多轴伺服驱动器的制作方法

本发明涉及驱动控制技术领域，特别是涉及一种多轴伺服驱动器。

背景技术：

传统的自动化电控系统一般由伺服驱动器、控制器、电源等部件组成，其结构复杂、集成度低，在实际应用中不仅接线繁杂，而且调试过程冗长，可靠性低。随着3c等行业的兴起，设备更新换代周期提高，电控系统需要模块化可重组的架构模式，以支撑制造设备的快速迭代，但是传统的控制加独立伺服的产品模式已无法满足要求，在此情况下出现了模块化的控制和驱动集成一体的架构产品。

在传统的驱动控制一体化架构中，通常伺服驱动器同时集成有控制单元和功率单元，每一个伺服驱动器均有自己的控制电流，由于设备所使用的功率变化较多，在需要替换伺服驱动器的同时，也需要替换控制部分，但是由于控制部分的结构设计复杂且成本较高，替换掉之后会造成浪费。

技术实现要素：

基于此，有必要针对在功率变化大的情况下对伺服驱动器替换会造成浪费问题，提供一种多轴伺服驱动器。

一种多轴伺服驱动器，用于驱动多个伺服电机进行转动，所述多轴伺服驱动器包括：

若干个采样及逆变模块，用于采集所述伺服电机的电流信号及伺服电机编码器的速度信号、位置信号；其中，每一个采样及逆变模块对应连接一个伺服电机；

多轴驱动控制模块，与所述采样及逆变模块连接，用于根据输入的控制指令对反馈信号进行计算，并在计算后输出电流控制信号；其中，所述反馈信号包括所述电流信号、所述速度信号及所述位置信号；

所述采样及逆变模块还用于根据所述电流信号、速度信号、位置信号及电流控制信号输出电压控制信号；所述电压控制信号用于控制所述伺服电机的运转。

在其中一个实施例中，所述采样及逆变模块包括采样单元、编码器处理单元、计算单元及矢量控制单元；

所述采样单元与所述伺服电机连接，用于采集所述伺服电机的电流信号；

所述编码器处理单元与所述伺服电机编码器连接，用于对所述伺服电机编码器的数字信号进行解码生成所述反馈信号；

所述计算单元分别与所述多轴驱动控制模块、所述编码器处理单元连接，用于接收所述电流控制信号、并根据所述电流控制信号对所述反馈信号进行计算以生成所述电压控制信号；

所述矢量控制单元用于根据所述电压控制信号控制所述伺服电机的运转。

在其中一个实施例中，所述采样及逆变模块还包括第一滤波单元，所述第一滤波单元连接在所述编码器处理单元和所述计算单元之间，用于对所述反馈信号进行滤波处理。

在其中一个实施例中，所述计算单元包括三角函数计算子单元和电流环路计算子单元；

所述三角函数计算子单元的输入端与所述编码器处理单元的输出端连接，所述三角函数计算子单元的输出端与所述电流环路计算子单元的输入端连接；所述电流环路计算子单元的输入端与所述采样单元的输出端连接，所述电流环路计算子单元的输出端与所述矢量控制单元的输入端连接；

所述三角函数计算子单元用于对所述反馈信号进行计算，得到所述伺服电机的转动角度信号；所述电流环路计算子单元用于根据输入的指令对所述电流信号和所述转动角度信号进行计算，得到所述电压控制信号。

在其中一个实施例中，所述采样及逆变模块还包括第二滤波单元，所述第二滤波单元连接在所述采样单元和所述计算单元之间，用于对所述电流信号进行滤波处理。

在其中一个实施例中，所述多轴伺服驱动器还包括网络接口；所述网络接口与外部芯片连接以接收输入的控制指令。

在其中一个实施例中，所述多轴驱动控制模块包括电流驱动单元，所述电流驱动单元与所述采样及逆变模块连接，用于根据输入的控制指令对反馈信号进行计算，并在计算后输出电流控制信号。

