本實(shí)用新型涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，在對(duì)機(jī)器人的控制中，常采用多臺(tái)單軸伺服級(jí)聯(lián)的方式，對(duì)于每個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)，都分別包括控制板、功率板、外圍接口與電機(jī)，機(jī)器人控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線、脈沖串或者模擬量等控制接口實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電機(jī)的單獨(dú)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的控制。

在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題：第一，在機(jī)器人的控制中，每臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器均包含控制板、功率板和外圍接口，并各自與一個(gè)電機(jī)相連。其中，控制板、功率板和外圍接口之間采用非標(biāo)準(zhǔn)化的自定義接口進(jìn)行信息交互，不具備互換性；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求發(fā)生變化或者某個(gè)零件損壞時(shí)，需要更換整臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器，維護(hù)成本高；第二，在采用多臺(tái)單軸伺服級(jí)聯(lián)的機(jī)器人系統(tǒng)中，每臺(tái)電機(jī)的編碼器均需要單獨(dú)的線纜連接到獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)器，較長(zhǎng)的編碼器線纜容易受到干擾降低系統(tǒng)可靠性，且線纜成本較高。此外，每臺(tái)伺服均需要單獨(dú)的控制接口和外殼，體積也會(huì)相應(yīng)較大，布線復(fù)雜，系統(tǒng)成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)施方式的目的在于提供一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)軸數(shù)、功率、IO數(shù)量的柔性配置和多臺(tái)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)同步控制，并且在滿足機(jī)器人伺服驅(qū)控要求的同時(shí)，減小機(jī)器人控制柜的體積，簡(jiǎn)化布線，降低機(jī)器人伺服系統(tǒng)成本。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的實(shí)施方式提供了一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括：第一伺服控制模塊、N個(gè)伺服功率模塊與至多2N個(gè)電機(jī)；所述第一伺服控制模塊上包括至少N個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口；所述N個(gè)伺服功率模塊分別通過(guò)N個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口與所述第一伺服控制模塊通信連接；所述N個(gè)伺服功率模塊與所述第一伺服控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)通信；其中，每個(gè)所述伺服功率模塊包含兩組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路；所述驅(qū)動(dòng)電路與所述電機(jī)一一對(duì)應(yīng)連接；所述驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

本實(shí)用新型實(shí)施方式相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，第一伺服控制模塊與N個(gè)伺服功率模塊通信連接，每個(gè)伺服功率模塊至多可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。這樣，所述集中式伺服系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的軸數(shù)配置伺服功率模塊的數(shù)量，最多可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2N根軸，有利于提高伺服系統(tǒng)的靈活性。本實(shí)施方式，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)同步控制，并且在滿足機(jī)器人伺服驅(qū)控要求的同時(shí)，可以減小機(jī)器人控制柜的體積，簡(jiǎn)化布線，降低機(jī)器人伺服系統(tǒng)成本。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施方式中，還包括：編碼器接口模塊；所述第一伺服控制模塊上還包括第N+1個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口；所述編碼器接口模塊與所有所述電機(jī)連接；所述編碼器接口模塊還通過(guò)以太網(wǎng)連接至所述第N+1個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口；其中，所述電機(jī)包括編碼器；所述編碼器接口模塊至少包括2N個(gè)編碼器接口；所述編碼器與所述編碼器接口一一對(duì)應(yīng)地連接；所述編碼器接口模塊通過(guò)所述編碼器接口接收所有所述編碼器的反饋數(shù)據(jù)，并將接收的所有所述反饋數(shù)據(jù)組合成一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送至所述第一伺服控制模塊。本實(shí)施方式中，編碼器接口模塊可以放在近電機(jī)側(cè)，例如放在機(jī)器人的本體中，這樣，每個(gè)電機(jī)僅需很短的編碼器線纜即可連接至編碼器模塊，而編碼器接口模塊與第一伺服控制模塊僅通過(guò)一條雙絞線連接即可，可以提高編碼器的抗干擾性能，簡(jiǎn)化接線，降低線纜和接線成本。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施方式中，還包括：所述輸入輸出模塊；所述第一伺服控制模塊上還包括第N+2個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口；所述輸入輸出模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接至所述第N+2個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，用于處理所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所有輸入信號(hào)與輸出信號(hào)，并將處理結(jié)果輸出至所述第一伺服控制模塊。本實(shí)施方式中，可根據(jù)機(jī)器人外圍設(shè)備的需要，選擇連接不同類型的輸入輸出模塊，其中包括模擬量輸入輸出模塊，數(shù)字量輸入輸出模塊等，并可靈活配置輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量和性能，可以提高伺服系統(tǒng)的適應(yīng)性。此外，所述輸入輸出模塊與所述第一伺服控制模塊之間收發(fā)的數(shù)據(jù)通過(guò)自定義的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行交互；這樣，輸入輸出模塊與第一伺服控制模塊僅通過(guò)一條雙絞線連接即可，可以簡(jiǎn)化接線，伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施方式中，編碼器接口模塊與所述第一伺服控制模塊通過(guò)第一雙絞線連接；所述輸入輸出模塊與所述第一伺服控制模塊通過(guò)第二雙絞線連接；所述第一伺服控制模塊還分別通過(guò)所述第一雙絞線、所述第二雙絞線為所述所述編碼器接口模塊、所述輸入輸出模塊供電。本實(shí)施方式中，第一伺服控制系統(tǒng)中的第N+1和N+2個(gè)網(wǎng)口具備以太網(wǎng)供電(Power over Ethernet,PoE)功能，可以通過(guò)第一雙絞線、第二雙絞線分別為編碼器接口模塊、輸入輸出模塊供電，這樣，可以避免在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，額外增加供電線路。編碼器接口模塊與輸入輸出模塊分別僅需一根雙絞線連接第一伺服控制模塊就可以正常工作，提高了系統(tǒng)的易用性。

