具有分布式运动控制器的交流伺服系统

摘要

一种具有分布式运动控制的交流伺服系统，用以分布式多轴运动的控制，所述系统中的各驱动器包含可程序化的运动控制器，用来执行客制化程序以控制本轴或其他轴马达的动作及输出/输入信号，可经由通讯网路对各轴下载/执行运动程序，编辑各轴参数以及监视各轴状态，驱动器根据需求可设定成主/从(Master/Slave)轴，主轴驱动器执行多轴同动程序，经通讯网路发出路径指令给于从轴，主轴驱动器根据路径指令以及从轴驱动器根据通讯网路所接收的路径指令来计算出各轴的补间命令坐标，使主/从轴马达的运动轨迹符合路径命令要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交流伺服系统，所述系统包含多个马达驱动器，除了传统功能(驱动伺服马达)外，还在马达驱动器内增设运动控制单元，特别适合用来组成分布式多轴运动控制系统。

背景技术

目前多轴运动控制的系统架构都属于集中式控制，也就是都包含上位控制器，经由如下述的传统式配线或高速通讯等方式，控制伺服驱动器进行直线/圆弧等多轴补间运动。

图1为现有技术的多轴运动控制的集中式控制系统的架构图，在所述架构中，伺服驱动器12的多轴补间的命令规划与I/O(输入/输出)14的控制集中由上位控制器16处理，每一轴的信号利用传统配线方式连接到伺服驱动器12。此架构的缺点如下：

(1)成本过高：上位控制器16对应的轴数愈多，所要执行的运算就愈繁重，上位控制器16中的CPU(未绘示)的等级要求就愈高。

(2)轴数有限：伺服驱动器12的轴数受限于CPU的等级与硬件的信道(channel)数目。

(3)配线复杂：上位控制器16与伺服驱动器12间的A/D(模拟/数字)、D/A(数字/模拟)、命令脉波、回授脉波、数字输出入等的配线非常复杂。

(4)分辨率不足：命令信号受限于物理信号，如A/D转换分辨率或脉波频率。

(5)容易受环境干扰：在工厂恶劣的环境下，模拟信号被干扰的机会很大。

(6)维护不易：伺服驱动器12的轴数愈多，相对的配线数量就愈庞大，若系统出问题时，线路检查极为不易。

图2为现有技术的多轴运动控制的高速通讯型控制系统的架构图，所述架构是将图1中上位控制器16与伺服驱动器12的间的命令配线改成图2中的高速通讯网路18，这种高速通讯网路18的配线方式非常简单，而且避免了干扰并提高了分辨率。但由于伺服控制器12本身没有路径命令的补间能力，因此上位控制器16必须送出很密集(1KHz以上)的补间命令给每一轴，才能实现路径的细腻度。网络上除了要实时传送位置与速度命令，也需要传送回授的位置、电流以及I/O状态，当轴数愈多且必须同时监视各轴状态时，网络的数据量变得很大，因此需要高速的网络才能实现，一般在10MHz以上，这样的特性有：

(1)成本更高：高速通讯意味着较容易受噪声干扰，在工厂的恶劣环境下往往必须采用高规格的通讯硬件，如光纤，如此使得成本更提高。

(2)规格特殊：此类高速的实时通讯网路18通常为特殊的工业规格，例如SSC-Net或Sercos.系统必须成套采购，对自行开发系统或有特殊应用需求的客户无法满足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有分布式运动控制器的伺服系统，所述系统包含多个伺服驱动器，运动路径补间由各轴自行计算，降低了网络负荷，可使用标准工业网络降低成本。并提高了系统稳定性高，增加系统的轴数也变得容易。

