CN114714353B - 一种协作机器人关节电机驱动电路 - Google Patents
一种协作机器人关节电机驱动电路 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114714353B CN114714353B CN202210373298.5A CN202210373298A CN114714353B CN 114714353 B CN114714353 B CN 114714353B CN 202210373298 A CN202210373298 A CN 202210373298A CN 114714353 B CN114714353 B CN 114714353B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- circuit
- module
- control unit
- signal
- mcu control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 27
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 16
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 28
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 3
- 101000825182 Homo sapiens Transcription factor Spi-B Proteins 0.000 description 2
- 102100022281 Transcription factor Spi-B Human genes 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J17/00—Joints
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J17/00—Joints
- B25J17/02—Wrist joints
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
- B25J9/161—Hardware, e.g. neural networks, fuzzy logic, interfaces, processor
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本申请实施例涉及一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于，包括：DSP数字信号处理器、CAN收发器和EtherCAT从站控制器；DSP数字信号处理器包括CAN接口、第一SPI接口和MCU控制单元，CAN接口和所述第一SPI接口分别与所述MCU控制单元连接；CAN收发器与CAN接口连接用于当协作机器人处于调试阶段时进行所述上位机与MCU控制单元之间的参数交换；EtherCAT从站控制器与第一SPI接口连接，用于当协作机器人处于工作状态时与外部控制器进行位置控制指令的信息交换。本发明通过CAN通信和etherCat两种通信协议分别进行不同阶段的信息传输，实现了对协作机器人机械臂的高精度控制，提高多关节同步率。
Description
技术领域
本申请实施例涉及机器人技术领域，特别是涉及一种协作机器人关节电机驱动电路。
背景技术
在制造业转型升级的时代洪流中，智能机器人将越来越深入我们的工作与生活。而协作机器人，顾名思义，就是机器人与人可以在生产线上协同作战，充分发挥机器人的效率及人类的智能。协作机器人因其在生产工作中的灵活性、高精度性、安全性和良好的感知能力，已然在工业生产制造领域被广泛的投入使用，在未来甚至有投入医疗领域作为医疗设备的发展趋势。
协作机器人的工作原理是将电能转化为机械能，实现4-7自由度的机械臂运动。现有技术中，在实现机械臂高自由度的情况下，往往会以牺牲机械臂的稳定性能作为代价。以常见的6自由度机械臂为例，其包括6个关节模组，每个关节模组接收相应位置指令，并控制该关节旋转相应角度，然而由于各个关节模组之间的通信为串联通信，其接收指令的时间存在先后顺序，这就导致执行该指令的模组也存在先后顺序。加之常见的协作机器人关节模组普遍采用CAN通信或485通信，而这两种通讯协议的通信速度不高，其通信频率最多达到毫秒级别，其同步性能在微秒级别，会降低机械臂对位置指令的跟踪能力，使得机械臂的操作精度不高，动作抖动。
发明内容
本申请实施例提供了一种协作机器人关节电机驱动电路，分别设置CAN通信和etherCat两种通信协议，通过CAN通信进行调试阶段时上位机与MCU控制单元之间的参数交换，通过通信频率较高的EtherCAT协议进行当协作机器人工作时与外部控制器之间的位置相关信息与指令的交换，实现对协作机器人机械臂的高精度控制，提高多关节同步率。
基于上述背景技术问题，本申请实施例提供了一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于，包括：
一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于，包括：