另外，本實(shí)用新型實(shí)施方式中，所有所述網(wǎng)絡(luò)接口為自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口；在所述集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)初始化階段，所述第一伺服控制模塊根據(jù)與各個(gè)所述網(wǎng)絡(luò)接口連接的模塊類型配置各個(gè)所述網(wǎng)絡(luò)接口的工作模式。本實(shí)施方式中，所有自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口可根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用需要隨意配置接口所連接的模塊類型，并且可以根據(jù)配線方便就近插接，無(wú)需對(duì)號(hào)入座。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型第一實(shí)施方式的集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是根據(jù)本實(shí)用新型第二實(shí)施方式的集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是根據(jù)本實(shí)用新型第二實(shí)施方式的PoE以太網(wǎng)傳輸示意圖；

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型第三實(shí)施方式的集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型第四實(shí)施方式的集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本實(shí)用新型各實(shí)施方式中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒(méi)有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)所要求保護(hù)的技術(shù)方案。

本實(shí)用新型的第一實(shí)施方式涉及一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示，包括：第一伺服控制模塊、N個(gè)伺服功率模塊與至多2N個(gè)電機(jī)。

第一伺服控制模塊上包括至少N個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口100，N個(gè)伺服功率模塊分別通過(guò)N個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口100與第一伺服控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)通信連接。其中，每個(gè)伺服功率模塊至多連接2個(gè)電機(jī)，每個(gè)伺服功率模塊包含兩組獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，上述驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)對(duì)應(yīng)連接，其中，驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)(PowerLink/EtherCAT)與機(jī)器人控制器(主節(jié)點(diǎn))進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。第一伺服控制模塊可以采用SoC(片上系統(tǒng))FPGA控制構(gòu)架。其中，以太網(wǎng)通訊功能通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，而ARM處理器主要用于完成電機(jī)控制算法。

本實(shí)施方式中所使用的ARM處理器性能較高。具體地說(shuō)，參考現(xiàn)用Cortex M4系列ARM芯片，最高頻率168MHz，具有浮點(diǎn)運(yùn)算處理器，在Keil三級(jí)優(yōu)化等級(jí)下執(zhí)行一次單純的位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的計(jì)算需要20us，按照同時(shí)驅(qū)動(dòng)8個(gè)軸，電機(jī)控制算法執(zhí)行時(shí)間小于35us評(píng)估，所選的ARM處理器頻率需要高于800MHz。當(dāng)前，Xilinx系列SoC FPGA可滿足要求，其內(nèi)部集成Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore，頻率高于800MHz。由于本實(shí)施方式在伺服功率模塊的FPGA中構(gòu)建6路互補(bǔ)輸出PWM(脈沖寬度調(diào)制)外設(shè)，第一伺服控制模塊上ARM僅需進(jìn)行電機(jī)控制的相關(guān)計(jì)算，然后輸出PWM占空比信息即可，對(duì)ARM上的高級(jí)定時(shí)器外設(shè)沒(méi)有要求。