在其中一个实施例中，所述多轴驱动控制模块还包括：

保护单元，所述保护单元与所述采样及逆变模块连接，用于监测所述采样及逆变模块采集的所述反馈信号、并在所述反馈信号超过预设数值时控制所述电流驱动单元停止输出。

在其中一个实施例中，所述多轴伺服驱动器还包括状态机，所述状态机与所述多轴驱动控制模块连接，用于对所述多轴驱动控制模块的计算进行协调。

在其中一个实施例中，所述多轴伺服驱动器还包括：

整流模块，分别与所述采样及逆变模块、所述多轴驱动控制模块连接，用于将外部输入的交流电压转变为直流电压输出。

上述多轴伺服驱动器，通过设置若干个采样及逆变模块和多轴驱动控制模块来对伺服电机进行控制，进一步地，采样及逆变模块用于采集伺服电机的电流信号及伺服电机编码器的速度信号、位置信号；多轴驱动控制模块用于根据输入的控制指令对反馈信号(电流信号、速度信号及位置信号)进行计算，并在计算后输出电流控制信号；采样及逆变模块还用于根据电流信号、速度信号、位置信号及电流控制信号输出可控制伺服电机运转的电压控制信号，即将传统伺服驱动控制中的解码、电流采样、电流环运算、伺服位置及速度环路等解耦开来，从而省去了传统伺服驱动器控制中需要进行位置和电流解算的计算单元，因此该多轴伺服驱动器的结构更为简单，可快速替换，进而满足工业现场的需求。同时，由于一个多轴驱动控制模块与若干个采样及逆变模块连接，每一个采样及逆变模块又对应连接一个伺服电机，所以可实现一个多轴驱动控制模块控制多个伺服电机。

附图说明

图1为一实施例中的多轴伺服驱动器的结构示意图；

图2为图1中的多轴伺服驱动器的部分结构示意图；

图3为另一实施例中的多轴伺服驱动器的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

传统的伺服控制系统中，控制单元指示逆变模块将直流电逆变成交流电，从而实现对电机的运动控制。但是这种伺服驱动器一般只能实现一台电机的控制，当被控对象为多台的时候，也即是多轴控制的时候，有多少台电机，相应地，就需要配置相应数量的伺服驱动器，从而使得成本较高，并且配线复杂。在此基础上，出现了驱动控制一体化的架构，虽然解决了多台电机的控制问题，但是在功率变化较多的场合，如果将控制部分整体替换，则会造成一定的浪费。

请参阅图1，为一实施例中的多轴伺服驱动器的结构示意图。该多轴伺服驱动器用于驱动多个伺服电机进行转动，该多轴伺服驱动器可以包括：多轴驱动控制模块10，若干个采样及逆变模块20。若干个采样及逆变模块20可以理解为三个以上或者至少三个；优选地，本申请设置有六个采样及逆变模块20。其中，采样及逆变模块20用于采集伺服电机的电流信号及伺服电机编码器的速度信号、位置信号。每一个采样及逆变模块20对应连接一个伺服电机。如图1所示，伺服电机可以例如为伺服电机1、伺服电机2、…伺服电机n，并且每一个伺服电机上均有一个编码器。多轴驱动控制模块10与采样及逆变模块20连接，用于根据输入的控制指令c4对反馈信号d1进行计算，并在计算后输出电流控制信号c2；其中，反馈信号d1可以包括电流信号、速度信号及位置信号。采样及逆变模块20还用于根据电流信号、速度信号、位置信号及电流控制信号输出电压控制信号c3；电压控制信号c3用于控制伺服电机的运转。

上述多轴伺服驱动器，通过设置若干个采样及逆变模块和多轴驱动控制模块来对伺服电机进行控制，进一步地，采样及逆变模块用于采集伺服电机的电流信号及伺服电机编码器的速度信号、位置信号；多轴驱动控制模块用于根据输入的控制指令对反馈信号(电流信号、速度信号及位置信号)进行计算，并在计算后输出电流控制信号；采样及逆变模块还用于根据电流信号、速度信号、位置信号及电流控制信号输出可控制伺服电机运转的电压控制信号，即将传统伺服驱动控制中的解码、电流采样、电流环运算、伺服位置及速度环路等解耦开来，从而省去了传统伺服驱动器控制中需要进行位置和电流解算的计算单元，因此该多轴伺服驱动器的结构更为简单，可快速替换，进而满足工业现场的需求。同时，由于一个多轴驱动控制模块与若干个采样及逆变模块连接，每一个采样及逆变模块又对应连接一个伺服电机，所以可实现一个多轴驱动控制模块控制多个伺服电机。

在一个实施例中，采样及逆变模块20，用于采集伺服电机的电流信号及伺服电机编码器的速度信号、位置信号。其中，采样及逆变模块20可以为fpga处理器或可编程逻辑器件。速度信号可例如为角速度信号，位置信号可例如为转动角度信号。

进一步地，请辅助参阅图2，为图1中的多轴伺服驱动器的部分结构示意图。以伺服电机1和电机编码器1进行说明。采样及逆变模块20可以包括采样单元210、编码器处理单元220、计算单元230及矢量控制单元240；采样单元210与伺服电机1连接，用于采集伺服电机1的电流信号；编码器处理单元220与伺服电机编码器1连接，用于对伺服电机编码器1的数字信号进行解码生成反馈信号d1；计算单元230分别与多轴驱动控制模块10、编码器处理单元220连接，用于接收电流控制信号c2、并根据电流控制信号c2对反馈信号d1进行计算以生成电压控制信号c3；矢量控制单元240用于根据电压控制信号c3控制伺服电机1的运转。