DSP数字信号处理器、CAN收发器和EtherCAT从站控制器；
所述DSP数字信号处理器包括CAN接口、第一SPI接口和MCU控制单元，所述CAN接口和所述第一SPI接口分别与所述MCU控制单元连接；
所述CAN收发器包括外部端口和内部端口，所述外部端口连接上位机，所述内部端口连接所述CAN接口，所述CAN收发器用于当协作机器人处于调试阶段时进行所述上位机与MCU控制单元之间的参数交换；
所述EtherCAT从站控制器包括信号输入端和信号输出端，所述信号输入端与外部控制器信号连接，所述信号输出端与第一SPI接口信号连接；
所述EtherCAT从站控制器用于当协作机器人处于工作状态时，通过所述信号输入端接收所述外部控制器的控制指令，并通过所述信号输出端将该控制指令发送至所述MCU控制单元；
所述EtherCAT从站控制器还用于当协作机器人处于工作状态时，通过所述信号输出端接收所述MCU控制单元输出的位置信息，并通过所述信号输出端将该位置信息发送至所述外部控制器。
进一步地，还包括电机驱动电路；
所述电机驱动电路包括驱动信号输入端和驱动信号输出端，所述驱动信号输入端与所述MCU控制单元信号连接，所述驱动信号输出端与驱动电机相连接；所述电机驱动电路用于接收所述MCU控制单元输出的驱动控制信号并生成三相交流电输出至关节电机。
进一步地，所述电机驱动电路包括MOS逆变电路，所述MOS逆变电路包括MOS管控制器和MOS管，所述MOS管控制器与所述MOS管连接，用于控制所述MOS管的通断；
所述DSP数字信号处理器还包括ePWM模块；
所述ePWM模块一端与所述MCU控制单元信号连接，另一端与所述MOS逆变电路的输入端连接，所述ePWM模块用于接收所述MCU控制单元输出的PWM指令并发送至所述MOS逆变电路。
进一步地，还包括位置传感器模块，所述位置传感器模块包括增量式编码器，绝对值编码器和霍尔传感器；
所述DSP数字信号处理器还包括第二SPI接口、GPIO接口和QEP模块，所述QEP模块一端连接所述MCU控制单元，另一端对外暴露接口；所述第二SPI接口和所述GPIO接口分别与所述MCU控制单元相连接；
所述霍尔传感器的信号输入端连接关节电机的电机轴位置，所述霍尔传感器的信号输出端与所述GPIO接口相连接，所述霍尔传感器用于获取电机轴分辨率60°的绝对角度并通过所述GPIO接口发送至所述MCU控制单元；
所述增量式编码器的信号输入端连接关节电机的电机轴位置，所述增量式编码器的信号输出端与所述QEP模块相连接；所述增量式编码器用于当所述电机轴旋转后获取Z信号并发送脉冲形式的位置信息至QEP模块；
所述QEP模块用于解码所述增量式编码器与所述霍尔传感器输出的信息，获取所述电机轴的绝对位置信息并发送至所述MCU控制单元；
所述绝对值编码器的信号输入端与关节电机的输出轴信号连接，所述绝对值编码器的信号输出端与所述第二SPI接口相连接，所述绝对值编码器用于获取所述输出轴的角度位置信息并通过所述第二SPI接口发送至所述MCU控制单元。
进一步地，还包括模拟量测量模块；
所述DSP数字信号处理器还包括ADC模块；所述ADC模块一端与所述MCU控制单元信号连接，另一端与所述模拟量测量模块信号连接；
所述模拟量测量模块的信号输入端与所述MOS逆变电路的输出端连接，所述模拟量测量模块的输出端与所述ADC模块相连接；所述ADC模块用于获取所述模拟量测量模块输出的模拟量，并将其转换为数字信号发送至所述MCU控制单元。
进一步地，所述模拟量测量模块包括电流检测单元，所述电流检测单元包括放大电路；
所述放大电路的信号输入端与所述MOS逆变电路的下桥臂连接，所述放大电路的输出端与所述ADC模块相连接；所述放大电路用于将所述MOS逆变电路的负电压放大到指定区间并发送至所述ADC模块；所述ADC模块用于获取所述电流检测单元输出的电流模拟量，并将其转换为数字信号发送至所述MCU控制单元。
进一步地，所述电流检测单元还包括比较器；
所述比较器的信号输入端与所述放大电路的信号输出端相连接，所述比较器的信号输出端与所述ADC模块相连接，所述比较器用于当所述放大电路电流值过大时，向所述ADC模块输出比较信号，所述比较信号用于触发所述MCU控制单元停止输出所述PWM指令。
进一步地，所述模拟量测量模块包括电压检测单元，所述电流检测单元包括分压电阻和滤波电路；
所述分压电阻的一端与所述MOS逆变电路的输出端相连接，另一端与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端与所述ADC模块的输入端连接；所述ADC模块用于获取所述电压检测单元输出的电压模拟量，并将其转换为数字信号发送至所述MCU控制单元。
进一步地，所述电源模块包括第一降压电路，第二降压电路，第三降压电路和第四降压电路；
所述第一降压电路的输入端与电源母线相连接，所述第一降压电路的输出端与所述第二降压电路和所述第三降压电路的输入端相连接；所述第四降压电路的输入端与所述第二降压电路的输出端相连接，所述第四降压电路的输出端用于为所述DSP数字信号处理器和所述EtherCAT从站控制器供电；所述第二降压电路的输出端用于为所述CAN收发器、所述电机驱动电路和所述位置传感器模块供电；所述第三降压电路的输出端用于为所述模拟量测量模块供电。
进一步地，所述DSP数字信号处理器为DSP28069M数字信号处理器；
所述EtherCAT从站控制器为LAN9252I/PT从站控制器；