具體地說(shuō)，伺服功率模塊可以采用集成化設(shè)計(jì)，每個(gè)伺服功率模塊上集成兩組驅(qū)動(dòng)電路，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)。其中，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)內(nèi)部以太網(wǎng)、PWM產(chǎn)生、電流采樣和過(guò)流保護(hù)等功能，另外，采用一顆AD芯片或者M(jìn)CU對(duì)模塊溫度、電機(jī)溫度、母線電壓等慢速模擬量信號(hào)進(jìn)行采樣。第一伺服控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)下發(fā)每個(gè)模塊的占空比信息，伺服功率模塊將該占空比信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，輸入對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

表1擬采用的功率單元

為增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，驅(qū)動(dòng)電路可以采用AA、BB和AB的組合方式，即，伺服功率模塊分為安裝2個(gè)相同功率單元和2個(gè)不同功率單元兩大類型。相近功率段的AB形式組合選擇相同封裝不同輸出電流的功率單元，如表1所列。

由于L_B1e封裝的6IGBT模塊與L_B1e封裝的PIM價(jià)格相差不大，為減少伺服功率模塊的種類，可用FS25R12W1T4代替FP15R12W1T4/FP10R12W1T4模塊來(lái)兼容2KW功率的功率單元，即3KW以下的伺服單元使用L_B1e封裝的6IGBT模塊，記為A；3KW-6KW的伺服單元使用L_B1c封裝的6IGBT模塊，記為B，則功率單元的組合形式，如表2所示：

表2功率單元組合形式

本實(shí)用新型實(shí)施方式中，第一伺服控制模塊與N個(gè)伺服功率模塊通信連接，每個(gè)伺服功率模塊至多可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。這樣，伺服系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的軸數(shù)配置伺服功率模塊的數(shù)量，最多可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2N根軸，有利于提高伺服系統(tǒng)的靈活性。本實(shí)施方式，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)同步控制，并且在滿足機(jī)器人伺服驅(qū)控要求的同時(shí)，可以減小機(jī)器人控制柜的體積，簡(jiǎn)化布線，降低機(jī)器人伺服系統(tǒng)成本。

本實(shí)用新型的第二實(shí)施方式涉及一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第二實(shí)施方式在第一實(shí)施方式的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：本實(shí)用新型第二實(shí)施方式中，集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括，編碼器接口模塊與輸入輸出模塊。如圖2所示，本實(shí)施方式中，以N取2為例進(jìn)行說(shuō)明。集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：第一伺服控制模塊、兩個(gè)伺服功率模塊、四個(gè)電機(jī)(第1至4個(gè)電機(jī))、一個(gè)編碼器模塊以及一個(gè)輸入輸出模塊。

第一伺服控制模塊上包括四個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，分別是第一網(wǎng)絡(luò)接口101、第二網(wǎng)絡(luò)接口102、第三網(wǎng)絡(luò)接口103以及第四網(wǎng)絡(luò)接口104。兩個(gè)伺服功率模塊分別通過(guò)第一網(wǎng)絡(luò)接口101、第二網(wǎng)絡(luò)接口102與第一伺服控制模塊通信連接。每個(gè)伺服功率模塊可以連接兩個(gè)電機(jī)，其中，每個(gè)伺服功率模塊可以包括兩組驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路與電機(jī)對(duì)應(yīng)連接。編碼器接口模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接至第三網(wǎng)絡(luò)接口103，輸入輸出模塊通過(guò)以太網(wǎng)連接至第四網(wǎng)絡(luò)接口104。

第一網(wǎng)絡(luò)接口101、第二網(wǎng)絡(luò)接口102、第三網(wǎng)絡(luò)接口103以及第四網(wǎng)絡(luò)接口104可以為內(nèi)部專用網(wǎng)絡(luò)接口，用于連接伺服功率模塊、編碼器接口模塊以及輸入輸出模塊。這些接口物理層采用符合IEEE 802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層，數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)實(shí)時(shí)同步要求在FPGA中進(jìn)行簡(jiǎn)化和修改，通訊速率100Mbps。

