一种基于Ethernet/IP的低压直流伺服的制作方法

本发明涉及机器人使用领域，尤其涉及一种基于ethernet/ip的低压直流伺服。

背景技术：

随着机器人在仓储、物流、服务等领域的广泛应用，机器人经常使用移动的电源(如电池组)提供能源，传统交流伺服的输入电压一般为ac220v或ac380v，这种伺服一般用于固定场所(如工厂车间)，不能直接使用电池组进行供电。

ethernet/ip协议广泛用于工业控制场合，许多主控制器(如plc)支持ethernet/ip协议。canopen现场总线中针对运动控制的ciadsp402协议(以下简称cia402)，被广泛应用于控制器与伺服驱动器之间的通讯，其他工业以太网如powerlink、ethercat等都根据cia402协议实现了运动控制的应用层协议。目前，ethernet/ip并不支持canopen协议，因此，应用cip协议、canopen协议这两种不同协议的设备无法相互通讯。

传统交流高压伺服使用电池供电，需要将电池的低压直流电源进行逆变，升压为高压交流电源，然后交流伺服再将高压交流电进行整流变为直流电，作为直流母线的输入。目前，使用ethernet/ip作为主控制器(如plc)与伺服通讯时，一般需要利用协议转换网关，将ethernet/ip协议转换成伺服驱动器支持的协议(如将ethernet/ip转换为ethercat)。

现有交流伺服需要将直流低压电转换成高压交流电，这增加了大量的中间转换器件，转换过程中的能量损耗也大幅降低了能源使用效率。现有的伺服与ethernet/ip主控制器通讯，需要利用协议转换网关，将ethernet/ip协议转换成伺服驱动器支持的协议。这增大了使用的成本和难度。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种基于ethernet/ip的低压直流伺服，其特征在于包括控制器、脉冲宽度调节模块、功率驱动器、电流采集电路、位置反馈模块、ethernet/ip适配器(adapter)模块，所述控制器分别和脉冲宽度调节模块、电流采集电路、位置反馈模块、ethernet/ip适配器(adapter)模块连接，所述脉冲宽度调节模块和功率驱动器连接，所述功率驱动器分别和电流采集电路、外界低压交流电机连接，所述位置反馈模块通过编码器和外界低压交流电机连接，所述ethernet/ip适配器(adapter)模块通过网口、网关和扫描器接口连接。

所述控制器(mcu)用于控制整个伺服系统；

所述功率驱动器用于根据控制器mcu的脉宽调制(pwm)控制信号，将48v低压直流电直接逆变为低压交流电，输入到低压交流电机进行驱动；

所述电流采集电路用于采集功率驱动器与电机之间的uv两相电流，用于伺服电流环控制；

所述位置反馈模块用于处理编码器所反馈的电机位置信息，并计算出实际的速度，用于位置环、速度环控制；

所述ethernet/ip适配器(adapter)通讯模块用于实现ethernet/ip应用层协议(cip)并运行于主控器mcu实时环境。使用标准的ethernet物理层接口(phy)，实现与上位控制器的扫描器(scanner)之间的通讯；

所述制动电阻模块，根据电池组电压等级，将直流母线电压限制在56v，保护伺服电子器件不受损坏。

所述ethernet/ip适配器(adapter)通讯模块的物理层硬件，包括mcu内部的直接访问寄存器(directmemoryaccess，dma)，媒体访问控制器(mediaaccesscontrol，mac)、物理层接口(physicallayer，phy)、rj45网口，所述mcu和媒体访问控制器连接，媒体访问控制器和物理层接口连接，所述物理层接口和网口连接。