本发明在于提供一种具有分布式运动控制的交流伺服系统，用以分布式多轴运动控制，所述系统包含：通讯网路；耦接于通讯网路中的主轴(master)驱动器(含马达)；耦接于通讯网路的多个从轴(slave)驱动器(含马达)；经传输线耦接于任一轴驱动器的个人计算机或人机接口；其中，所述主轴驱动器及从轴驱动器均可编写运动控制程序，执行所述程序可控制本轴或多轴的马达的动作及输出/输入的信号，主轴驱动器执行运动程序发出路径指令到所述通讯网路中，所述主轴驱动器根据所述路径指令，以及所述从轴驱动器根据由通讯网路所接收的路径指令来计算出各轴的补间命令，通过所述命令及各轴驱动器的参数值来分别驱动主轴马达及从轴马达的作动。

本发明实现分布式运动控制的方法包含下列步骤：首先，编写主轴驱动器及从轴驱动器的运动控制程序；接着，设定各轴驱动器的操作参数；再者，由主轴驱动器执行运动程序以发出路径指令于通讯网路；然后，从轴从网络接收指令来计算出各自的路径指令；接着，各轴参考各自的操作参数分别驱动主轴马达及从轴马达的动动；最后，各轴执行逻辑程序控制本轴或其他轴的动作，及输出/输入的信号。

本发明在于提供一种具有分布式运动控制的交流伺服系统，系用以分布式多轴运动控制，所述系统包含通讯网路、耦接于所述通讯网路的主轴驱动器及多个从轴驱动器、耦接于所述主轴驱动器的主轴马达、耦接于所述从轴驱动器的多个从轴马达、耦接于任一轴驱动器的个人计算机或人机接口，所述主轴驱动器及所述些从轴驱动器分别包含伺服驱动器组合，所述伺服驱动器组合包含：通讯单元，耦接于所述通讯网路，并可连接所述个人计算机或人机接口进行通讯传输；系统参数与变量单元，储存用来沟通所述伺服驱动器组合内各单元的参数值，所述个人计算机或人机接口经由传输线及所述通讯单元对本轴的系统参数与变量单元的所述参数值进行设定/编辑，或再经由通讯网路对其他轴的系统参数与变量单元的参数值进行设定/编辑；输出入单元，通过所述可程序化逻辑控制程序的编写以设定输出/输入的状态，并将其状态存放在所述系统参数与变量单元；运动控制单元，执行逻辑控制程序，以设定所述输出入单元的输出/输入，执行运动控制程序以控制本轴或多轴的马达的动作，经由所述通讯网路及所述通讯单元下载运动程序，主轴执行所述运动程序以产生运动路径的命令，根据由所述运动控制单元对所述系统参数与变量单元所读取的所述参数值来计算每一取样时间的补间点，并将其储存至所述系统参数与变量单元的运动命令区；以及驱动器控制回路单元，根据所述运动命令区所储存的每一取样时间的补间点及所述系统参数区的设定值来驱动各轴的马达。

附图说明

图1为现有技术的多轴运动控制的集中式控制系统的架构图；

图2为现有技术的多轴运动控制的高速通讯型控制系统的架构图；

图3为本发明的具有分布式运动控制的交流伺服系统的架构图；以及

图4为本发明驱动器的方块图。

主要组件符号说明

12伺服驱动器              14I/O

16上位控制器              18高速通讯网路

30分布式多轴运动控制系统  32通讯网路

34个人计算机或人机接      35传输线36主轴驱动器

38主轴马达                40从轴驱动器

42从轴马达                52伺服驱动器组合

54I/O单元                 56通讯单元

58运动控制单元            60系统参数与变量单元

62驱动器控制回路单元      64RAM

66CPU                     68路径产生器

70运动命令区              72伺服马达

实施方式

以下参照附图说明本发明的的优选实施例。

图3为本发明的具有分布式多轴运动控制的交流伺服系统的架构图。在图3中，分布式多轴运动控制系统30用于多轴控制，所述系统具有通讯网路32，主轴驱动器36耦接于通讯网路32，主轴马达38耦接于主轴驱动器36，多个从轴驱动器40耦接于通讯网路32，多个从轴马达42耦接于从轴驱动器40，个人计算机或人机接口34经传输线35耦接于任一轴驱动器。其中，通讯网路32由CAN总线组成，主轴马达38及从轴马达42为交流伺服马达。