編碼器接口模塊還與四個(gè)電機(jī)連接。其中，電機(jī)中包括編碼器，編碼器接口模塊可以包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口與四個(gè)編碼器接口，編碼器接口模塊通過(guò)其自身包括的網(wǎng)絡(luò)接口與第一伺服控制模塊的第三網(wǎng)絡(luò)接口103連接，電機(jī)中的編碼器與編碼器接口模塊中的編碼器接口一一對(duì)應(yīng)連接。編碼器接口模塊可以通過(guò)編碼器接口接收所有編碼器的反饋數(shù)據(jù)，例如，所有編碼器的位置信息，并將接收的反饋數(shù)據(jù)組合成一幀以太數(shù)據(jù)幀，發(fā)送至第一伺服控制模塊，其中，每塊編碼器接口模塊最多可同時(shí)采集8個(gè)編碼器的信息。

本實(shí)施方式中的編碼器接口模塊，可以支持現(xiàn)有主流的編碼器類型，包括三種：

(1)通訊式位置編碼器。TAMAGAWA、HEIDENHAIN和Nikon等通訊式編碼器接口均符合485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，硬件電路相同，僅通訊協(xié)議不同，因此這3家的絕對(duì)值編碼器可共用同一種編碼器接口板。

(2)對(duì)于旋變和正余弦編碼器，無(wú)法使用FPGA直接解碼，需要額外的解碼芯片，相互之間無(wú)法兼容，需針對(duì)這兩種編碼器各設(shè)計(jì)一款編碼器接口模塊。

輸入輸出模塊上包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)以太網(wǎng)連接至第一伺服控制模塊的第四網(wǎng)絡(luò)接口。輸入輸出模塊用于處理集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所有的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)，并將處理結(jié)果輸出至第一伺服控制模塊。輸入輸出模塊通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)總線掛接在第一伺服控制模塊上，第一網(wǎng)絡(luò)接口101、第二網(wǎng)絡(luò)接口102、第三網(wǎng)絡(luò)接口103以及第四網(wǎng)絡(luò)接口104可以根據(jù)配線方便任意選擇使用。

輸入輸出模塊內(nèi)部使用FPGA+ADC/DAC的架構(gòu)，對(duì)于只有數(shù)字輸入輸出的模塊，使用1片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)通訊和DIO管理功能。此外，輸入輸出模塊作為PoE的從設(shè)備，可以由第一伺服控制模塊提供24V電源，然后在本地轉(zhuǎn)換為各路所需電源。

編碼器接口模塊與第一伺服控制模塊通過(guò)第一雙絞線連接，輸入輸出模塊與第一伺服控制模塊通過(guò)第二雙絞線連接。第一伺服控制模塊還分別通過(guò)第一雙絞線、第二雙絞線為編碼器接口模塊、輸入輸出模塊供電。具體地說(shuō)，參照IEEE 802af標(biāo)準(zhǔn)，第一伺服控制模塊上的所有網(wǎng)絡(luò)接口均可以設(shè)計(jì)為具備PoE(Power over Ethernet)功能的主設(shè)備，即，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能為連接的設(shè)備提供電源。第一伺服控制模塊可以通過(guò)第一雙絞線、第二雙絞線分別與編碼器模塊、輸入輸出模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還可以通過(guò)第一雙絞線、第二雙絞線分別為編碼器模塊、輸入輸出模塊提供電源，并且提供電源的過(guò)程不會(huì)對(duì)以太網(wǎng)信號(hào)的傳輸造成干擾。這樣，編碼器接口模塊與輸入輸出模塊各自只需要一根雙絞線連接第一伺服控制模塊即可以正常工作，如圖3所示，電源提供設(shè)備301與電源應(yīng)用設(shè)備302通過(guò)空腳303以及信號(hào)腳304連接，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)信號(hào)腳304傳輸，電源提供設(shè)備301通過(guò)空腳303為電源應(yīng)用設(shè)備302供電。

IEEE 802af中所規(guī)定的PoE供電特性參數(shù)為：

(1)電壓在44～57V之間，典型值為48V.

(2)允許最大電流為550mA，最大啟動(dòng)電流為500mA。

(3)典型工作電流為10～350mA，超載檢測(cè)電流為350～500mA。

(4)在空載條件下，最大需要電流為5mA。

(5)為PD設(shè)備提供3.84～12.95W五個(gè)等級(jí)的電功率請(qǐng)求，最大不超過(guò)13W。

本實(shí)施方式中，編碼器接口模塊與輸入輸出模塊依據(jù)現(xiàn)有伺服系統(tǒng)中輸入輸出與編碼器部分進(jìn)行功耗評(píng)估：

編碼器接口模塊中，根據(jù)伺服現(xiàn)用的多摩川17位多圈絕對(duì)值編碼器TS5667N2300手冊(cè)可知，在正常工作模式下，該編碼器5V供電，消耗電流典型值為70mA，最大為110mA，按最大值計(jì)算，每個(gè)編碼器接口模塊最多可帶8個(gè)編碼器，則此時(shí)編碼器消耗的最大功率為8*5*110*10-3＝4.4W；編碼器解碼芯片ADM485(SOIC封裝)，根據(jù)其手冊(cè)可知，最大功耗為450mW，則8軸總共功耗為：3.6W；FPGA、PHY芯片、變壓器、電源轉(zhuǎn)換芯片以及其他功率損耗等總估計(jì)功率按3W計(jì)算，則該編碼器模塊總功耗為4.4+3.6+3＝11W。