所述ethernet/ip适配器(adapter)通讯模块网络模型由上到下分为应用层、传输层、网络层、数据链路层物理层。

ethernet/ip在网络层使用ip协议，在数据链路层和物理层采用标准的以太网技术，这使得ethernet/ip在不同的平台、介质上可以快速部署，大幅提高了通用性。

ethernet/ip在传输层使用tcp和udp协议来传输数据。tcp(transmissioncontrolprotocol，传输控制协议)是面向连接的协议，即在收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个tcp连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，其中的过程非常复杂，因此tcp通讯效率较低，只能用来传输对于实时性要求不高的数据(如参数设置、组态和诊断等)。udp(userdataprotocol，用户数据报协议)是一种非面向连接的协议，它能够工作在单播和多播的方式，只提供设备间发送数据报文的能力，对于实时性要求较高的i/o数据、运动控制数据和功能性安全数据，可以使用udp/ip协议来发送。

ethernet/ip采用通用工业协议(commonindustrialprotocol，cip)作为应用层协议，cip是一种独立于介质的，基于连接的且面向对象的协议，专为自动化应用而设计。cip协议整合了开放式系统互联osi(opensysteminterconnect)7层模型中的应用层、表示层、会话层。因为ieee802.3标准以太网中存在的用于解决数据碰撞的机制带来了数据传输的延迟，所以，为了达到实时性能，ethernet/ip通过采用cipsync同步分发ieee1588兼容的时钟信息给整个网络。cip应用协议分为“隐性的”i/o报文信息和“显性的”报文信息，隐式i/o报文是对时间有苛刻要求的控制信息，通过udp/ip传输；显式explicit报文是对时间无苛刻要求的点对点信息，可由tcp/ip传输。显式报文用于配置、下载和故障诊断；隐式报文用于实时i/o数据的传输。

canopen现场总线是工业自动化中另一种广泛使用的应用层协议，其中针对运动控制的cia402协议，被广泛应用于控制器与伺服驱动器之间的通讯。目前，针对ethernet/ip通讯，cip协议并不支持canopen协议。

本发明的有益效果为：本发明直接将低压直流电源作为伺服直流输入，减少了伺服本身需要的中间转换器件，降低了伺服硬件故障率，提高了能量的利用效率。本发明在伺服端实现了ethernet/ip通讯协议，可以与ethernet/ip扫描器直接通讯，不需要协议转换模块，降低了使用成本，降低了使用难度。特别的，为应用cip协议、canopen协议这两种不同协议的设备之间的互操作，提供了解决方案。

附图说明

图1为本发明伺服电源供电及通讯整体方案。

图2为本发明基于ethernet/ip的低压直流伺服方案。

图3为本发明的标准ethernet物理层硬件原理图。

图4为本发明ethernet/ip通讯网络模型。

图5为本发明伺服与上位控制器建立通讯连接的流程图。

具体实施方式

根据附图、实施例对本申请进行阐述：

实施例1

本发明为一种基于ethernet/ip的低压直流伺服，包括控制器、脉冲宽度调节模块、功率驱动器、电流采集电路、位置反馈模块、ethernet/ip适配器(adapter)模块，所述控制器分别和脉冲宽度调节模块、电流采集电路、位置反馈模块、ethernet/ip适配器(adapter)模块连接，所述脉冲宽度调节模块和功率驱动器连接，所述功率驱动器分别和电流采集电路、外界低压交流电机连接，所述位置反馈模块通过编码器和外界低压交流电机连接，所述ethernet/ip适配器(adapter)模块通过网口、网关和扫描器接口连接。所述控制器(mcu)用于控制整个伺服系统；所述功率驱动器用于根据控制器mcu的脉宽调制(pwm)控制信号，将48v低压直流电直接逆变为低压交流电，输入到低压交流电机进行驱动；所述电流采集电路用于采集功率驱动器与电机之间的uv两相电流，用于伺服电流环控制；所述位置反馈模块用于处理编码器所反馈的电机位置信息，并计算出实际的速度，用于位置环、速度环控制；所述ethernet/ip适配器(adapter)通讯模块用于实现ethernet/ip应用层协议(cip)并运行于主控器mcu实时环境。使用标准的ethernet物理层接口(phy)，实现与上位控制器的扫描器(scanner)之间的通讯；所述制动电阻模块，根据电池组电压等级，将直流母线电压限制在56v，保护伺服电子器件不受损坏。所述ethernet/ip适配器(adapter)通讯模块的物理层硬件，包括mcu内部的直接访问寄存器(directmemoryaccess，dma)，媒体访问控制器(mediaaccesscontrol，mac)、物理层接口(physicallayer，phy)、rj45网口，所述mcu和媒体访问控制器连接，媒体访问控制器和物理层接口连接，所述物理层接口和网口连接。所述ethernet/ip适配器(adapter)通讯模块网络模型由上到下分为应用层、传输层、网络层、数据链路层物理层。