所述CAN收发器为TJA1050T信号收发器。
在本申请实施例中，分别设置CAN通信和etherCat两种通信协议，通过CAN通信进行调试阶段时进行上位机与MCU控制单元之间的参数交换，通过通信频率较高的EtherCAT协议进行当协作机器人工作时与外部控制器之间的位置相关信息与指令的交换，大大提升了机械臂对位置指令的跟踪能力，实现对协作机器人机械臂的高精度控制，提高多关节同步率；同时通过位置传感器获取模块精确的测量电机轴与输出轴的绝对位置，保证了电机工作时的稳定性和精度；通过模拟器测量电路接收驱动电路工作过程中的电流电压反馈，能够实时工作中的机械臂进行操作上的调节，其过电流保护机制也大大提升了驱动电路的安全性。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明
图1为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的电路模块示意图；
图2为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的CAN通讯接口的电路示意图；
图3为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的EtherCAT协议从站控制器的电路示意图；
图4为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的存储器的电路示意图；
图5为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的以太网变压器的电路示意图；
图6为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的电机驱动电路的电路示意图；
图7为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的双路MOS管控制器的示意图；
图8为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的增量式编码器的电路示意图；
图9为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的绝对值编码器的电路示意图；
图10为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的霍尔传感器的电路示意图；
图11为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的电流检测单元的电路示意图；
图12为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的电压检测单元的电路示意图；
图13为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的第一降压电路和第二降压电路的电路示意图；
图14为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的第三降压电路的电路示意图；
图15为在一个示例性的实施例中提供的一种协作机器人关节电机驱动电路的第四降压电路的电路示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例方式作进一步地详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请实施例保护的范围。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
EtherCAT，即以太网控制自动化技术，是一种确定性的工业以太网。EtherCAT通信协定是针对程序资料而进行优化，利用标准的IEEE 802.3以太网帧传递，Ethertype为0x88a4，其资料顺序和网站上设备的实体顺序无关，定址顺序也没有限制。在EtherCAT网络中，当资料帧通过EtherCAT节点时，节点会复制资料，再传送到下一个节点，同时识别对应此节点的资料，进行对应的处理；若节点需要送出资料，也会在传送到下一个节点的资料中***要送出的资料。每个节点接收及传送资料的时间少于1微秒，一般而言只用一个帧的资料就可以供所有的网络上的节点传送及接收资料。在工业应用中，因EtherCAT从站的微处理器不需处理以太网的封包，使得其资料更新时间(周期时间)很短，从而大大提升资料同步性能。
基于背景技术中提到的技术问题及上述EtherCAT通信协定的特性，本申请实施例提供了一种协作机器人关节电机驱动电路，通过CAN通信协议与EtherCAT通信协议两种通信的结合，通过CAN协议进行关节与上位机之间的通信，通过EtherCAT协议进行关节与控制器和编码器之间的通信，提升协作机器人的多关节同步率，防止机械臂动作抖动。