輸入輸出模塊中，數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬量輸入和模擬量輸出均按8路計(jì)算。具體地說(shuō)，數(shù)字輸入：按3.3V，每一路5mA計(jì)算，則總功耗為8*3.3*5*10-3＝0.127W；數(shù)字輸出：按3.3V，每一路10mA計(jì)算，則總功耗為8*3.3*10*10-3＝0.254W；模擬輸入輸出：按10V來(lái)計(jì)算，每一路按10mA計(jì)算，則總功耗為4*10*10*10-3＝0.4W；FPGA、PHY芯片、變壓器、電源轉(zhuǎn)換芯片以及其他功率損耗等總估計(jì)功率按3W計(jì)算，則該編碼器模塊總功耗為0.254+0.127+0.4+3＝3.781W。

本實(shí)施方式中，PoE供電電壓可以固定為24V，最大電流可以為500～600ma，根據(jù)以上能耗估算，IEEE 802af中規(guī)定的供電特性可以滿足輸入輸出模塊和編碼器接口模塊的供電要求。此外，根據(jù)IEEE 802af中推薦的使用方法，使用5類、超5類或更好的雙絞線時(shí)，電源不會(huì)對(duì)以太網(wǎng)信號(hào)的傳輸造成干擾。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)中提供了具體工作過(guò)程的參考，大致分為檢測(cè)、設(shè)備分類、開(kāi)始供電、供電和斷電5個(gè)過(guò)程，由于本實(shí)施方式中的設(shè)備為專用設(shè)備，且設(shè)備類型有限而可控，所以本實(shí)施方式中采用連續(xù)供電或者供電-檢測(cè)-供電兩種模式。

第一伺服控制模塊的所有網(wǎng)絡(luò)接口均為自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口，在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)初始化階段，第一伺服控制模塊根據(jù)與各個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口連接的模塊類型配置各個(gè)所述網(wǎng)絡(luò)接口的工作模式。具體地說(shuō)，在第一伺服控制模塊配置階段，F(xiàn)PGA首先識(shí)別所連接的模塊類型，判斷連接模塊是否需要PoE供電，配置完成之后將設(shè)備信息反饋至機(jī)器人控制器，并根據(jù)反饋信息自動(dòng)配置接口的工作模式。本實(shí)施方式中，一套伺服驅(qū)動(dòng)裝置可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多至8個(gè)軸或最多5個(gè)輸入輸出模塊。

例如，當(dāng)?shù)谝凰欧刂颇K上的第一網(wǎng)絡(luò)接口101連接伺服功率模塊時(shí)，第一網(wǎng)絡(luò)接口101可以依據(jù)所連接的伺服功率模塊的實(shí)際需求來(lái)自動(dòng)配置其自身的類型，即，由于伺服功率模塊不需要提供電源，因此，第一網(wǎng)絡(luò)接口101自動(dòng)配置為只提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。?dāng)?shù)谝凰欧刂颇K的第三網(wǎng)絡(luò)接口103連接編碼器接口模塊時(shí)，由于編碼器接口模塊需要提供電源，因此，第三接口模塊103自動(dòng)配置為既可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，又可以提供電源的功能。此外，在實(shí)際配置中，網(wǎng)絡(luò)接口還可以根據(jù)配線方便就近插接，無(wú)需對(duì)號(hào)入座。