更进一步地，计算单元230可以包括三角函数计算子单元232和电流环路计算子单元234；三角函数计算子单元232的输入端与编码器处理单元220的输出端连接，三角函数计算子单元232的输出端与电流环路计算子单元234的输入端连接；电流环路计算子单元234的输入端与采样单元210的输出端连接，电流环路计算子单元234的输出端与矢量控制单元240的输入端连接；三角函数计算子单元232用于对反馈信号d1进行计算，得到伺服电机1的转动角度信号；电流环路计算子单元234用于根据输入的指令对电流信号和转动角度信号进行计算，得到电压控制信号c3。

在一个实施例中，采样及逆变模块还可以包括第二滤波单元260，第二滤波单元260连接在采样单元210和计算单元230之间，用于对电流信号进行滤波处理。第二滤波单元可例如为sinc滤波器，sinc滤波器为一个除去全部给定带宽之上的信号分量而只保留低频信号的理想电子滤波器。在频域它的形状像一个矩形函数，在时域它的形状像一个sinc函数。

在一个实施例中，采样及逆变模块20还可以包括第一滤波单元250，第一滤波单元250连接在编码器处理单元220和计算单元230之间，用于对反馈信号d1进行滤波处理。

通过在采样及逆变模块中集成采样单元和编码器处理单元，使采样处理和核心算法处理独立，从而使得多轴驱动控制模块可用一颗芯片实现多轴控制。进一步地，多轴驱动控制模块与采样及逆变模块独立，可方便对多轴驱动控制模块采用独立的电流控制方法，在设备伺服电机功率变化大的场合可低成本地替换该单元，同时使得多轴驱动控制模块的结构相对简单，性价比高。

在一个实施例中，多轴驱动控制模块10可以包括电流驱动单元(图未标示)，电流驱动单元与采样及逆变模块20连接，用于根据输入的控制指令对反馈信号d1进行计算，并在计算后输出电流控制信号c2。其中，控制指令可例如为位置指令、速度指令、转矩指令等。进一步地，多轴驱动控制模块10还可以包括保护单元(图未标示)，与采样及逆变模块20连接，用于监测采样及逆变模块10采集的反馈信号d1、并在反馈信号超过预设数值时控制电流驱动单元(图未标示)停止输出。可以理解，对于具体的预设数值本申请没有具体的限定，可根据本领域技术人员的需求和产品的性能进行调整。

在一个实施例中，请参阅图3，为另一实施例中的多轴伺服驱动器的结构示意图。该多轴伺服驱动器可以包括：多轴驱动控制模块10，若干个采样及逆变模块20，网络接口30，状态机40及整流模块50。若干个采样及逆变模块20可以理解为三个以上或者至少三个；其中，采样及逆变模块20用于采集伺服电机的电流信号及伺服电机编码器的速度信号、位置信号。每一个采样及逆变模块20对应连接一个伺服电机。图3中只示出了一个伺服电机及一个电机编码器。多轴驱动控制模块10与采样及逆变模块20连接，用于根据输入的控制指令c4对反馈信号d1进行计算，并在计算后输出电流控制信号c2；其中，反馈信号d1包括速度信号和位置信号。采样及逆变模块20还用于根据电流信号、速度信号、位置信号及电流控制信号输出电压控制信号c3；电压控制信号c3用于控制伺服电机的运转。

可以理解，对于多轴驱动控制模块10，采样及逆变模块20的描述可以参照前述实施例，在此不再进一步赘述。

网络接口30与外部芯片(图3未标示)连接以接收输入的控制指令。其中，控制指令可以为位置指令、速度指令、转矩指令等。网络接口40可以通过以太网与外部芯片进行通信连接，还可以通过rs485总线、can总线等通讯方式进行连接。

状态机40与多轴驱动控制模块10连接，用于对多轴驱动控制模块10的计算进行协调。为了使得多轴伺服驱动器的计算效率最快及合理化，通过设置状态机40可协调多轴驱动控制模块10中的核心算法。

整流模块50分别与采样及逆变模块20、多轴驱动控制模块10连接，用于将外部输入的交流电压转变为直流电压输出。

综上，以图3中的多轴伺服驱动器为例，进行原理说明：整流模块50将外部输入的交流电压转变为直流电压输出至多轴驱动控制模块10和采样及逆变模块20，采样及逆变模块20实时采集伺服电机1的电流信号和电机编码器1的速度信号、位置信号；并将反馈信号(电流信号、速度信号和位置信号)反馈给多轴驱动控制模块10，多轴驱动控制模块10在外部指令的控制下对采样及逆变模块20反馈的信号进行计算，并根据计算结果输出电流控制信号c2，采样及逆变模块20在电流控制信号c2的控制下对反馈信号进一步的计算，并输出电压控制信号c3，电压控制信号c3直接输出至伺服电机，从而控制伺服电机的运转。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。