备这一能力。因此，本发明的mcu选型必须为tms320f28377d或拥有同等或更丰富pwm资源和接近计算能力的mcu。除前述各个模块与主控芯片的连接关系及功能外，主控芯片可由cap捕获口直接接收运动控制器的脉冲与方向信号并进行频率计算，此外由扩展数据和地址总线增强芯片性能。
电源模块采用开关电源进行降压，将输入高压降至5v，选用tps259230芯片进行过流保护，选用tps75733将5v电压转到3.3v，供给驱动模块和各个芯片正常运行所需的交直流电压；
驱动模块包括光耦隔离模块和功率驱动模块，驱动模块接收主控芯片发出的pwm信号，经光耦隔离模块后控制功率驱动模块，从而控制四轴机器人上的永磁同步电机的运行；
扩展通讯模块收发主控芯片的sci和ecan端口的信号，通过扩展接口连接外部设备，实现通讯的扩展；
模拟量反馈模块由4个相同的模拟量反馈单元构成，模拟量反馈模块采集驱动模块及主控芯片模块上的电压、电流信号，将信号调理后传递至主控芯片的adc接收口，保证主控芯片获得实时准确的模拟量反馈值；
速度反馈模块提供对光电编码器、绝对式编码器和霍尔传感器的接口，将采集上述三类的速度反馈信号，分别接入主控芯片的eqep、rs485和io，实现对多种速度反馈信号的处理，使得驱动电路能够用于控制无编码器电机、增量式编码器电机和绝对式编码器三种电机；
fpga模块作为向外部提供输出io信号的输出端口和外部输入io控制信号的输入端口，还用于接收运动控制器传来的脉冲信号与方向信号，经过计算后将解码后的控制指令通过io总线传给主控芯片，使主控芯片能够获得准确的指令，fpga模块选用ep3c16q240c8n。
还包括人机交互模块，所述人机交互模块包含仿真器、jtag接口、串行通信接口、msp430、人机接口，jtag接口用于连接主控芯片接口与仿真器，仿真器进一步在pc机和jtag接口中间传递信息，以完成程序的仿真和烧写；电脑也可直接通过串行通信接口对设备进行烧写及完成通讯；msp430芯片和人机接口相连，在人机接口上连接键盘、鼠标和液晶，构成一个简易的上位机，用于实现用户与驱动系统间便携式的交互。
具体的，驱动模块如图2所示，驱动模块包括光耦隔离模块和功率驱动模块，包括ipm芯片、电感l1、二极管md1-md4、电阻npr1、电阻mr1-mr15、极性电容mc1、非极性电容mc2-mc8、极性电容mc9-mc11、电阻r57-r69、非极性电容c37-c39、可变电阻rp1、运放u6d、运放u6c、光耦u11、双二极管d3、运放u10a；电阻npr1的一端和电感l1的一端分别与电源模块的dc-相连；电阻npr1的另一端和电电阻mr2的一端相连后分别与ipm芯片的nu端口、nv端口和nw端口相连，电阻mr2的另一端与ipm芯片的csc端口相连，电感l1的另一端和二极管d1的负极相连，二极管d1的正极、极性电容mc1的正极和非极性电容mc2的一端相连后接ipm芯片的vcc端口，ipm芯片的vcc端口接+15v电压；非极性电容mc2的另一端与ipm芯片的com端口相连，极性电容mc1的负极接地；非极性电容mc3的一端与ipm芯片的cfod端口相连，非极性电容mc3的另一端与ipm芯片的com端口相连，非极性电容mc4的一端与ipm芯片的csc端口相连，非极性电容mc4的另一端与ipm芯片的com端口相连；
电阻mr7的一端与ipm芯片的pwm输入引脚in(wh)相连，电阻mr7的另一端和电阻mr1的一端相连，电阻mr1的另一端和ipm芯片的pwm输入引脚in(ul)相连，电阻mr10的一端与ipm芯片的vcc端口相连，电阻mr10的另一端与二极管md2的负极相连，二极管md2的正极、非极性电容mc6的一端和极性电容mc9的正极均与ipm芯片的vb(w)端口相连，非极性电容mc6的另一端、极性电容mc9的负极和电阻mr13的一端均与ipm芯片的vs(w)端口相连，电阻mr13的另一端与ipm芯片的w端口相连；