本實(shí)用新型實(shí)施方式中，第一伺服控制系統(tǒng)可以通過(guò)第一雙絞線、第二雙絞線分別為編碼器接口模塊、輸入輸出模塊提供電源，避免了額外配置供電模塊，精簡(jiǎn)了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的所有網(wǎng)絡(luò)接口均設(shè)置為自適應(yīng)接口，增加了接口的靈活性，降低了接線的復(fù)雜性，同時(shí)縮短了編碼器和輸入輸出原始信號(hào)的傳輸距離，擁有出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制。并且，可以實(shí)現(xiàn)各接口在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，還能為所連接的設(shè)備提供電源。這樣，編碼器接口模塊與輸入輸出模塊分別通過(guò)一根雙絞線連接伺服控制模塊就可以正常工作。另外，雙絞線具有更好的柔韌性與可靠性，易于布線，且成本相對(duì)較低，同時(shí)，雙絞線采用差分信號(hào)傳輸信息，對(duì)外界的干擾具有很強(qiáng)的抑制作用。

此外，第一伺服控制模塊上還可以包括五個(gè)、六個(gè)等網(wǎng)絡(luò)接口，相應(yīng)的，集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以包括三個(gè)、四個(gè)等伺服功率模塊。上述網(wǎng)絡(luò)接口均為自適應(yīng)的接口，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中需要連接的電機(jī)的數(shù)量，自動(dòng)配置驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)量，并且根據(jù)實(shí)際需要連接的伺服功率模塊的數(shù)量，自動(dòng)配置連接所需的接口的數(shù)量。這樣，提高了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性。

本實(shí)用新型的第三實(shí)施方式涉及一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第三實(shí)施方式在第二實(shí)施方式的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：本實(shí)用新型第三實(shí)施方式中，集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括，有源前端電源模塊。如圖4所示。

有源前端電源模塊通過(guò)數(shù)字量輸入、輸出信號(hào)與第一伺服控制模塊連接，兩個(gè)伺服功率模塊均通過(guò)直流母線連接至電源模塊，當(dāng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電源模塊可以將多余的能量回饋至電網(wǎng)。具體地說(shuō)，有源前端電源模塊包括功率電源與控制電源兩部分。其中，功率電源為伺服功率模塊提供合適的母線電壓，提高功率因數(shù)，同時(shí)，也在電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)將多余的能量回饋至電網(wǎng)。第一伺服控制模塊通過(guò)數(shù)字量輸入、輸出信號(hào)控制電源模塊的啟停，在電源模塊發(fā)生故障時(shí)也通過(guò)輸入輸出信號(hào)通知第一伺服控制模塊采取相應(yīng)措施。控制電源可以選用工業(yè)領(lǐng)域常用的24V電源，為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的控制電路及電機(jī)抱閘供電。

本實(shí)用新型實(shí)施方式中，伺服功率模塊通過(guò)直流母線連接至有源前端電源模塊，當(dāng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)電源模塊將多余的能量回饋至電網(wǎng)，無(wú)需外接制動(dòng)電阻。這樣，可以節(jié)約能量，節(jié)約用電成本，同時(shí)，提高伺服系統(tǒng)的控制性能。

本實(shí)用新型的第四實(shí)施方式涉及一種集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第四實(shí)施方式在第三實(shí)施方式的基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：本實(shí)用新型第四實(shí)施方式中，還包括第二伺服控制模塊以及第2N+1至4N個(gè)電機(jī)。如圖5所示，本實(shí)施方式中以N取2為例進(jìn)行說(shuō)明，即，集中式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還可以包括第二伺服控制模塊以及第5至8個(gè)電機(jī)。

第一伺服控制模塊上還可以包括第5個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口105，第二伺服控制模塊上可以包括第6個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口106。第5個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制接口105與第6個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制接口106相連。第二伺服控制模塊用于控制第5至第8個(gè)電機(jī)。

第5個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口105與第6個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口106可以為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)接口，將同時(shí)支持PowerLink和EtherCAT兩種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。硬件上，EtherCAT鏈路層通常使用ASIC實(shí)現(xiàn)，物理層的PHY芯片無(wú)法與PowerLink兼容，但在SOC模式下，EtherCAT IP核支持RMII接口，兼容Powerlink通信網(wǎng)絡(luò)接口采用的LAN8710 PHY芯片。此外，Powerlink/EtherCAT的FSMC接口僅wait信號(hào)、中斷信號(hào)不一樣，硬件設(shè)計(jì)時(shí)可做成兼容。軟件方面，由于都是通過(guò)SoC FPGA的邏輯實(shí)現(xiàn)，Powerlink/EtherCAT的不一致問(wèn)題較易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)之前經(jīng)驗(yàn)，裁剪后EtherCAT IP所占用資源約為12000～13000個(gè)邏輯單元，4個(gè)M4K RAM；PowerLink IP所占資源約為8000個(gè)邏輯單元，選擇相應(yīng)容量的FPGA芯片即可同時(shí)兼容這兩種總線。應(yīng)用中，在配置階段，根據(jù)機(jī)器人控制器所使用的總線類型選擇相應(yīng)的總線類型即可，無(wú)需設(shè)計(jì)多種伺服控制單元。