主轴驱动器36及从轴驱动器40中可存储编写的软件控制程序，和设定的各轴驱动器操作参数。主轴驱动器36及从轴驱动器40执行其程序以控制本轴或多轴的马达(如主轴马达38及从轴马达42)的动作及输出/输入的信号。主轴驱动器36及从轴驱动器40经传输线35由个人计算机或人机接口34下载运动程序及设定/编辑的多个参数值。主轴驱动器36执行运动程序以发出路径指令到通讯网路32，主轴驱动器36根据路径指令及从轴驱动器40根据由通讯网路32所接收的路径指令来计算出各轴驱动器的补间命令，这样根据命令及各轴驱动器的参数值分别驱动主轴马达38及从轴马达40的动作。由个人计算机或人机接口34经通讯网路32可监视各轴的状态。

在图3中的主轴驱动器36及从轴驱动器40分别包含有伺服驱动器组合52。如图4为本发明驱动器的方块图。在图4中，伺服驱动器组合52包含有I/O单元54、通讯单元56、运动控制单元58、系统参数与变量单元60及驱动器控制回路单元62。

I/O单元54包括数字输出/入及模拟输出/入，这些输出/入由运动控制单元58设定，输出/入的信号由运动控制单元58负责处理，并将输出/入的状态存放在系统参数与变量单元60中以供其它单元使用。

通讯单元56包括分别为USB/RS-232(485)/CAN等三个总线(未绘示)，其中USB及RS-232(485)可通过传输线35连接个人计算机或人机接口装置34，以供伺服驱动器组合52进行参数设定/编辑与下载运动程序使用，并可实时监视各轴伺服运转的状态；CAN则用来传递主/从轴路径指令与各轴之间的数据交换。

在进行多轴补间的操作中，各站(即各轴)可设定一站号，作为通讯的识别ID，设定方式如下：

  名称    站号(8位元)群组号(4位元)  轴号(4位元)  范围0～F   0～F

站号总共8位(bit)，区分为16个群组(4位)，每一群组包含16轴(4位)，每一群组中轴号＝0的轴作为主轴，其它则为从轴。然而，上述的具体例仅说明本发明多轴补间的操作，并非用来限制本发明的轴数。同一群组内的各轴可以执行多轴补间运动，补间命令统一由主轴下达，从轴则进行补间；对于不执行补间的从轴亦可执行单轴的运动命令。若在一个系统中需要进行N组多轴同时动作，如N台X-Y工作台(Table)，可以将其分配在N个群组即可，各群组的CAN总线可以接在一起，也可以是独立的。

运动控制单元58用来执行运动程序，并产生运动路径，作为驱动器控制回路单元62的命令输入。经由通讯单元56将运动程序下载至运动控制单元58中的RAM64中，所述程序包含有程序代码(code)与数据(data)。运动控制单元58中的CPU66提供的指令除了运算外，还提供可程序逻辑控制(Programmable Logic Control，PLC)指令(如LD/AND/OR/OUT等)。由于运动控制单元58提供多任务(multi-tasking)处理能力，因此可编写可程序逻辑控制程序用于某些操作，而编写运动程序用于其他的操作，而同时执行多任务处理，以便能兼顾运动控制与顺序控制的需求。运动控制单元58中的路径产生器(path generator)68是根据操作模式(位置/速度/扭力)与运动路径(速度/点对点/直线/圆弧运动)来计算出每一取样时间的补间点，然后储存到系统参数与变量单元60的运动命令区70中，驱动器控制回路单元62则从加载运动命令区70中相关的命令(如位置命令P-Cmd、速度命令V-Cmd、电流命令I-Cmd等)来控制伺服马达72的实际动作。在主轴中，路径产生器68的命令由主轴驱动器36的运动程序中的路径指令来指定，从轴则由CAN总线取得主轴驱动器36所发送的命令。

