一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置及系统的制作方法

专利名称：一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置及系统的制作方法
技术领域：
一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置及系统技术领域[0001]本实用新型涉及一种传统伺服的网络化连接装置，尤其涉及一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置及系统。
背景技术：
[0002]近年来的伺服驱动技术无论是控制精度还是运行速度上都得到了飞速的发展，但伺服驱动器接口却长期处于脉冲量和模拟信号控制阶段，这种接口方式的通信速率低，控制方式复杂，严重阻碍了高档伺服技术的发展。另一方面，工业控制网络经历了由集散控制到现场总线技术的发展。如今虽然现场总线仍占据这主导地位，但是因为其纷杂的协议标准难以统一，而且数据传输速率较低，越来越难以满足工厂内部智能设备间互联和大量数据传输的要求。[0003]以太网技术凭借其广泛的用户基础、巨大的带宽、灵活的拓扑结构和组网方式等优点逐渐引起人们的关注并开始渗入到工业控制领域，并由此产生了工业以太网技术。由于通过使用以太网技术可以方便的把办公网络和车间网络联系到一起，实现一网到底的整体解决方案，因此该技术一出现便得到了业内的广泛认可，并被认为是将来工业控制网络的最佳解决方案。目前虽然市场上已经有以太网总线的伺服驱动产品，但实际生产中仍然是以脉冲和模拟接口的伺服系统为主体。[0004]为此，本实用新型公开了一种为传统伺服驱动器扩展实时以太网接口的网络化装置，实现了传统伺服的网络化连接，并给出了具体的实现方式和工作方法。实用新型内容[0005]本实用新型针对现在通用的伺服电机驱动器提出一种网络化连接方案，该方案将网络通讯、伺服控制和伺服驱动连接器集成到一个小的装置上，只需将该装置安插在伺服驱动器控制接口上即可为伺服驱动添加工业以太网接口，实现伺服驱动的网络化；该装置除具备实时以太网所具有的特性之外，还能实现定位、回参考点、限位控制等运动控制功能。[0006]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案[0007]一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置，它包括外壳，外壳内设有控制板， 所述控制板包括核心板和伺服驱动接口板两部分，所述核心板通过伺服接口板插针与伺服驱动接口板活动连接；所述外壳采用两半式结构，中间通过卡扣连接；所述外壳上分别设有与核心板上的网口、端子排及伺服插头相配合的开口 ；所述外壳内壁上设有与核心板相配合的滑槽，所述外壳底部还设有散热孔。[0008]所述核心板的一侧设有两个网口，另一侧设有端子排插座，在网口和端子排插座之间依次设有两个网络变压器，两个物理层芯片和一个FPGA，所述核心板上还设有一片 RAM 和一片 FLASH。[0009]所述伺服驱动接口板上端设有伺服接口板插针，下端为伺服插头，在伺服接口板插针和伺服插头间设有通讯扩展模块，所述通讯扩展模块采用Mini USB接口，通过RS485 或USB协议芯片并经伺服接口板插针与核心板上的FPGA相连。[0010]所述外壳两侧还设有两个与伺服驱动器匹配的螺栓孔，并通过螺栓连接到伺服驱动器上。[0011]所述端子排插座设有限位、回零、抱闸和通用输入接口。[0012]一种实现非网络伺服的以太网网络化连接系统，它包括主机，主机通过网线与若干个以太网网络化连接装置的网口连接，所述以太网网络化连接装置通过伺服插头直接安插在伺服驱动器控制接口上。[0013]本实用新型的详细技术方案如下[0014]以太网网络化连接装置分为外壳和控制板两个部分，其中外壳采用两半式结构， 中间通过卡扣连接，拆卸方便。壳体内部设有导向槽，用来实现对电路板的定位。本装置上设有电机口、网口、扩展口等模块以满足该装置对不同控制功能的要求。外壳底部采用网格设计，以方便内部电子元件的散热。[0015]控制板包括核心板和伺服驱动接口板两个模块，模块之间使用双排插针(即伺服接口板插针)进行连接并以此完成数据交换，整个控制板由壳体内部的导向槽进行定位。壳体两侧设有螺栓固定孔，因此在该模块在通过伺服插头安插到伺服驱动器之后还可以用螺栓固定，从而使连接稳定可靠。