CN206224181U - 一种基于fpga的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，包括电源模块、以FPGA芯片为核心的接口处理器、若干个驱动器接口模块；在使用时，带有绝对编码器的伺服驱动器与其中一个驱动器接口模块中的标准伺服控制接口相连，每个驱动器接口模块分别与接口处理器相连；电源模块为上述各个部件提供所需的电压；接口处理器通过标准的SPI接口与上位装置相连。本实用新型能够对绝对编码器得到的位置反馈数据进行采集，实现高性能位置反馈，具有成本低、使用方便、稳定性高、适用场合广的优点。

Description

一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡

技术领域

本实用新型属于多轴伺服电机驱动***的高性能应用领域，特别涉及一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡。

背景技术

在现代工业机器人驱动***中，电机驱动是一种主流的驱动方式。交流伺服电机以其优良的结构性能、运行安全可靠等特点被广泛应于大、中、小负荷的各类机器人中。在伺服电机驱动***的高精度控制中，编码器是实现位置反馈闭环控制的核心部件，通过接收编码器数据进行电机定位。其位置反馈呈现出实时、高响应、高精度等特点。

通常根据工作原理将编码器分为增量值式编码器和绝对值式编码器。增量值式编码器对外输出A、B相增量脉冲与Z相零位脉冲，通过对脉冲的计数可以确定360°相对角位移和鉴别转向。与增量值式编码器相比，绝对值式编码器以机械位置确定编码，无需零位参考与脉冲计数，抗干扰能力增强，数据可靠性大大提高。

而直接实现增量式位置反馈工业机器人升级为绝对值式位置反馈工业机器人须重新设计运动控制板，成本较高。因此，提供一种兼容传统增量式编码器以及绝对编码器的位置反馈数据接口卡具有重要的实际意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，用以对绝对编码器得到的位置反馈数据进行采集，实现高性能位置反馈，具有成本低、使用方便、稳定性高、适用场合广的优点。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，包括电源模块、以FPGA芯片为核心的接口处理器、若干个驱动器接口模块；在使用时，带有绝对编码器的伺服驱动器与其中一个驱动器接口模块中的标准伺服控制接口相连，每个驱动器接口模块分别与接口处理器相连；电源模块为上述各个部件提供所需的电压；接口处理器通过标准的SPI接口与上位装置相连。

优选的，所述驱动器接口模块包括标准伺服控制接口和信号转换接收电路，所述信号转换接收电路包括线性接收器、数字隔离器和光耦电路，所述线性接收器输入端与标准伺服控制接口相连，输出端与数字隔离器相连，数字隔离器输出端与FPGA芯片相连，所述光耦电路两端分别与标准伺服控制接口、FPGA芯片相连。

优选的，采用专用差分信号驱动器/接收器芯片接收每个伺服驱动器的差分信号，RS-422差分信令接收后经数字隔离器转换送入FPGA信号接口，各类输入输出通用控制信号经光电耦合的形式进行传输。

优选的，所述FPGA采用EP2C5T144芯片，其提供IO口以支持多个驱动器接口模块传输数据信号及各类控制信号，多个通道的信号转换与接收电路可以同时满足多个伺服驱动轴的位置反馈数据应用。

优选的，所述位置反馈数据接口卡还包括时钟电路、外部芯片配置电路，这两个电路分别与以FPGA芯片为核心的接口处理器相连。

优选的，外部时钟采用100MHz晶体振荡器。

优选的，外部芯片配置电路采用EPCS系列串行配置器件。

优选的，所述电源模块为接口卡中各个部件提供稳定的直流电压，包括伺服驱动器所需的24v直流电压、线性接收器所需的+5v电压、FPGA芯片所需的+3.3v***工作电压及其内核+1.2v电压。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、以FPGA芯片作为核心逻辑控制芯片，灵活性强，兼容多种编码器应用，通过SPI连接上位装置，极大地扩展了上位装置的选择。

2、、本实用新型优点在于以较低的成本直接实现增量式位置反馈工业机器人升级为绝对值式位置反馈工业机器人而无须重新设计运动控制板。

3、本实用新型既可作为独立的专用位置反馈数据接口卡，又可集成于多轴工业机器人运动控制卡，从而增强功能。

4、本实用新型通过使用FPGA芯片，充分利用了FPGA引脚数量多的特点，以满足多轴数据反馈的应用，实现了多轴的数据处理高实时性、独立性。

附图说明

图1是本实施例中接口硬件电路结构图。

图2是本实施例中接口软件以单轴为例的功能框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

随着交流伺服***向全数字化的方向发展，数字接口以其高的抗干扰性和低成本被广泛采用，伺服***的控制与反馈接口实现了全面的数字化。为提高位置分辨率、简化结构、降低制造难度与成本，一种通过后备电池保存位置数据的编码器被广泛采用，被称之为“绝对编码器”。从本质上讲，绝对编码器采集位置信息的原理与增量值式编码器是一样的，属于“栅式测量”器件的范畴，其本身是没有绝对位置测量的概念的。绝对编码器集成在伺服电机内部并内置数据存储、回转计数和数字串行接口，通过专用编码器线缆连接电池实现数据的掉电存储，与相应智能驱动器配套使用而对外呈现出与绝对值式编码器相似的效果。绝对编码器具备了分辨率高、原点值可调、回转计数大、脉冲增量信号等优点，应用更加灵活。