实施例2

本发明在cip协议基础之上，根据canopen协议中的运动控制模块子协议，实现cia402协议的对象字典(objectdictionary，od)，并使用电子数据文档(electronicdatasheet，eds)，即.eds文件描述本发明所述的基于ethernet/ip的低压直流伺服设备属性、参数对象信息。对象字典(objectdictionary，od)是一个有序的对象组，每个对象采用一个16位的索引值来寻址，为了允许访问数据结构中的单个元素，同时定义了一个8位的子索引，对象字典结构如表1所示。

表1canopen对象字典结构

本发明利用对象字典，实现服务数据对象sdo(servicedataobject)和过程数据对象pdo(processdataobject)通讯。sdo用来访问一个设备的对象字典，采用client-server通讯模型，即一问一答方式进行通讯，其中访问者被称作客户(client)，对象字典被访问且提供所请求服务的canopen设备别称作服务器(server)，本发明伺服驱动器作为canopen从站，实现的是服务器server，sdo通讯效率较慢。过程数据对象(pdo)传输遵循的是生产者消费者模型，用来传输实时的数据，是canopen中最主要的数据传输方式。由于pdo的传输不需要应答，且pdo的长度可以小于8个字节，因此传输速度快。

本发明利用cip协议中的设备厂商自定义classid(类id)、attributeid(属性id)和servicecode(服务码)，通过显示explicit报文，实现canopen中的sdo读写对象字典参数。类似的，利用隐式i/o报文，实现周期性pdo过程数据传输。进一步地，根据用户的命令和伺服驱动内部故障信息等，实现cia402协议中定义的状态机(statemachine)

实施例3

在工业控制中，上位控制器(plc)与伺服驱动器之间的通讯实时性要求非常高。以上建立的基于cip协议的canopen通讯，虽然应用层采用sync同步分发ieee1588兼容的时钟信息来保证通讯的实时性，但通讯任务需要保证能够被实时调度，因此本发明采用嵌入式实时操作系统μc/os-ii，对通讯任务实时调度。本发明基于ethernet/ip通讯的canopen伺服与上位控制器(如plc)，建立通讯连接的流程如图5所示。

第①②步：上位控制器scanner发起tcp连接请求，伺服adapter收到tcp请求后进行应答，直到完成三次“握手”后，tcp连接建立；

第③步：在tcp连接建立的基础上，scanner与adapter可进行explicit显式通讯；

第④⑤⑥⑦步：scanner与adapter利用显示通讯，完成registersession和forwardopen连接，为udp、i/o通讯建立起基础；(在标准ethernet/ip通讯中，通讯连接至此已经建立，scanner与adapter即可进行周期性隐式i/o通讯，本发明中需要继续执行⑧～⑩步骤)。

第⑧⑨步：上位控制器作为canopen主站，利用sdo，配置伺服通讯对象的参数，并通过explicit显示通讯将sdo报文打包，发送至伺服canopen从站，伺服从站利用sdo将配置的结果反馈给上位控制器。

第⑩步，在上一步配置顺利完成后，上位控制器即可发送pdo参数，经隐式i/o报文、udp通讯传输至伺服，即可进行电机控制，实现了cip协议与canopen协议的融合。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。