[0016]核心板上配置有一片FPGA (Field programmable Gate Array)芯片和两个以太网物理层协议芯片。SOPC (System on a Programmable Chip)技术的灵活性使得核心板可以在不改变核心板硬件的前提下，通过重新配置FPGA程序实现不同类型的以太网协议。为保证足够大程序运行空间核心板上外扩有一片RAM (Random Access Memory)和一片程序存储Flash。双网口的设计方案使该实用新型可以支持不同的网络拓扑结构；端子排则为用户提供了限位、回零、抱闸和通用10输入的功能。[0017]伺服驱动接口板直接安插到伺服驱动器控制接口上。为满足伺服电机位置控制、 速度控制和转矩控制的不同要求，接口板可分为脉冲控制和模拟量控制两种类型。根据不同厂家伺服驱动器控制接口定义的不同，接口板上的伺服接头的引脚定义略有变化。实际使用过程中，针对不同的伺服系统，只需更换与该品牌驱动器相匹配的伺服驱动接口板即可实现对不同伺服系统的网络化连接。[0018]伺服驱动接口板上设有一个串行通讯扩展模块，外部采用Mini USB接口，经 RS485或USB协议芯片并通过活动连接插针即伺服接口板插针与核心板的FPGA相连，通过为FPGA添加不同协议的IP核(Intellectual Property Core)使得该模块可以支持RS485/ USB等通讯协议。该接口可以采用外部连线的方式与驱动器通讯接口相连，从而实现对驱动器的可视化调试、参数的远程配置和故障的远程诊断，保证伺服系统的最优化运行。[0019]本实用新型采用以上技术方案，具有以下技术优点[0020]1、不需要对伺服驱动器硬件做任何改动，只要在伺服驱动器电机控制口上安装以太网网络化连接装置即可为通用伺服添加工业以太网接口，实现网络化连接，实现方式简单灵活。并且该装置设计紧凑、体积小，对原有驱动器外形几乎没有影响，并且紧凑的设计更有利于机械连接的可靠性。[0021]2、外壳采用卡扣式连接的方式，便于拆装；另外，丰富的接口可以满足不同的控制要求。壳体内部设有导向槽，可以对内部的控制板进行定位；外壳底部的散热孔设计便于控制板上电子元件的散热。[0022]3、伺服驱动接口板用插卡式的连接代替了传统的电机线，连接方式更加方便可靠；并且因为减少了中间的接线环节，可以使系统整体的可靠性增强。[0023]4、核心板上的双网口设计增加了组网灵活性，可以根据不同的需求可实现链状、 环形和星型等多种网络拓扑结构。[0024]5、采用核心板和伺服驱动接口板相分离的模块化设计，中间用插针连接，方便拆卸；针对不同的应用中只需为FPGA配置不同的协议栈或更换伺服驱动接口板即可实现对不同伺服驱动器的网络化控制。基于FPGA的设计架构增加了系统的灵活性，通过为FPGA 配置不同的程序即可实现不同协议类型的实时以太网方案。[0025]6、针对不同的伺服驱动器，伺服驱动接口板设有通讯扩展模块，通过该模块可以对伺服系统的参数进行远程配置并能实现对电机状态的远程监控和故障诊断。


[0026]图Ia为传统伺服控制连接方式示意图[0027]图Ib为本实用新型连接方式示意图[0028]图加为本实用新型的外形结构示意图；[0029]图2b为本实用新型的控制板结构示意图；[0030]图3为外壳内部结构示意图；[0031]图4为核心板结构示意图；[0032]图5为伺服接口板结构示意图；[0033]图6a为链状网络拓扑结构连接图；[0034]图6b为环形网络拓扑结构连接图；[0035]图6c为星型网络拓扑结构连接图；[0036]图7为实现方案的层次结构图；[0037]其中1、装有运动控制卡的工业计算机，2、伺服控制线缆，3、伺服驱动器，4、伺服连接端子，5、标准网线，6、以太网网络化连接装置，7、工业计算机，21、外壳，22、通讯扩展模块接口，23、网口，24、散热孔，25，连接螺栓，26、伺服驱动器接口，27、核心板，28、伺服驱动接口板，29、伺服接口板插针，30、伺服接口板插座；31、导向槽，32、卡扣；42、网络变压器，43、物理层芯片，44、FPGA，45、Flash，46、RAM，47、IO端子排插座；51、伺服插头，52、 通讯扩展模块，53、信号转换芯片。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图对本实用新型进行详细的描述。[0039]如图Ia所示为传统的伺服控制连接方式示意图，装有运动控制卡的工业计算机1 通过伺服控制线缆2和与伺服连接端子4相连，伺服连接端子4直接与伺服驱动器3相连； 如图Ib所示为本实用新型连接方式示意图，该图通过将以太网网络化连接装置6直接安插到伺服驱动器3上，从而可以方便地为伺服驱动器添加上实时以太网连接功能，并通过标准网线5直接与标准工业计算机7相连；图Ib的这种方式取代了传统的图Ia中在主机箱内添加PCI运动控制卡的模式，用标准网线5代替了复杂的伺服控制线缆2和伺服连接端子4，简化了系统结构。[0040]如图加和图2b所示，该实用新型装置分为外壳和控制板两部分，装置上设有伺服驱动器接口 26、通讯扩展模块接口 22和网口 23，以满足该装置对不同控制板外设的要求。 其中外壳21采用两半式结构，两半壳体之间通过卡扣32进行连接，拆卸方便，连接可靠，如图3所示。壳体内部设有导向槽31，以此实现控制板的定位。外壳21的底部采用散热孔 24设计，方便壳内电子元件的散热。整个模块通过50芯的SCSI伺服插头51安插在伺服驱动器3控制接口上，并经过两侧的螺栓孔进行固定。[0041]控制板包括核心板27和伺服驱动接口板观两个模块，其结构分别如图4、图5所示。伺服驱动接口板插针四可以直接安插在伺服接口板插座30上。伺服驱动接口板观和核心板27两个模块间通过伺服驱动接口板插针四进行数据交换。整个控制板通过壳体内部的导向槽31与外壳21连接定位，再由伺服驱动接口沈直接安插到伺服驱动器3上， 并使用外壳21两侧的连接螺栓25进行固定。因此该装置可以在不改变原有驱动器硬件结构的基础上实现对通用伺服的网络化连接。在实际使用中，针对不同的伺服驱动器3，无需对核心板27做任何改变，只要更换与该伺服驱动器3相匹配的伺服驱动接口板观即可实现与不同型号驱动器连接。[0042]核心板27上配置有两个网口 23，两个网络变压器42，两个物理层芯片43，一片 FPGA芯片44，一片程序存储器flash 45，一片外扩RAM 46、伺服接口板插座30和IO端子排47 ；核心板27主要完成以太网数据收发、协议解析、电机和IO控制等功能。其中FPGA 负责几乎所有的数据运算以及逻辑处理任务，flash 45用于存放FPGA 44的配置程序，外扩的RAM 46作为对FPGA片内RAM的拓展用来为应用程序提供更大的运行空间。通过配置不同的FPGA程序，核心板27可以实现不同的工业以太网协议；鉴于片上可编程系统的灵活性，可以方便地在FPGA的软核中实现电机控制、参数调节等应用层程序。而双网口的设计结构更易于组网，可方便实现链状、环形、星型等网络拓扑结构，结构更为灵活，如图6a和图6b所示。IO端子排47设有限位、回零、抱间和通用输入等基本的运动控制接口。[0043]根据不同的伺服控制方式，伺服驱动接口板观可以分为位置控制(脉冲加符号方式)和模拟量控制两种类型。位置控制方式中伺服驱动接口板观接收来自核心板27的脉冲和方向信号，经伺服驱动接口板观的信号转换芯片53后发送给电机驱动器实现电机控制；模拟量控制方式中伺服驱动接口板观与核心板27之间通过串行总线通讯，经接口板上的DA芯片将控制数据转化为模拟电压控制电机动作；电机执行结果的编码器信息通过接口板返回到核心板27的FPGA中，配合应用层程序实现PID调节等算法。除电机控制模块之外，伺服驱动接口板观上还有一个通讯扩展模块52。该模块可以通过外部连线连接到驱动器的通讯接口上，针对不同的伺服驱动类型，通过在FPGA中添加相应的接口协议IP核即可实现相应的协议转换，从而实现对电机参数的远程配置和对电机状态的远程监控及其故障诊断。[0044]该装置的系统层次结构如图7所示。系统运行过程中，网线上的电平信号经过变压器之后传递到PHY芯片中，比特流在PHY芯片中进行解码并转化后发送给FPGA。FPGA中的网络控制模块在接收到来自底层的数据包后按照相应的协议对其进行解析，并将应用数据提取之后存放在双端口 RAM中等待应用层程序读取；应用层程序根据协议要求从相应内存地址中获取控制数据，实现对各个外设模块的操作。FPGA控制的外设主要包括电机控制、IO控制和通讯扩展等模块。电机控制模块将从网络上获取的控制信息转化为脉冲或者模拟信号控制电机动作，于此同时，FPGA程序实时读取电机编码器状态，并在节点间同步的时刻将编码器状态锁存后置于双端口 RAM中，等待总线周期到来时上传到主节点。IO控制模块负责监控执行机构的限位状态、回零开关状态、控制电机使能、清除电机报警信息等任务。