一種基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡的製作方法

2023-06-08 19:10:51

本實用新型屬於多軸伺服電機驅動系統的高性能應用領域，特別涉及一種基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡。

背景技術：

在現代工業機器人驅動系統中，電機驅動是一種主流的驅動方式。交流伺服電機以其優良的結構性能、運行安全可靠等特點被廣泛應於大、中、小負荷的各類機器人中。在伺服電機驅動系統的高精度控制中，編碼器是實現位置反饋閉環控制的核心部件，通過接收編碼器數據進行電機定位。其位置反饋呈現出實時、高響應、高精度等特點。

通常根據工作原理將編碼器分為增量值式編碼器和絕對值式編碼器。增量值式編碼器對外輸出A、B相增量脈衝與Z相零位脈衝，通過對脈衝的計數可以確定360°相對角位移和鑑別轉向。與增量值式編碼器相比，絕對值式編碼器以機械位置確定編碼，無需零位參考與脈衝計數，抗幹擾能力增強，數據可靠性大大提高。

而直接實現增量式位置反饋工業機器人升級為絕對值式位置反饋工業機器人須重新設計運動控制板，成本較高。因此，提供一種兼容傳統增量式編碼器以及絕對編碼器的位置反饋數據接口卡具有重要的實際意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡，用以對絕對編碼器得到的位置反饋數據進行採集，實現高性能位置反饋，具有成本低、使用方便、穩定性高、適用場合廣的優點。

本實用新型的目的通過以下的技術方案實現：

一種基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡，包括電源模塊、以FPGA晶片為核心的接口處理器、若干個驅動器接口模塊；在使用時，帶有絕對編碼器的伺服驅動器與其中一個驅動器接口模塊中的標準伺服控制接口相連，每個驅動器接口模塊分別與接口處理器相連；電源模塊為上述各個部件提供所需的電壓；接口處理器通過標準的SPI接口與上位裝置相連。

優選的，所述驅動器接口模塊包括標準伺服控制接口和信號轉換接收電路，所述信號轉換接收電路包括線性接收器、數字隔離器和光耦電路，所述線性接收器輸入端與標準伺服控制接口相連，輸出端與數字隔離器相連，數字隔離器輸出端與FPGA晶片相連，所述光耦電路兩端分別與標準伺服控制接口、FPGA晶片相連。

優選的，採用專用差分信號驅動器/接收器晶片接收每個伺服驅動器的差分信號，RS-422差分信令接收後經數字隔離器轉換送入FPGA信號接口，各類輸入輸出通用控制信號經光電耦合的形式進行傳輸。

優選的，所述FPGA採用EP2C5T144晶片，其提供IO口以支持多個驅動器接口模塊傳輸數據信號及各類控制信號，多個通道的信號轉換與接收電路可以同時滿足多個伺服驅動軸的位置反饋數據應用。

優選的，所述位置反饋數據接口卡還包括時鐘電路、外部晶片配置電路，這兩個電路分別與以FPGA晶片為核心的接口處理器相連。

優選的，外部時鐘採用100MHz晶體振蕩器。

優選的，外部晶片配置電路採用EPCS系列串行配置器件。

優選的，所述電源模塊為接口卡中各個部件提供穩定的直流電壓，包括伺服驅動器所需的24v直流電壓、線性接收器所需的+5v電壓、FPGA晶片所需的+3.3v外圍工作電壓及其內核+1.2v電壓。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

1、以FPGA晶片作為核心邏輯控制晶片，靈活性強，兼容多種編碼器應用，通過SPI連接上位裝置，極大地擴展了上位裝置的選擇。

2、、本實用新型優點在於以較低的成本直接實現增量式位置反饋工業機器人升級為絕對值式位置反饋工業機器人而無須重新設計運動控制板。

3、本實用新型既可作為獨立的專用位置反饋數據接口卡，又可集成於多軸工業機器人運動控制卡，從而增強功能。

4、本實用新型通過使用FPGA晶片，充分利用了FPGA引腳數量多的特點，以滿足多軸數據反饋的應用，實現了多軸的數據處理高實時性、獨立性。

附圖說明

圖1是本實施例中接口硬體電路結構圖。

圖2是本實施例中接口軟體以單軸為例的功能框圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限於此。

隨著交流伺服系統向全數位化的方向發展，數字接口以其高的抗幹擾性和低成本被廣泛採用，伺服系統的控制與反饋接口實現了全面的數位化。為提高位置解析度、簡化結構、降低製造難度與成本，一種通過後備電池保存位置數據的編碼器被廣泛採用，被稱之為「絕對編碼器」。從本質上講，絕對編碼器採集位置信息的原理與增量值式編碼器是一樣的，屬於「柵式測量」器件的範疇，其本身是沒有絕對位置測量的概念的。絕對編碼器集成在伺服電機內部並內置數據存儲、迴轉計數和數字串行接口，通過專用編碼器線纜連接電池實現數據的掉電存儲，與相應智能驅動器配套使用而對外呈現出與絕對值式編碼器相似的效果。絕對編碼器具備了解析度高、原點值可調、迴轉計數大、脈衝增量信號等優點，應用更加靈活。