鉴于绝对编码器在实际应用中的优点，本实用新型提供一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，包括以FPGA芯片为核心的接口硬件电路，能实时、独立地接收多轴的编码器数据，接口连线集成在伺服驱动器的控制端口中；FPGA芯片实现多轴编码器数据的读取、解析、转换和传输。

所述接口硬件电路实现与伺服驱动器编码器数据接口的电气连接与通信连接，包括：24V控制信号电源，基于RS－422的编码器信号的接收和电平转换通道，I/O控制量通道，适于工业环境应用的信号防护与电气隔离，用于向上位机传输数据的基于SPI协议的4线制通信接口。

具体的，一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，如图1所示，包括FPGA芯片电路、时钟电路、外部芯片配置电路、电源模块、6通道的信号转换接收电路及标准伺服控制接口，时钟电路、外部芯片配置电路以及6通道的信号转换接收电路与FPGA芯片电路相连，电源模块为接口各模块提供稳定的直流电压。

所述FPGA是EP2C5T144芯片，其提供IO口以支持传输6个通道的数据信号及各类控制信号。6个通道的信号转换与接收电路，可以同时满足6个伺服驱动轴的位置反馈数据应用。

FPGA通过标准的SPI接口与上位装置相连。

外部时钟采用了100MHz晶体振荡器。

外部配置电路采用了EPCS系列串行配置器件。

所述电源模块为接口各模块提供稳定的直流电压及功率，包括伺服单元控制端口信号驱动器所需的24v直流电压、线性接口所需的+5v电压、FPGA等芯片所需的的+3.3v***工作电压及其内核+1.2v电压。

每个伺服驱动器的电气连接主要包括，三组RS422标准差分信号A+/A－、B+/B－、Z+/Z－，通用IO信号SEN、ON、ALM及电源、参考地等。差分信号接收采用专用差分信号驱动器/接收器芯片实现，RS422差分信令接收后经数字隔离器转换送入FPGA信号接口。各类输入输出通用控制信号经光电耦合的形式进行传输。

所述绝对编码器数据，既包括实时增量脉冲，又包括绝对值数据，绝对编码器的绝对值位置数据是一串封装完整的字符串，其读取周期与机器人运动插补周期相比是相当长的，无法直接用于实时运行中的位置反馈和绝对指令控制，所以需要进行绝对值数据的转换。在绝对值数据转换的过程中，关键的环节主要有串行字符接收模块、脉冲计数模块、正交脉冲计数模块、数据寄存器组及各信号线驱动环节，如图2所示，上述模块进行数据处理为现有技术。

绝对值位置数据与增量脉冲共用相同的信号传输通道。所述FPGA芯片实现多轴编码器数据读取：当***需完成初始精确定位或位置校正时，即读取绝对值位置数据；当***需完成运行过程中实时位置反馈时，即读取增量脉冲。多轴的位置数据读取各自独立完成，而后经数据解析、转换，以SPI总线方式传输至上位装置。

所述基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，在针对新型绝对编码器的数据协议基础上，兼容传统的增量式编码器。若原机器人的驱动***采用的是增量式编码器的伺服电机，采用本接口后，就可以直接换成带有“绝对编码器”的伺服电机，再读取本接口通过SPI向上提供的数据，获取绝对值数据。机器人的控制器就可以利用这个数据接口提供的数据，实现机器人的定位方式的升级。

本实用新型所述的硬件电路是一块独立的接口卡，可以额外加装在没有位置反馈的机器人或增量式位置反馈的机器人上，实现升级，通过此接口卡对外提供绝对值数据。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，包括电源模块、以FPGA芯片为核心的接口处理器、若干个驱动器接口模块；在使用时，带有绝对编码器的伺服驱动器与其中一个驱动器接口模块中的标准伺服控制接口相连，每个驱动器接口模块分别与接口处理器相连；电源模块为上述各个部件提供所需的电压；接口处理器通过标准的SPI接口与上位装置相连。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，所述驱动器接口模块包括标准伺服控制接口和信号转换接收电路，所述信号转换接收电路包括线性接收器、数字隔离器和光耦电路，所述线性接收器输入端与标准伺服控制接口相连，输出端与数字隔离器相连，数字隔离器输出端与FPGA芯片相连，所述光耦电路两端分别与标准伺服控制接口、FPGA芯片相连。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，采用专用差分信号驱动器/接收器芯片接收每个伺服驱动器的差分信号，RS-422差分信令接收后经数字隔离器转换送入FPGA信号接口，各类输入输出通用控制信号经光电耦合的形式进行传输。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，所述FPGA采用EP2C5T144芯片，其提供IO口以支持多个驱动器接口模块传输数据信号及各类控制信号，多个通道的信号转换与接收电路可以同时满足多个伺服驱动轴的位置反馈数据应用。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，所述位置反馈数据接口卡还包括时钟电路、外部芯片配置电路，这两个电路分别与以FPGA芯片为核心的接口处理器相连。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，外部时钟采用100MHz晶体振荡器。

7.根据权利要求5所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，外部芯片配置电路采用EPCS系列串行配置器件。

8.根据权利要求1所述的基于FPGA的多轴伺服驱动***位置反馈数据接口卡，其特征在于，所述电源模块为接口卡中各个部件提供稳定的直流电压，包括伺服驱动器所需的24v直流电压、线性接收器所需的+5v电压、FPGA芯片所需的+3.3v***工作电压及其内核+1.2v电压。