伺服驱动接口板观的串行通讯扩展模块52预先配置有不同物理层协议芯片，通过为FPGA添加不同协议的IP核实现RS485/USB等协议。该模块可以通过外部连线与驱动器通讯接口相连，实现对驱动器的可视化调试、参数的远程配置和故障的远程诊断，从而保证伺服系统的最优化运行。实施例1 根据专利所述，该装置上实现了一种新型的工业实时以太网KherMAC(Ethernet for Manufacture Automation Control),可支持多达 254 个从节点，在不需要任何中继的情况下节点间的最大传输距离可以到100米，采用专利“一种实现以太网链状网络节点间同步的装置和方法”(专利号ZL200710014419. 2)所述的同步对时方式，可在节点间能获得小于士 100ns的同步精度。实施例2 在核心板FPGA中加载Powerlink从站IP核，配合不同的伺服驱动接口板，即可实现一个支持Powerlink的标准伺服从站。实施例3 在核心板FPGA中加载EtherCAT从站IP核，或者在核心板上添加
EtherCAT以太网芯片，再配合不同的伺服驱动接口板可以为通用伺服添加上肚herCAT接□。上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
权利要求1.一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置，其特征是，它包括外壳，外壳内设有控制板，所述控制板包括核心板和伺服驱动接口板两部分，所述核心板通过伺服接口板插针与伺服驱动接口板活动连接；所述外壳采用两半式结构，中间通过卡扣连接；所述外壳上分别设有与核心板上的网口、端子排及伺服插头相配合的开口 ；所述外壳内壁上设有与核心板相配合的滑槽，所述外壳底部还设有散热孔。
2.如权利要求书1所述的一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置，其特征是， 所述核心板的一侧设有两个网口，另一侧设有端子排插座，在网口和端子排插座之间依次设有两个网络变压器，两个物理层芯片和一个FPGA，所述核心板上还设有一片RAM和一片 FLASH。
3.如权利要求书1所述的一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置，其特征是， 所述伺服驱动接口板上端设有伺服接口板插针，下端为伺服插头，在伺服接口板插针和伺服插头间设有通讯扩展模块，所述通讯扩展模块采用Mini USB接口，通过RS485或USB协议芯片并经伺服接口板插针与核心板上的FPGA相连。
4.如权利要求书1所述的一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置，其特征是， 所述外壳两侧还设有两个与伺服驱动器匹配的螺栓孔，并通过螺栓连接到伺服驱动器上。
5.如权利要求书1所述的一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置，其特征是， 所述端子排插座设有限位、回零、抱间和通用输入接口。
6.一种采用如权利要求1所述的实现非网络伺服的以太网网络化连接装置的连接系统，其特征是，它包括主机，主机通过网线与若干个以太网网络化连接装置的网口连接，所述以太网网络化连接装置通过伺服插头直接安插在伺服驱动器控制接口上。
专利摘要本实用新型公开了一种实现非网络伺服的以太网网络化连接装置及系统，它包括外壳，外壳内设有控制板，所述控制板包括核心板和伺服驱动接口板两部分，所述核心板通过伺服接口板插针与伺服驱动接口板活动连接；所述外壳采用两半式结构，中间通过卡扣连接；所述外壳上分别设有与核心板上的网口、端子排及伺服插头相配合的开口；所述外壳内壁上设有与核心板相配合的滑槽，所述外壳底部还设有散热孔。该实用新型将网络通讯、伺服控制和伺服驱动连接器集成到一个小的模块上，无需对驱动器做任何修改，将其安插在通用伺服驱动器的控制接口上即可为通用伺服驱动添加实时以太网通讯功能，取代原有传统伺服接口复杂的连线方式实现系统的网络化连接。
文档编号H04L12/46GK202334575SQ20112047072
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者姬帅, 张承瑞, 张鲁闽 申请人:济南凌康数控技术有限公司