如图1所示，本申请实施例所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，包括DSP数字信号处理器、CAN收发器、EtherCAT从站控制器、模拟量测量模块、位置传感器模块、电机驱动电路和电源模块(图未示)。DSP数字信号处理器对外包括多个接口，包括SPIA接口、SPIB接口、GPIO接口和CAN接口；DSP数字信号处理器还集成有多个数字信号处理模块，包括QEP模块、ADC模块和ePWM模块。每个接口与数字信号处理模块均与DSP数字信号处理器的MCU控制单元信号连接。其中，CAN收发器与CAN接口信号连接；EtherCAT从站控制器与SPIB接口信号连接；模拟量测量模块与ADC模块信号连接；电机驱动电路一端连接关节电机，另一端连接ePWM模块；传感器位置模块与SPIA接口、GPIO接口和QEP模块信号连接；MCU控制单元用于接收外部设备发送的数据以及电路内的模拟量数据，并执行关节驱动算法，输出电机驱动控制信号。电源模块为上述各个模块提供直流供电。
如图2所示，图2为CAN收发器与CAN接口的电路示意图。CAN收发器包括外部端口和内部端口，外部端口连接上位机，接收上位机发送的差分CAN信号CAN_H和CAN_L，并将其转换为可供DSP数字信号处理器读取的电平信号CAN_TX1和CAN_RX4，MCU控制单元通过CAN接口，获取到CAN收发器发送的电平信号将所述电平信号CAN_TX1和CAN_RX4并进行参数读取。同时MCU控制单元通过CAN收发器与CAN接口将本关节电机驱动电路中的相关状态信息反馈至外部上位机。也即，MCU控制单元通过CAN协议实现与上位机的数据交换。在本实施例中，通过CAN收发器交换的数据一般为在协作机器人机械臂调试阶段的相关参数，CAN收发器的型号为TJA1050TCAN收发器。
EtherCAT从站控制器包括信号输入端和信号输出端，信号输入端与外部控制器信号连接，信号输出端与第一SPI接口信号连接；EtherCAT从站控制器用于当协作机器人处于工作状态时，通过所述信号输入端接收所述外部控制器的控制指令，并通过所述信号输出端将该控制指令发送至所述MCU控制单元；EtherCAT从站控制器还用于当协作机器人处于工作状态时，通过所述信号输出端接收所述MCU控制单元输出的位置信息，并通过所述信号输出端将该位置信息发送至所述外部控制器在本实施例中，如图3所示，EtherCAT从站控制器的型号为LAN9252I/PT从站控制器，其芯片包括U1A和U1B两个部分。
在一个优选的实施例中，如图4所示，LAN9252I/PT从站控制器还包括存储器接口EESDA/TMS和EESCL/TCK，用于在接收外部控制器发送的控制信息的同时，也将部分数据在存储器内进行存储。在本实施例中，存储器为CAT24C512YI-GT3 EEPROM，其与LAN9252I/PT从站控制器通过IIC连接。
在一个优选的实施例中，EtherCAT从站控制器还与如图5所示的以太网变压器相连接，用于信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等。本实施例中，以太网变压器的型号为30F-51NL。
如图6所示，图6为电机驱动电路的电路示意图，电机驱动电路包括MOS逆变电路，MOS逆变电路包括MOS管控制器和MOS管，MOS管控制器与所述MOS管连接，用于控制所述MOS管的通断；DSP数字信号处理器还包括ePWM模块；ePWM模块一端与所述MCU控制单元信号连接，另一端与所述MOS逆变电路的输入端连接，ePWM模块用于接收MCU控制单元输出的PWM指令并发送至所述MOS逆变电路。
在本实施例中，如图7所示MOS管控制器包括三个双路MOS管控制器，共控制6个MOS管VT1-6进行三相交流电的调制。双路MOS管控制器的型号为IRS2005STRPBF双路MOS管控制器。
位置传感器模块包括如图8所示的增量式编码器，如图9所示的绝对值编码器和如图10所示的霍尔传感器。
霍尔传感器的信号输入端连接关节电机的电机轴位置，霍尔传感器的信号输出端与GPIO接口相连接，所述霍尔传感器用于获取电机轴分辨率60°的绝对角度并通过GPIO接口发送至MCU控制单元。
增量式编码器的信号输入端连接关节电机的电机轴位置，增量式编码器的信号输出端与QEP模块相连接；增量式编码器用于当电机轴旋转后获取Z信号并发送脉冲形式的位置信息至QEP模块；QEP模块用于解码增量式编码器与所述霍尔传感器输出的信息，获取电机轴的绝对位置信息并发送至MCU控制单元。
绝对值编码器的信号输入端与关节电机的输出轴信号连接，其信号输出端与SPIA相连接；绝对值编码器用于通过SPIA将获取的输出轴位置信息发送至MCU控制单元。
模拟量测量模块包括如图11所示的电流检测单元和如图12所示的电压检测单元。
电流检测单元包括放大电路和比较器；
放大电路的信号输入端与MOS逆变电路的下桥臂连接，用于将MOS逆变电路的负电压放大到指定区间，比较器的信号输入端与放大电路的信号输出端相连接，比较器的信号输出端与ADC模块相连接，比较器用于当放大电路电流值过大时，向ADC模块输出比较信号，比较信号用于触发MCU控制单元停止输出PWM指令。
电压检测单元包括分压电阻和滤波电路；
分压电阻的一端与MOS逆变电路的输出端相连接，另一端与滤波电路的输入端相连接，滤波电路的输出端与ADC模块的输入端连接；ADC模块用于获取电压检测单元输出的电压模拟量，并将其转换为数字信号发送至MCU控制单元。
电源模块包括如图13所示的第一降压电路和第二降压电路，如图14所示的第三降压电路和如图15所示的第四降压电路。