第一伺服控制模塊與第二伺服控制模塊通過(guò)第5與第6個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口相連接。第二伺服控制模塊還包括第7網(wǎng)絡(luò)接口、第8網(wǎng)絡(luò)接口、第9網(wǎng)絡(luò)接口以及第10網(wǎng)絡(luò)接口，其中，第二伺服控制模塊通過(guò)第7網(wǎng)絡(luò)接口、第8網(wǎng)絡(luò)接口與兩個(gè)伺服功率模塊連接，第二伺服控制模塊通過(guò)第9網(wǎng)絡(luò)接口與編碼接口模塊連接，通過(guò)第10網(wǎng)絡(luò)接口與輸入輸出模塊連接。第二伺服控制模塊用于控制第5至第8個(gè)電機(jī)。

本實(shí)施方式中，第一伺服控制模塊可以級(jí)聯(lián)第二伺服控制模塊，第二伺服控制模塊與第一伺服控制模塊相類似，可以連接伺服功率模塊、編碼器接口模塊以及輸入輸出模塊，并用于控制電機(jī)。這樣，當(dāng)實(shí)際應(yīng)用中需要更多資源時(shí)，可以通過(guò)第五個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口級(jí)聯(lián)第二個(gè)伺服控制模塊。并且通過(guò)級(jí)聯(lián)第二控制模塊，可以增加網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)量，以滿足實(shí)際需求。

此外，根據(jù)實(shí)際需要，第二伺服控制模塊還可以級(jí)聯(lián)第三伺服控制模塊、第四伺服控制模塊等。

此外，不論是第一伺服控制模塊與機(jī)器人控制器之間的外部以太網(wǎng)總線還是第一伺服控制模塊與伺服功率模塊、輸入輸出模塊、編碼器接口模塊之間的內(nèi)部以太網(wǎng)總線，對(duì)通訊時(shí)間均有一定的要求，具體為：傳輸時(shí)間(包括FPGA處理時(shí)間、PHY處理時(shí)間、信號(hào)傳輸時(shí)間等)要小于最小控制周期，即對(duì)于第5網(wǎng)絡(luò)接口105、第6網(wǎng)絡(luò)接口106是800us，對(duì)于第1至第4網(wǎng)絡(luò)接口，第7至第10網(wǎng)絡(luò)接口是50us。由于以太網(wǎng)工作在全雙工模式，傳輸時(shí)間按照上發(fā)/下發(fā)最大的位數(shù)計(jì)算。收發(fā)通訊數(shù)據(jù)占用CPU的時(shí)間要足夠小，這一時(shí)間加上CPU其他任務(wù)時(shí)間要小于電流環(huán)周期，即50us。

第5及第6工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口可以滿足本實(shí)施方式在通訊時(shí)間上的要求。具體地說(shuō)，依據(jù)之前機(jī)器人應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器人控制器可設(shè)的最小指令周期為800us，控制字節(jié)總數(shù)一般為每軸12字節(jié)，再加轉(zhuǎn)矩和位置前饋各2個(gè)字節(jié)，為每軸16字節(jié)，則6軸+8bit輸入輸出的傳輸字節(jié)總數(shù)為97字節(jié)，此處按100字節(jié)計(jì)算。對(duì)于傳輸時(shí)間而言，100Mbps以太網(wǎng)每bit傳輸時(shí)間為10ns，則機(jī)器人每次下發(fā)數(shù)據(jù)所需的傳輸時(shí)間為10*(100*8+20+60)ns＝14.4us。其中，20ns為幀頭幀間隙值，60ns為SOC包的值；對(duì)于CPU占用時(shí)間而言，根據(jù)PowerLink的CPU占用時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，傳輸上述數(shù)據(jù)所占用CPU的總時(shí)間約為30us(與CPU頻率無(wú)關(guān))。按照每個(gè)電流環(huán)周期為50us計(jì)算，則平均到每個(gè)電流環(huán)的時(shí)間為30/(800/50)＝1.875us。