电阻mr8的一端与ipm芯片的pwm输入引脚in(vh)相连，电阻mr8的另一端和电阻mr3的一端相连，电阻mr3的另一端和ipm芯片的pwm输入引脚in(vl)相连，电阻mr11的一端与ipm芯片的vcc端口相连，电阻mr11的另一端与二极管md3的负极相连，二极管md3的正极、非极性电容mc7的一端和极性电容mc10的正极均与ipm芯片的vb(v)端口相连，非极性电容mc7的另一端、极性电容mc10的负极和电阻mr14的一端均与ipm芯片的vs(v)端口相连，电阻mr14的另一端与ipm芯片的v端口相连；
电阻mr9的一端与ipm芯片的pwm输入引脚in(uh)相连，电阻mr9的另一端和电阻mr4的一端相连，电阻mr4的另一端和ipm芯片的pwm输入引脚in(wl)相连，电阻mr12的一端与ipm芯片的vcc端口相连，电阻mr12的另一端与二极管md4的负极相连，二极管md4的正极、非极性电容mc8的一端和极性电容mc11的正极均与ipm芯片的vb(u)端口相连，非极性电容mc8的另一端、极性电容mc11的负极和电阻mr15的一端均与ipm芯片的vs(u)端口相连，电阻mr15的另一端与ipm芯片的u端口相连；
电阻mr5的一端与ipmfault端口相连，电阻mr5的另一端与电阻mr6的一端相连，电阻mr6的另一端与和电容mc5的一端均与+3.3v电压相连，电容mc5的另一端接地；电阻r57的一端与ipm芯片的p端口相连，电阻r57的另一端接电源模块的dc+端口；
电阻r60的一端接电阻npr1和电电阻mr2的公共端(oc端口)，电阻r60的另一端和非极性电容c38的一端均与运放u6d的正极输入端口相连，非极性电容c38的另一端接地，电阻r65的一端与运放u6d的负极相连，另一端接地。电阻r69一端与运放u6d的输出口相连，另一端与电阻r68的一端相连，电阻r68另一端和运放u6d的负输入端口相连。可调电阻rp1线圈的两端跨接于运放u6d输出口和负输入端口；电阻r62一端接运放u6d输出口，另一端接运放u6c负输入端口；电容c39一端接运放u6c负输入端口，另一端接地；电阻r67一端接运放u6d负输入端口，另一端接探测点i_ad；电阻r58一端接3.3v电源，另一端接光耦u11的输入端口正极；光耦u11输入端口负极接地，输出端口负极也接地；电阻r59一端接光耦u11输出端口正极，另一端接3.3v电源；电阻r64一端接光耦u11输出端口，另一端接过流监测点ocfault，组合二极管d3的3号引脚接运放u6d输出端口，2号角接3.3v电源，1号角接地。
电阻r63一端接3.3v电源，另一端、电容c37的一端和电阻r66的一端均接运放u10a正输入端口；电阻r66一端接运放u10a负输入端口，另一端接地；电容c37和电阻r66的另一端均接地；运放u10a输出口接到运放u10a的负输入端口后与电阻r61的一端相连，电阻r61的另一端作为负反馈端口，该反馈端口与运放u6c的输入正端口相连。
驱动模块核心为ipm智能功率模块，选用fsbb20ch60，fsbb20ch60的pwm输入引脚in(uh)、pwm输入引脚in(ul)、pwm输入引脚in(vh)、pwm输入引脚in(vl)、pwm输入引脚in(wl)、pwm输入引脚in(wh)与主控芯片pwm引脚相连接，功率模块的pwm输出引脚u、pwm输出引脚v、pwm输出引脚w分别根据输入pwm信号得到功率放大后的pwm信号，对电机进行控制。u10-a运放mcp604-i接入电源模块提供的3.3v电压，分压在运放输出引脚上得到电压sref3作为过流保护参考值。过流保护部分由两个mcp604-i运放(u6c/u6d)、光耦(u11)及外围电路组成，i_ad引脚采集母线电流接入运放负输入端口，运放输出口与光耦原边相接，光耦负边输出ocfault信号，这一信号可由主控芯片的ad引脚接收并判别是否过流。功率驱动模块共有4路，即以上对图2描述所涉及的元件及连接共有完全相同的4组。