第一降压电路的输入端与电源母线相连接，第一降压电路的输出端与第二降压电路和第三降压电路的输入端相连接；第四降压电路的输入端与第二降压电路的输出端相连接，第四降压电路的输出端用于为DSP数字信号处理器和EtherCAT从站控制器供电；第二降压电路的输出端用于为CAN收发器、电机驱动电路和位置传感器模块供电；第三降压电路的输出端用于为模拟量测量模块供电。
下面将结合一个具体的实施例介绍本申请实施例所述的一种协作机器人关节电机驱动电路及其工作原理。
电源模块一端连接48V的母线电源电压经MURA220T3G超快整流器电源进入同步降压转换器LM5164DATA电路变压为24V，变压后的24V电源分两路，一路经过LMR14020整流电路变为5V，另一路经MC7812ACTG线性稳压管电路变为12V。5V电源经线性稳压管AMS1117-3.3电路变为3.3V。其中，12V直流电用于为DSP数字信号处理器和EtherCAT从站控制器供电，5V直流电压用于为CAN收发器、电机驱动电路和位置传感器模块供电，3.3V直流电用于为模拟量测量模块供电。
当电源模块开始供电后，协作机器人处于调试阶段时，DSP数字信号处理器通过CAN收发器与上位机进行调试阶段的参数交换，当调试阶段结束后，CAN收发器停止参数交换。
位置传感器模块获取电机轴位置和经减速机输出后的输出轴位置。获取电机轴位置目的在于为电机驱动做准备，本实施例中，驱动电机为永磁同步电机，而永磁同步电机需要电机轴绝对位置才能运转。因此，采用增量式编码器与霍尔位置传感器结合的方案获取绝对位置。增量式编码上电是不知道当前绝对位置的，但霍尔位置传感器可提供分辨率60°的绝对位置，即其一圈有6个状态。以此上电时先根据霍尔状态获得一个绝对位置，并以此位置初始化增量式编码器，这样增量式编码器在上电时就能有一个精度在正负30°的绝对位置可供电机驱动使用。电机驱动轴旋转最多一圈后增量式编码器获取Z信号后即可得到精确的绝对位置。获取输出轴位置目的在于进行关节位置控制。因为减速机有一定的回程间隙和形变导致如果直接用电机轴角度换算出来作为输出轴角度精度不高，所以单独用绝对值位置传感器测量输出轴位置。增量式编码器将获取到的以脉冲形式体现的位置信息发送至QEP模块进行解码，解码后的数据发送至MCU控制单元。绝对值编码器将获取到的信息通过SPIA接口发送至MCU控制单元。
当协作机器人处于工作状态时，LAN9252I/PT从站控制器获取外部控制器及编码器输出的控制指令，并发送至MCU控制单元，其中部分控制指令数据在存储器CAT24C512YI-GT3 EEPROM中进行存储；LAN9252I/PT从站控制器同时也接收MCU控制单元发送的驱动电路内部的包括但不限于模拟量数据在内的测量信息并反馈至外部控制器。
此时，MCU控制单元在获取到位置传感器模块发送的相关位置信息，上位机发送的调试参数和LAN9252I/PT从站控制器发送的控制指令后，根据上述信息执行关节驱动算法，生成控制指令并发送至ePWM模块，ePWM模块根据该控制指令生成PWM指令。电机驱动电路根据该PWM指令，通过3个IRS2005STRPBF双路MOS管控制器控制6个MOS管的通断进行PWM调制，将从电源模块获取到的12V直流电转化为三相交流电用以驱动电机。
模拟量测量模块与MOS逆变电路的下桥臂连接，放大电路将负电压电路中的放大器INA240A1PW将电压通过偏执放大到0～3.3V的区间输出至ADC模块。ADC模块将该模拟信号转换为数字信号并发送至MCU控制单元，MCU控制单元可以实时得到三相交流电的相关信号反馈。当三相交流电电流过大时，比较器触发MCU控制单元内部的保护功能，MCU控制单元发送停止PWM输出的控制指令。以此，通过对电机的电流电压检测，实现对电机的控制以及对电机的过流保护。
模拟量测量模块的测量频率与电机的控制频率15k相同，由MCU控制单元的硬件触发，当MCU控制单元控制产生PWM时，即触发ADC模块采集模拟量。
位置传感模块的测量频率与电机控制频率相同，均为15k。通过外部软件控制触发采集位置信息，当ADC模块采集完成后会触发中断软件读取位置传感器结果。
在本申请实施例中，分别设置CAN通信和etherCat两种通信协议，通过CAN通信进行调试阶段时进行上位机与MCU控制单元之间的参数交换，通过通信频率较高的EtherCAT协议进行当协作机器人工作时与外部控制器之间的位置相关信息与指令的交换，大大提升了机械臂对位置指令的跟踪能力，实现对协作机器人机械臂的高精度控制，提高多关节同步率；同时通过位置传感器获取模块精确的测量电机轴与输出轴的绝对位置，保证了电机工作时的稳定性和精度；通过模拟器测量电路接收驱动电路工作过程中的电流电压反馈，能够实时工作中的机械臂进行操作上的调节，其过电流保护机制也大大提升了驱动电路的安全性。
应当理解的是，本申请实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请实施例的范围仅由所附的权利要求来限制。
以上所述实施例仅表达了本申请实施例的几种实施方式，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，在不脱离本申请实施例构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请实施例的保护范围。
Claims (10)
1.一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于，包括：
DSP数字信号处理器、CAN收发器和EtherCAT从站控制器；