第1至第4網(wǎng)絡(luò)接口，以及第7至第10網(wǎng)絡(luò)接口的傳輸時(shí)間可以滿足通訊要求，但CPU占用時(shí)間在使用Cortex M4 ARM時(shí)過(guò)長(zhǎng)，如果使用集成Dual-core ARM Cortex-A9 MPCore的SoC FPGA，CPU占用時(shí)間將大幅縮短，可滿足實(shí)時(shí)通訊的需要。具體地說(shuō)，按照現(xiàn)有系統(tǒng)中的現(xiàn)有信號(hào)需求：對(duì)于伺服功率單元，PWM占空比精度16bit，每個(gè)模塊3路，共6路；電流檢測(cè)精度16bit，包括U、V、W相電流和母線電流4路，共8路；加之一些輸入輸出控制信號(hào)和反饋信號(hào)，下發(fā)數(shù)據(jù)量100bit左右，上傳數(shù)據(jù)量140bit左右。對(duì)于編碼器接口模塊，最多同時(shí)連接8個(gè)編碼器，按照當(dāng)前使用的多圈17位絕對(duì)值編碼器計(jì)算，每個(gè)編碼器最多上傳17位單圈信息，16位多圈信息和8位報(bào)警信息，下發(fā)8位指令信息。對(duì)于輸入輸出模塊，以數(shù)據(jù)量最大的8路AI和8路AO模塊進(jìn)行評(píng)估，假設(shè)AD/DA精度16bit，則上傳下發(fā)數(shù)據(jù)均為128bit。對(duì)于傳輸時(shí)間而言，主控與功率單元傳輸時(shí)間約為10*(140+20)＝1.6us，其中20ns為估算的協(xié)議附加的位數(shù)；主控與編碼器接口模塊傳輸時(shí)間為10*(17+16+8+20)*8＝4.88us；主控與輸入輸出模塊傳輸時(shí)間為10*(128+20)＝1.48us。對(duì)于CPU占用時(shí)間而言，功率模塊和編碼器的信息需要在電流環(huán)中斷內(nèi)讀寫(xiě)完成，輸入輸出信息可放在后臺(tái)執(zhí)行。以同時(shí)驅(qū)動(dòng)8臺(tái)電機(jī)的極端條件進(jìn)行評(píng)估，以當(dāng)前使用的Cortex M4的16bit數(shù)據(jù)線的FSMC外設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行一次總線操作時(shí)間約為150ns，對(duì)于單次傳輸非16bit整數(shù)倍的信息需要按照向上取整折算(如編碼器單圈信息17bit)，則CPU占用時(shí)間約為(4*240+8*(32+16*2+16))/16*0.15＝15us。

為提高傳輸效率并考慮擴(kuò)展性，通訊協(xié)議采用：類型+數(shù)據(jù)的形式。如表3所示，不同類型的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不一樣，但都是固定的。類型用來(lái)標(biāo)明不同模塊的數(shù)據(jù)，也可根據(jù)需要增加請(qǐng)求應(yīng)答類型等。

表3：內(nèi)部以太網(wǎng)通訊協(xié)議

協(xié)議需要支持短包傳輸(小于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)最短60字節(jié))，并且采用精簡(jiǎn)幀頭與8位CRC(出錯(cuò)后重啟通訊)。通訊機(jī)制采用ARM觸發(fā)，即ARM下發(fā)數(shù)據(jù)，觸發(fā)主控FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)，各子板卡在接到幀頭以后上發(fā)數(shù)據(jù)。

由以上分析可以看出，本實(shí)施方式中原始信號(hào)的傳輸距離短，可以減少信號(hào)被干擾的幾率，且以太網(wǎng)通訊擁有出錯(cuò)重發(fā)機(jī)制：數(shù)據(jù)在第一次接收到幀頭后，延遲固定的時(shí)刻生效，該時(shí)刻內(nèi)為糾錯(cuò)時(shí)間，若CRC出錯(cuò)，在此段時(shí)間內(nèi)糾正。

值得一提的是，本實(shí)施方式中所涉及到的各模塊均為邏輯模塊，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)邏輯單元可以是一個(gè)物理單元，也可以是一個(gè)物理單元的一部分，還可以以多個(gè)物理單元的組合實(shí)現(xiàn)。此外，為了突出本實(shí)用新型的創(chuàng)新部分，本實(shí)施方式中并沒(méi)有將與解決本實(shí)用新型所提出的技術(shù)問(wèn)題關(guān)系不太密切的單元引入，但這并不表明本實(shí)施方式中不存在其它的單元。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本實(shí)用新型的精神和范圍。