系统参数与变量单元60用来储存系统中的公开信息，以作为各单元间沟通的桥梁。信息包括操作模式(位置/速度/扭力)、轴参数(编码器分辨率)、轴状态(目前位置/速度)、路径参数(加速度时间/目标速度)、运动(Motion)命令(位置/速度/扭力)、DI/O模式(电驿(relay)的AB接点/本机/远程控制)、通讯参数(波特率/站号)等。所述信息还可经由通讯单元56通过传输线35由个人计算机34来读写。

本领域的技术人员所公知的驱动器控制回路单元62为实际控制伺服马达72性能的部分，驱动器控制回路单元62包括位置/速度/扭力(电流)回路，命令平滑滤波器，抗震抑制，PWM输出等等，各回路的增益参数皆定义在系统参数与变量单元60。

如上所述，本发明的运动驱动器的运作方式说明如下：

(A)可程序化：为了省去上位控制器，本发明的运动驱动器必须具备执行运动与逻辑控制程序的能力：

(1)运动程序在运动驱动器的外部的PC上撰写并编译，经由运动驱动器的通讯单元下载至运动控制单元58的RAM64中。

(2)运动程序的执行/停止经由系统参数与变量来设定，所述参数与变量可由操作面板设定，也可经通讯单元由个人计算机或人机接口34来设定的。

(3)经测试正确的运动程序，可以烧录至运动控制58的EEPROM中，以便独立运转(stand alone)。

(4)运动执行的状态可经由通讯单元56读回外部的PC，以便除错。

(B)多轴补间：一个群组有一个主轴以及多个从轴。同一群组可执行补间运动，包含直线/圆弧补间指令，各轴经由通讯网路实现时间同步。多轴补间流程如下：

(1)设定补间参数：主轴的运动程序执行参数指令，选择补间轴/设定补间目标速度/加减速时间，经通讯单元发送至各从轴。

(2)设定补间命令：主轴的运动程序执行补间指令，设定直线(多轴位置)或圆弧命令(半径/角度)，经通讯单元56发送至各从轴。

(3)各轴补间流程：各轴(主轴/从轴)取得自己的补间命令，参考(1)的参数，经由路径产生器计算出每一取样时间的补间命令，存放在系统参数与变量单元的运动命令区中。

(4)各轴的驱动器控制回路单元62读取运动命令区70的命令，实际控制伺服马达的状态。

(C)本轴与他轴的远程I/O动作流程：

(1)首先，在系统参数与变量中的DO(数字输出)来源选择设定本轴部分的DO为本轴的输出，本轴另外部分DO是提供给其他轴的远程输出，本轴所有的DI(数字输入)可同时被本轴或其他轴远程读取。

(2)然后是在系统参数与变量单元60中的DO位置选择，设定本轴其余的DO要由远程哪一轴输出。

(3)本轴与其他轴远程DO的输出流程：执行运动程序(PLC程序)，并写入系统参数与变量单元60的本轴DO状态。

(4)其他轴远程DO输入流程：本轴由通讯单元56读取DO信息，并写入系统参数与变量单元60的远程DO状态。

(5)本轴最终DO输出流程：本轴的I/O单元54根据DO来源选择，去除(3)、(4)中不要的DO，合并(3)、(4)中的其它DO，以得到最终的本轴DO输出。

(6)远程DO输出流程：本轴的I/O单元54根据DO位置选择读取系统参数与变量单元60中的本轴DO状态，找出需要传送至远程其他轴的本轴DO，并由通讯单元传送。

由上述可知本发明的技术特征有下列：

(1)具有分布式控制，CPU运算负担减轻：在多轴控制的场合，补间命令是由各轴自行计算产生，而使用者程序也可以细分成若干小程序，写在个别轴内，针对各自的动作流程来处理。这样的程序比较小巧，维护容易，也可作为模块使用。因此，庞大复杂的程序可分散至各轴，程序空间就不会不足，也可减轻驱动器的CPU负担，让执行运动更快速。

(2)利用通讯网路来做实时数据互通：在不同的轴的间利用通讯网路互相连接，除了可以实现资料交换，也能够实现多轴同动(直线/圆弧补间)的功能。由于此网络具有优先权与实时性，各轴数据交换频繁也不会影响多轴同动的功能，是可靠的通讯网路。在本发明中，各轴的I/O信号可以通过通讯网路来读取，实现远程I/O的目的，如此，轴数愈多，可用的I/O点数就愈多，可以充分利用现有资源来节省成本。

(3)内建完整功能的运动控制器及PLC：将运动控制器内含于驱动器内，意味着不需要外接脉波或模拟命令的配线，除了节省装配时间外，更大的好处是兼顾了高精度与高速运转的需求。传统的系统中，为了实现高精度(或高解析)，必须将编码器的解析变细(17～23位)，但是控制器的脉波频率如果不够快，送出的命令转速就很慢。为了提高转速而设定电子齿轮的倍率，却牺牲定位的分辨率。这样使用高解析的编码器就失去了意义。在模拟命令方面，一般的驱动器的A/D转换约在12位左右，但是有噪声与偏移的问题，如果将运动控制器内含驱动器内则可避开这些问题，还可提升命令分辨率至32位。

(4)客制化/可程序化：使用者可以自行撰写程序，将驱动器的使用方式完全依照自己的需求来定义，包含DI/DO信号的功能，模拟I/O的功能，操作参数的意义，脉波命令的用途等等，皆可赋予新的意义。例如，可将模拟输入1(原为速度命令)更改成控制器的刚性，或是将脉波输入更改成手摇轮或光学尺的输入等等。如此，可充分利用现有资源，省去额外的信号转换接口，让系统更为简化。

(5)网络化的开发环境：以往在多轴系统的开发上，针对各轴设定参数与调机时必须是现场联机，颇为不便。本发明由于使用已有的通讯网路连接各轴，因此只需与其中一轴联机，就可针对任一轴进行参数设定、程序编辑、执行、除错及监控，让使用更人性化。

本发明具有下列优点：

(1)分布式运算：由于计算路径的工作分散给各轴来处理，因此轴数的多寡不影响各轴的CPU的负担。

(2)轴数易增加：分布式架构下仅需增加伺服驱动器即可。

(3)可程序化：驱动器内含运动控制器与PLC，使用者可撰写运动程序与逻辑控制程序。

(4)可客制化：可自由规划设计接口的功能，以符合系统整合的需求。

(5)模块化：运动程序在各轴各自执行，类似的功能可以当作模块使用。

(6)精确度高：上位控制器与驱动器合二为一，因此不需要实体线路来传送命令，提高了命令的精确度与可靠度，也节省成本(省时、省力、省空间、省配线、省钱)。

(7)节省配线：传统配线已被通讯网路取代，配线大幅简化。

(8)节省I/O：上位控制器与驱动器间的沟通信号(如SrvOn、Ready、Alarm、PosOK、ClrCnt)已不再需要，多出来的I/O可作为PLC过程控制使用，且轴数愈多I/O愈多，利用(7)可实现远程I/O的功能。

(9)噪声抵抗佳：已无传统模拟命令，通讯网路采用标准工业网络，抗噪声能力强。

(10)可靠度高：可设计成备用系统，一台故障另一台能做紧急处理或保护。

(11)网络开发环境：可一对多联机，利于系统整体规划开发，提升效率。

虽然本发明参照优选的实施例及示例性的附图进行了描述，但它们不应所述看作是对本发明的限制。本领域的技术人员可对本发明的作出各种修改、删除以及变换，都在本发明的涵盖范围之内。