所述DSP数字信号处理器包括CAN接口、第一SPI接口和MCU控制单元，所述CAN接口和所述第一SPI接口分别与所述MCU控制单元连接；
所述CAN收发器包括外部端口和内部端口，所述外部端口连接上位机，所述内部端口连接所述CAN接口，所述CAN收发器用于当协作机器人处于调试阶段时进行所述上位机与MCU控制单元之间的参数交换；
所述EtherCAT从站控制器包括信号输入端和信号输出端，所述信号输入端与外部控制器信号连接，所述信号输出端与第一SPI接口信号连接；
所述EtherCAT从站控制器用于当协作机器人处于工作状态时，通过所述信号输入端接收所述外部控制器的控制指令，并通过所述信号输出端将该控制指令发送至所述MCU控制单元；
所述EtherCAT从站控制器还用于当协作机器人处于工作状态时，通过所述信号输出端接收所述MCU控制单元输出的位置信息，并通过所述信号输入端将该位置信息发送至所述外部控制器，所述EtherCAT从站控制器用于通过EtherCAT协议进行关节与外部控制器之间的通信。
2.根据权利要求1所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
还包括电机驱动电路；
所述电机驱动电路包括驱动信号输入端和驱动信号输出端，所述驱动信号输入端与所述MCU控制单元信号连接，所述驱动信号输出端与驱动电机相连接；所述电机驱动电路用于接收所述MCU控制单元输出的驱动控制信号并生成三相交流电输出至关节电机。
3.根据权利要求2所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
所述电机驱动电路包括MOS逆变电路，所述MOS逆变电路包括MOS管控制器和MOS管，所述MOS管控制器与所述MOS管连接，用于控制所述MOS管的通断；
所述DSP数字信号处理器还包括ePWM模块；
所述ePWM模块一端与所述MCU控制单元信号连接，另一端与所述MOS逆变电路的输入端连接，所述ePWM模块用于接收所述MCU控制单元输出的PWM指令并发送至所述MOS逆变电路。
4.根据权利要求3所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
还包括位置传感器模块，所述位置传感器模块包括增量式编码器，绝对值编码器和霍尔传感器；
所述DSP数字信号处理器还包括第二SPI接口、GPIO接口和QEP模块，所述QEP模块一端连接所述MCU控制单元，另一端对外暴露接口；所述第二SPI接口和所述GPIO接口分别与所述MCU控制单元相连接；
所述霍尔传感器的信号输入端连接关节电机的电机轴位置，所述霍尔传感器的信号输出端与所述GPIO接口相连接，所述霍尔传感器用于获取电机轴分辨率60°的绝对角度并通过所述GPIO接口发送至所述MCU控制单元；
所述增量式编码器的信号输入端连接关节电机的电机轴位置，所述增量式编码器的信号输出端与所述QEP模块相连接；所述增量式编码器用于当所述电机轴旋转后获取Z信号并发送脉冲形式的位置信息至QEP模块；
所述QEP模块用于解码所述增量式编码器与所述霍尔传感器输出的信息，获取所述电机轴的绝对位置信息并发送至所述MCU控制单元；
所述绝对值编码器的信号输入端与关节电机的输出轴信号连接，所述绝对值编码器的信号输出端与所述第二SPI接口相连接，所述绝对值编码器用于获取所述输出轴的角度位置信息并通过所述第二SPI接口发送至所述MCU控制单元。
5.根据权利要求4所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
还包括模拟量测量模块；
所述DSP数字信号处理器还包括ADC模块；所述ADC模块一端与所述MCU控制单元信号连接，另一端与所述模拟量测量模块信号连接；
所述模拟量测量模块的信号输入端与所述MOS逆变电路的输出端连接，所述模拟量测量模块的输出端与所述ADC模块相连接；所述ADC模块用于获取所述模拟量测量模块输出的模拟量，并将其转换为数字信号发送至所述MCU控制单元。
6.根据权利要求5所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
所述模拟量测量模块包括电流检测单元，所述电流检测单元包括放大电路；
所述放大电路的信号输入端与所述MOS逆变电路的下桥臂连接，所述放大电路的输出端与所述ADC模块相连接；所述放大电路用于将所述MOS逆变电路的负电压放大到指定区间并发送至所述ADC模块；所述ADC模块用于获取所述电流检测单元输出的电流模拟量，并将其转换为数字信号发送至所述MCU控制单元。
7.根据权利要求6所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
所述电流检测单元还包括比较器；
所述比较器的信号输入端与所述放大电路的信号输出端相连接，所述比较器的信号输出端与所述ADC模块相连接，所述比较器用于当所述放大电路电流值过大时，向所述ADC模块输出比较信号，所述比较信号用于触发所述MCU控制单元停止输出所述PWM指令。
8.根据权利要求5所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
所述模拟量测量模块包括电压检测单元，所述电压检测单元包括分压电阻和滤波电路；