鑑於絕對編碼器在實際應用中的優點，本實用新型提供一種基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡，包括以FPGA晶片為核心的接口硬體電路，能實時、獨立地接收多軸的編碼器數據，接口連線集成在伺服驅動器的控制埠中；FPGA晶片實現多軸編碼器數據的讀取、解析、轉換和傳輸。

所述接口硬體電路實現與伺服驅動器編碼器數據接口的電氣連接與通信連接，包括：24V控制信號電源，基於RS－422的編碼器信號的接收和電平轉換通道，I/O控制量通道，適於工業環境應用的信號防護與電氣隔離，用於向上位機傳輸數據的基於SPI協議的4線制通信接口。

具體的，一種基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡，如圖1所示，包括FPGA晶片電路、時鐘電路、外部晶片配置電路、電源模塊、6通道的信號轉換接收電路及標準伺服控制接口，時鐘電路、外部晶片配置電路以及6通道的信號轉換接收電路與FPGA晶片電路相連，電源模塊為接口各模塊提供穩定的直流電壓。

所述FPGA是EP2C5T144晶片，其提供IO口以支持傳輸6個通道的數據信號及各類控制信號。6個通道的信號轉換與接收電路，可以同時滿足6個伺服驅動軸的位置反饋數據應用。

FPGA通過標準的SPI接口與上位裝置相連。

外部時鐘採用了100MHz晶體振蕩器。

外部配置電路採用了EPCS系列串行配置器件。

所述電源模塊為接口各模塊提供穩定的直流電壓及功率，包括伺服單元控制埠信號驅動器所需的24v直流電壓、線性接口所需的+5v電壓、FPGA等晶片所需的的+3.3v外圍工作電壓及其內核+1.2v電壓。

每個伺服驅動器的電氣連接主要包括，三組RS422標準差分信號A+/A－、B+/B－、Z+/Z－，通用IO信號SEN、ON、ALM及電源、參考地等。差分信號接收採用專用差分信號驅動器/接收器晶片實現，RS422差分信令接收後經數字隔離器轉換送入FPGA信號接口。各類輸入輸出通用控制信號經光電耦合的形式進行傳輸。

所述絕對編碼器數據，既包括實時增量脈衝，又包括絕對值數據，絕對編碼器的絕對值位置數據是一串封裝完整的字符串，其讀取周期與機器人運動插補周期相比是相當長的，無法直接用於實時運行中的位置反饋和絕對指令控制，所以需要進行絕對值數據的轉換。在絕對值數據轉換的過程中，關鍵的環節主要有串行字符接收模塊、脈衝計數模塊、正交脈衝計數模塊、數據寄存器組及各信號線驅動環節，如圖2所示，上述模塊進行數據處理為現有技術。

絕對值位置數據與增量脈衝共用相同的信號傳輸通道。所述FPGA晶片實現多軸編碼器數據讀取：當系統需完成初始精確定位或位置校正時，即讀取絕對值位置數據；當系統需完成運行過程中實時位置反饋時，即讀取增量脈衝。多軸的位置數據讀取各自獨立完成，而後經數據解析、轉換，以SPI總線方式傳輸至上位裝置。

所述基於FPGA的多軸伺服驅動系統位置反饋數據接口卡，在針對新型絕對編碼器的數據協議基礎上，兼容傳統的增量式編碼器。若原機器人的驅動系統採用的是增量式編碼器的伺服電機，採用本接口後，就可以直接換成帶有「絕對編碼器」的伺服電機，再讀取本接口通過SPI向上提供的數據，獲取絕對值數據。機器人的控制器就可以利用這個數據接口提供的數據，實現機器人的定位方式的升級。

本實用新型所述的硬體電路是一塊獨立的接口卡，可以額外加裝在沒有位置反饋的機器人或增量式位置反饋的機器人上，實現升級，通過此接口卡對外提供絕對值數據。

上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護範圍之內。