具体的，速度反馈模块如图3所示，包括电阻r148-r163、c84-c99、接插件j7‐j10、双向收发芯片u20、四路差动线路接收芯片u21、收发芯片u22、四路差动线路接收芯片u23、电阻r148一端接5v电源，另一端接电容c87的一端及接插件j8的引脚4及四路差动线路接收芯片u21的1a输入引脚；
电阻r149一端接5v电源，另一端接电容c88的一端及接插件j8的引脚14及四路差动线路接收芯片u21的1b输入引脚；
电阻r150一端接5v电源，另一端接电容c89的一端及接插件j8的引脚9及四路差动线路接收芯片u21的2a输入引脚；
电阻r151一端接5v电源，另一端接电容c90的一端及接插件j8的引脚13及四路差动线路接收芯片u21的2b输入引脚；
电阻r152一端接5v电源，另一端接电容c91的一端及接插件j8的引脚7及四路差动线路接收芯片u21的3a输入引脚；
电阻r153一端接5v电源，另一端接电容c92的一端及接插件j8的引脚5及四路差动线路接收芯片u21的3b输入引脚；
电阻r155一端接5v电源，另一端接电容c93的一端及接插件j8的引脚6及四路差动线路接收芯片u23的1a输入引脚；
电阻r156一端接5v电源，另一端接电容c94的一端及接插件j8的引脚8及四路差动线路接收芯片u23的1b输入引脚；
电阻r157一端接5v电源，另一端接电容c95的一端及接插件j8的引脚11及四路差动线路接收芯片u23的2a输入引脚；
电阻r158一端接5v电源，另一端接电容c96的一端及接插件j8的引脚15及四路差动线路接收芯片u23的2b输入引脚；
电阻r159一端接5v电源，另一端接电容c97的一端及接插件j8的引脚10及四路差动线路接收芯片u23的3a输入引脚；
电阻r160一端接5v电源，另一端接电容c98的一端及接插件j8的引脚12及四路差动线路接收芯片u23的3b输入引脚。
电容c87-电容c98的另一端均接地；
四路差动线路接收芯片u21的1a输入引脚经由电阻r145与1b输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u21的2a输入引脚经由电阻r146与2b输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u21的3a输入引脚经由电阻r147与3b输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u21的4a输入引脚与4b输入引脚相连并接地；四路差动线路接收芯片u21的1y输出引脚与双向收发芯片u20的a1输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u21的2y输出引脚与双向收发芯片u20的a2输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u21的3y输出引脚与双向收发芯片u20的a3输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u21的电源引脚vcc、控制引脚g、控制引脚
四路差动线路接收芯片u23的1a输入引脚经由电阻r161与1b输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u23的2a输入引脚经由电阻r162与2b输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u23的3a输入引脚经由电阻r163与3b输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u23的4a输入引脚与4b输入引脚相连并接地；四路差动线路接收芯片u23的1y输出引脚与双向收发芯片u20的a4输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u23的2y输出引脚与双向收发芯片u20的a5输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u23的3y输出引脚与双向收发芯片u20的a6输入引脚相连；四路差动线路接收芯片u23的电源引脚vcc、控制引脚g、控制引脚
接插件j8引脚3接地，引脚2接5v电源。
双向收发芯片u20输入引脚a7、a8、接地引脚gnd和控制引脚
接插件j7引脚1接5v电源，引脚5、6接地；接插件j9引脚4接地。
收发芯片u22的输入输出双向引脚r连接到主控芯片的scirxd引脚，输入输出双向引脚d连接到主控芯片scitxd引脚，控制引脚
接插件j10引脚5接地，引脚1接4v电源，引脚6与引脚4短接，引脚7与收发芯片u22输入输出双向引脚b相连，引脚3与收发芯片u22输入输出双向引脚a相连，引脚3与引脚7之间接电阻r154；
速度反馈模块如图3所示，接插件j8为用于接收电机的u、v、w相电压信号和增量式编码器的a、b、i信号，j8接收到的a+、a-、b+、b-、i+、i-输入am26ls32a(四路差动线路接收芯片u21)芯片的差分信号输入引脚1a、1b、2a、2b、3a、3b，再经由转换信号输出端口1y、2y、3y输出，得到eqep的a、b、i信号，a、b、i信号分别输入74lvc245芯片(双向收发芯片u20)的输入端口a1，a2，a3，并经由输出端口b1、b2、b3输出，输出的信号接入接插件j7引脚2、3、4，用于与主控芯片的pwm引脚连接；j1接收到的u+、u-、v+、v-、w+、w-信号手输入am26ls32a(四路差动线路接收芯片u23)芯片的差分信号输入引脚1a、1b、2a、2b、3a、3b，再经由转换信号输出端口1y、2y、3y输出，得到hall的u、v、w信号，u、v、w信号分别输入74lvc245芯片(双向收发芯片u20)的输入端口a4，a5，a6，并经由输出端口b4、b5、b6输出，输出的信号接入接插件j9引脚1、2、3，用于与主控芯片hall接收引脚连接。收发芯片u22为sn65hvd08芯片，通信输入引脚r接收rs485的sci信号，通信输出引脚d用于发送rs485的信号，主控芯片的gpio28连接收发芯片u22的控制引脚re和控制引脚de，用于控制信号方向，sci输出引脚a、b分别输出经驱动增强后的信号，输出信号与接插件j10相连，j10为外部绝对编码器rs485信号的接口。速度反馈模块模块共有4路，即以上对图3描述所涉及的元件及连接共有完全相同的4组。
下面结合运动控制实例进行说明。运动控制器给定脉冲信号和方向信号，这一信号由fpga模块获得，fpga模块解析出对应的速度给定值和速度给定方向，通过io总线传给主控芯片。
主控芯片得到速度指令信号后，对电机进行速度闭环控制。速度闭环控制依赖于模拟量反馈模块所采集到的两相电流值和速度反馈模块采集的速度信息。在此实例中速度反馈是由接于永磁同步电机后的绝对式编码器获得的。主控芯片经计算后得到此刻应该给出的四路pwm输出值。
四路pwm信号经光耦驱动进入功率驱动模块当中，功率驱动模块将进行功率放大后控制四台永磁同步电机运动。在稳定的闭环控制下，四台电机的组合运动使得scara机器人能够按照功能需求运行。
通过以上即实现了基本的机器人伺服控制。需要指出的是，机器人的运动控制指令不仅仅可以通过上述方式由运动控制器给定fpga脉冲方向信号，还可以通过人机交互模块、扩展通讯模块及fpga模块这几个开放接口中的一个或几个共同完成，实现对机器人的运动过程进行功能性与安全性的控制。通过人机接口或pc机可传给主控芯片丰富的控制指令，扩展通讯模块则使得本系统可以与其他设备进行通讯，完成协同性的工作。fpga模块接收运动控制器的输入外，也可以接收外部设备的io信号控制伺服电机的运动与紧急停止。