所述分压电阻的一端与所述MOS逆变电路的输出端相连接，另一端与所述滤波电路的输入端相连接，所述滤波电路的输出端与所述ADC模块的输入端连接；所述ADC模块用于获取所述电压检测单元输出的电压模拟量，并将其转换为数字信号发送至所述MCU控制单元。
9.根据权利要求5所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：还包括电源模块；
所述电源模块包括第一降压电路，第二降压电路，第三降压电路和第四降压电路；
所述第一降压电路的输入端与电源母线相连接，所述第一降压电路的输出端与所述第二降压电路和所述第三降压电路的输入端相连接；所述第四降压电路的输入端与所述第二降压电路的输出端相连接，所述第四降压电路的输出端用于为所述DSP数字信号处理器和所述EtherCAT从站控制器供电；所述第二降压电路的输出端用于为所述CAN收发器、所述电机驱动电路和所述位置传感器模块供电；所述第三降压电路的输出端用于为所述模拟量测量模块供电。
10.根据权利要求1所述的一种协作机器人关节电机驱动电路，其特征在于：
所述DSP数字信号处理器为DSP28069M数字信号处理器；
所述EtherCAT从站控制器为LAN9252I/PT从站控制器；
所述CAN收发器为TJA1050T信号收发器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210373298.5A CN114714353B (zh) | 2022-04-11 | 2022-04-11 | 一种协作机器人关节电机驱动电路 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210373298.5A CN114714353B (zh) | 2022-04-11 | 2022-04-11 | 一种协作机器人关节电机驱动电路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114714353A CN114714353A (zh) | 2022-07-08 |
| CN114714353B true CN114714353B (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=82244271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210373298.5A Active CN114714353B (zh) | 2022-04-11 | 2022-04-11 | 一种协作机器人关节电机驱动电路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114714353B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116533269B (zh) * | 2023-07-04 | 2023-09-01 | 珞石（北京）科技有限公司 | 一种协作机器人功能安全硬件架构 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1955868A (zh) * | 2006-09-20 | 2007-05-02 | 哈尔滨工程大学 | 基于dsp的电机位置伺服装置 |
| KR20120130486A (ko) * | 2011-05-23 | 2012-12-03 | 주식회사 로보테크 | 다관절 구동을 위한 다자유도 스마트 제어 장치 및 그 방법 |
| CN102810984A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-12-05 | 电子科技大学 | 一种开关电源电路 |
| CN108789408A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-11-13 | 上海交通大学 | 基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制*** |
| CN109683008A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-04-26 | 无锡厦泰生物科技有限公司 | 一种基于流式细胞仪的apd模块的电压采集电路 |
| CN111740465A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-02 | 歌尔科技有限公司 | 电池充放电检测装置及智能穿戴设备 |
| CN212322611U (zh) * | 2020-07-04 | 2021-01-08 | 严婧文 | 餐厅智能迎宾器 |
| CN113867189A (zh) * | 2021-09-02 | 2021-12-31 | 北京精密机电控制设备研究所 | 高速Glink总线通信伺服控制组件及控制方法 |
-
2022
- 2022-04-11 CN CN202210373298.5A patent/CN114714353B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1955868A (zh) * | 2006-09-20 | 2007-05-02 | 哈尔滨工程大学 | 基于dsp的电机位置伺服装置 |
| KR20120130486A (ko) * | 2011-05-23 | 2012-12-03 | 주식회사 로보테크 | 다관절 구동을 위한 다자유도 스마트 제어 장치 및 그 방법 |
| CN102810984A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-12-05 | 电子科技大学 | 一种开关电源电路 |
| CN108789408A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-11-13 | 上海交通大学 | 基于力矩传感器的协作机器人驱控一体化控制*** |
| CN109683008A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-04-26 | 无锡厦泰生物科技有限公司 | 一种基于流式细胞仪的apd模块的电压采集电路 |
| CN212322611U (zh) * | 2020-07-04 | 2021-01-08 | 严婧文 | 餐厅智能迎宾器 |
| CN111740465A (zh) * | 2020-07-06 | 2020-10-02 | 歌尔科技有限公司 | 电池充放电检测装置及智能穿戴设备 |
| CN113867189A (zh) * | 2021-09-02 | 2021-12-31 | 北京精密机电控制设备研究所 | 高速Glink总线通信伺服控制组件及控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114714353A (zh) | 2022-07-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114714353B (zh) | 一种协作机器人关节电机驱动电路 | |
| CN111740643A (zh) | 基于EtherCAT P总线技术的多轴伺服电机控制***及方法 | |
| CN106411184B (zh) | 一种网络化的多轴电机同步控制装置及方法 | |
| CN109981027A (zh) | 一种基于三芯片架构的伺服驱动器 | |
| CN109324541A (zh) | 运动控制*** | |
| CN109981010A (zh) | 一种电机驱动***及方法 | |
| JP2013156987A (ja) | センサーデータ伝送装置 | |
| CN108983672A (zh) | 一种应用于高精度六自由度光学组件调整机构的控制*** | |
| CN106452231B (zh) | 一种有刷直流电机驱动器及其控制方法 | |
| CN109217738B (zh) | 一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法 | |
| TW201338944A (zh) | 多關節機械手臂之嵌入式無線教導系統 | |
| WO2019120163A1 (zh) | 一种可实现无缝采样的模高指示器及其无缝采样方法 | |
| CN209342878U (zh) | 一种永磁同步电机mtpa参数自动标定*** | |
| US8471515B2 (en) | Apparatus for operating a machine | |
| CN110842950A (zh) | 一种兼容多现场总线协议的驱控一体控制*** | |
| CN105373080A (zh) | 一种基于软总线的协同数控*** | |
| Quan et al. | Design and implementation of multi-axis synchronous motion control system based on CANopen | |
| CN116318508A (zh) | EtherCAT从站伺服同步的装置、方法、电子设备及存储介质 | |
| CN115373302A (zh) | 一种光电望远镜调光调焦电机运动控制机箱 | |
| Xiang et al. | A realization method of cooperative robot servo based on BISS-C encoder | |
| Alshazly et al. | An Embedded System for a Bluetooth Controlled Mobile Robot Based on the ATmega8535 Microcontroller. | |
| Klomp et al. | Development of an autonomous cow-milking robot control system | |
| CN214799339U (zh) | 一种基于线性二次型调节器的永磁同步电机伺服*** | |
| CN219695378U (zh) | 一种基于EtherCAT的伺服对拖测试平台 | |
| WO2024075694A1 (ja) | ロボット制御システムおよびロボット制御方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |