CN109496178B - 多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人 - Google Patents

Abstract

一种多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人。多轴驱动器包括PXI电源背板(11)以及挂载于PXI电源背板(11)上的控制单元(12)、电源转换单元(13)以及至少两个单轴逆变单元(14)，其中电源转换单元(13)将交流电转换为直流电，并通过PXI电源背板(11)提供给至少两个单轴逆变单元(14)，控制单元(12)通过PXI电源背板(11)对单轴逆变单元(14)进行控制，以使单轴逆变单元(14)对直流电进行逆变输出。通过上述方式，利用PXI电源背板(11)分别挂载控制单元(12)、电源转换单元(13)以及至少两个单轴逆变单元(14)，可通过PXI电源背板(11)作为控制和供电载体，使得至少两个单轴逆变单元(14)能够共用控制单元(12)和电源转换单元(13)，进而实现资源共用，简化电路结构，降低成本。

Description

多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人

技术领域

本发明实施例涉及数字控制领域，特别是涉及一种多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人。

背景技术

目前，数字控制系统的多轴驱动所采用的控制方案主要为“工控机+运动控制卡+多个分立驱动器”，该方案一般通过PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)总线实现工控机与运动控制卡的互联通信，控制卡与多个分立驱动器间通过RTEX(Real-Time Express，实时表示)协议等网络协议进行通信，运动控制卡与各驱动器间通过RTEX接口形成一个环形拓扑。

然而，上述控制方案存在以下缺陷：

1、各轴驱动器同步性差。

运动控制卡的控制指令需要通过RTEX(或其他网络协议)依次遍历发送至各个驱动器，而网络传输存在延时，当驱动器数量较多时，则无法满足各个轴工作的同步性。

2、控制网络可靠性和可用性差。

传统的控制网络需要组成环形网络，当该网络某处网线/网口发生损坏时，则整个控制网络将瘫痪，所有驱动器均无法正常工作。

3、电路资源繁冗，浪费硬件资源。

多个轴的驱动器分别需要配置独立的控制单元、整流单元以及逆变单元，且需要分别配置再生制动电阻，造成资源浪费，结构分散，占用空间。

发明内容

本发明实施例提供一种多轴驱动器及数字控制系统，以解决现有技术中多轴控制方案的至少部分问题。

为解决至少部分上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种多轴驱动器，包括PXI电源背板以及挂载于PXI电源背板上的控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，其中电源转换单元将交流电转换为直流电，并通过PXI电源背板提供给至少两个单轴逆变单元，控制单元通过PXI电源背板对单轴逆变单元进行控制，以使单轴逆变单元对直流电进行逆变输出。

其中，PXI电源背板上设置有PXI总线，控制单元和至少两个单轴逆变单元分别挂载于PXI总线上，控制单元通过PXI总线对至少两个单轴逆变单元进行控制。

其中，电源转换单元进一步挂载于PXI总线上，控制单元通过PXI总线对电源转换单元进行控制。

其中，PXI电源背板进一步包括背板时钟，背板时钟挂载于PXI总线上，以向至少两个单轴逆变单元提供参考时钟信号。

其中，PXI电源背板上设置有直流母线，电源转换单元与至少两个单轴逆变单元分别挂载于直流母线上，电源转换单元在将交流电转换为直流电后通过直流母线提供给至少两个单轴逆变单元。

其中，PXI电源背板进一步包括再生制动电阻，再生制动电阻挂载于直流母线上，且至少两个单轴逆变单元共用再生制动电阻。

其中，直流母线为一套，包括正极母线和负极母线，至少两个单轴逆变单元共用该一套直流母线。

其中，再生制动电阻跨接于该一套直流母线的正极母线和负极母线之间。

其中，控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元中的至少部分以接插方式连接PXI电源背板。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种数字控制系统，包括多轴驱动器以及至少两个电机，多轴驱动器包括PXI电源背板以及挂载于PXI电源背板上的控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，其中电源转换单元将交流电转换为直流电，并通过PXI电源背板提供给至少两个单轴逆变单元，控制单元通过PXI电源背板对单轴逆变单元进行控制，以使单轴逆变单元对直流电进行逆变后输出至对应的电机。

其中，PXI电源背板上设置有PXI总线，控制单元和至少两个单轴逆变单元分别挂载于PXI总线上，控制单元通过PXI总线对至少两个单轴逆变单元进行控制。

其中，电源转换单元进一步挂载于PXI总线上，控制单元通过PXI总线对电源转换单元进行控制。

其中，PXI电源背板进一步包括背板时钟，背板时钟挂载于PXI总线上，以向至少两个单轴逆变单元提供参考时钟信号。

其中，PXI电源背板上设置有直流母线，电源转换单元与至少两个单轴逆变单元分别挂载于直流母线上，电源转换单元在将交流电转换为直流电后通过直流母线提供给至少两个单轴逆变单元。

其中，PXI电源背板进一步包括再生制动电阻，再生制动电阻挂载于直流母线上，且至少两个单轴逆变单元共用再生制动电阻。

其中，直流母线为一套，包括正极母线和负极母线，至少两个单轴逆变单元共用该一套直流母线。

其中，再生制动电阻跨接于该一套直流母线的正极母线和负极母线之间。

其中，控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元中的至少部分以接插方式连接PXI电源背板。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种包括上述数字控制系统的多轴机器人。

本发明实施例的有益效果是：在本发明实施例所提供的多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人中，利用PXI电源背板分别挂载控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，可通过PXI电源背板作为控制和供电载体，使得该至少两个单轴逆变单元能够共用控制单元和电源转换单元，进而实现资源共用，简化电路结构，降低成本。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的多轴驱动器的示意框图；

图2是图1所示的多轴驱动器的控制拓扑的示意框图；

图3是图1所示的多轴驱动器的电源拓扑的示意框图；

图4是根据本发明第二实施例的数字控制系统的示意框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1是根据本发明第一实施例的多轴驱动器的示意框图。本实施例的多轴驱动器主要包括PXI(PCI extensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)电源背板11以及挂载于PXI电源背板11上的控制单元12、电源转换单元13以及至少两个单轴逆变单元14。

本实施例中，PXI电源背板为设置有电源母线以及PXI总线的背板。

在本实施例中，电源转换单元13将交流电转换为直流电，并通过PXI电源背板11提供给至少两个单轴逆变单元14，控制单元12通过PXI电源背板11对单轴逆变单元14进行控制，以使单轴逆变单元14对直流电进行逆变输出。在进一步优选的实施例中，控制单元12、电源转换单元13以及至少两个单轴逆变单元14中的至少部分以接插方式连接PXI电源背板11。

具体来说，PXI电源背板11提供从控制单元12到各单轴逆变单元14的控制通道以及从电源转换单元13到各单轴逆变单元14的供电路径。

控制单元12作为控制核心，用以实现对各单轴逆变单元14的控制，控制单元12可外接键盘和显示器，装有操作系统，并对用户开放，用户可以自主安装调试、试验分析工具，大大提高整个多轴驱动器的智能化程度，满足不同用户的定制化需求，并可以根据实际需要进行更换。

电源转换单元13将输入的交流电转换为直流电，提供至后续的单轴逆变单元14。根据不同的功率等级，该电源转换单元13可进行灵活配置(例如，采用更换不同功率等级模块的形式)，从而适应功率等级需求。

单轴逆变单元14将电源转换单元13提供的直流电逆变为三相交流电输出至电机(未图示)。根据不同的功率等级，单轴逆变单元14可以灵活配置(采用更换和增减不同功率等级模块的形式)，从而组合出满足用户需求的多轴驱动器。

通过上述方式，利用PXI电源背板分别挂载控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，可通过PXI电源背板作为控制和供电载体，使得该至少两个单轴逆变单元能够共用控制单元和电源转换单元，进而实现资源共用，简化电路结构，降低成本。

如图2所示，图2是图1所示的多轴驱动器的控制拓扑的示意框图。在本实施例中，PXI电源背板11上设置有PXI总线110，控制单元12和至少两个单轴逆变单元14分别挂载于PXI总线110上，控制单元12通过PXI总线110对至少两个单轴逆变单元14进行控制。进一步，电源转换单元13也优选挂载于PXI总线110上，控制单元12通过PXI总线110对电源进行控制。

在本实施例中，控制单元12、电源转换单元13以及各单轴逆变单元14分别通过PXI接口连接至PXI总线110上。PXI接口连接可靠，且接口间连线采用PCB板印制线路的形式，从而大大提高了通信的可靠性。而且，由于采用总线拓扑，当某个单轴逆变单元14的控制出现故障时，不影响其他单轴逆变单元14的正常工作。从控制拓扑上看，PXI总线110支持挂载256个设备，即除去控制单元12和电源转换单元13，最多可支持的单轴逆变单元14的数量为254个，实现254个多轴的控制，扩展性极强。

进一步，PXI电源背板11进一步包括背板时钟15，背板时钟15挂载于PXI总线110上，以向至少两个单轴逆变单元14提供参考时钟信号，作为单轴逆变单元14的控制过程的参考时钟基准，从而保证了各轴驱动的同步性和控制精度。在优选实施例中，参考时钟信号从背板时钟15到达各单轴逆变单元14的传输路径长度一致，以确保参考时钟信号的准确性。

如图3所示，图3是图1所示的多轴驱动器的电源拓扑的示意框图。在本实施例中，PXI电源背板11上设置有直流母线111、112，电源转换单元13与至少两个单轴逆变单元14分别挂载于直流母线111、112上，电源转换单元13在将交流电转换为直流电后通过直流母线111、112提供给至少两个单轴逆变单元14。在优选实施例中，控制单元12可以挂载于直流母线111、112上，并由电源转换单元13进行供电。在本实施例中，直流母线111、112为一套，其中直流母线111、112分别为正极母线111和负极母线112。至少两个单轴逆变单元14共用该一套直流母线111、112。在其他实施例中，直流母线可以设置成多套，且在每一套母线中至少包括正极母线和负极母线。

进一步，PXI电源背板11优选包括再生制动电阻16，再生制动电阻16挂载于直流母线111、112上，并至少两个单轴逆变单元14共用再生制动电阻16。在本实施例中，再生制动电阻16跨接于该一套直流母线的正极母线111和负极母线112之间。

与传统的多个单轴驱动器的实施方案不同，上述实施例中采用一套直流母线控制方案，作为多轴的公共母线，从而仅需要外接一套再生制动电阻，降低了硬件成本的同时，减小了硬件体积。根据再生制动的原理，当某个电机处于发电机状态时，会将能量反馈至直流母线上，而公共直流母线的好处在于可以将某一轴电机产生的能量用于其他轴电机的驱动，提高了能量的利用率。再生制动电阻的作用在于：当电机处于发电机模式时，发电机回馈的电能会叠加到直流母线上，使得母线电压升高。为保护直流母线上的设备，因而在直流母线电压升高至保护阈值时，将再生制动电阻接入直流母线，通过热能的方式对直流母线上的能量进行消耗，直至直流母线电压降低至安全范围。

如图4所示，图4是根据本发明第二实施例的数字控制系统的示意框图。本实施例的数字控制系统包括上述多轴驱动器以及与单轴逆变单元对应连接的至少两个电机20，各单轴逆变单元在控制单元的控制下对电源转换单元提供的直流电进行逆变后输出至对应的电机20。多轴驱动器的具体结构及控制方式已经在上文进行了详细描述，在此不再赘述。本发明实施例进一步提供一种多轴机器人，其包括上述数字控制系统以及由数字控制系统中的电机20驱动的机械手臂或其他部件。

综上所述，本领域技术人员容易理解，在本发明实施例所提供的多轴驱动器、数字控制系统及多轴机器人中，利用PXI电源背板分别挂载控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，可通过PXI电源背板作为控制和供电载体，使得该至少两个单轴逆变单元能够共用控制单元和电源转换单元，进而实现资源共用，简化电路结构，降低成本。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种多轴驱动器，其特征在于，所述多轴驱动器包括PXI电源背板以及挂载于所述PXI电源背板上的控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，其中所述电源转换单元将交流电转换为直流电，并通过所述PXI电源背板提供给所述至少两个单轴逆变单元，所述控制单元通过所述PXI电源背板对所述单轴逆变单元进行控制，以使所述单轴逆变单元对所述直流电进行逆变输出，所述控制单元装有操作系统，并对用户开放；

其中，所述PXI电源背板上设置有直流母线，所述电源转换单元与所述至少两个单轴逆变单元分别挂载于所述直流母线上，所述电源转换单元在将交流电转换为直流电后通过所述直流母线提供给所述至少两个单轴逆变单元；

所述PXI电源背板进一步包括再生制动电阻，所述再生制动电阻挂载于所述直流母线上，且所述至少两个单轴逆变单元共用所述再生制动电阻；

所述直流母线为一套，包括正极母线和负极母线，所述至少两个单轴逆变单元共用一套直流母线；

所述再生制动电阻跨接于所述一套直流母线的正极母线和负极母线之间。

2.根据权利要求1所述的多轴驱动器，其特征在于，所述PXI电源背板上设置有PXI总线，所述控制单元和所述至少两个单轴逆变单元分别挂载于所述PXI总线上，所述控制单元通过所述PXI总线对所述至少两个单轴逆变单元进行控制。

3.根据权利要求2所述的多轴驱动器，其特征在于，所述电源转换单元进一步挂载于所述PXI总线上，所述控制单元通过所述PXI总线对所述电源转换单元进行控制。

4.根据权利要求2所述的多轴驱动器，其特征在于，所述PXI电源背板进一步包括背板时钟，所述背板时钟挂载于所述PXI总线上，以向所述至少两个单轴逆变单元提供参考时钟信号。

5.根据权利要求1所述的多轴驱动器，其特征在于，所述控制单元、所述电源转换单元以及所述至少两个单轴逆变单元中的至少部分以接插方式连接所述PXI电源背板。

6.一种数字控制系统，其特征在于，所述数字控制系统包括多轴驱动器以及至少两个电机，所述多轴驱动器包括PXI电源背板以及挂载于所述PXI电源背板上的控制单元、电源转换单元以及至少两个单轴逆变单元，其中所述电源转换单元将交流电转换为直流电，并通过所述PXI电源背板提供给所述至少两个单轴逆变单元，所述控制单元通过所述PXI电源背板对所述单轴逆变单元进行控制，以使所述单轴逆变单元对所述直流电进行逆变后输出至对应的所述电机；

其中，所述PXI电源背板上设置有直流母线，所述电源转换单元与所述至少两个单轴逆变单元分别挂载于所述直流母线上，所述电源转换单元在将交流电转换为直流电后通过所述直流母线提供给所述至少两个单轴逆变单元；

所述PXI电源背板进一步包括再生制动电阻，所述再生制动电阻挂载于所述直流母线上，且所述至少两个单轴逆变单元共用所述再生制动电阻；

所述直流母线为一套，包括正极母线和负极母线，所述至少两个单轴逆变单元共用一套直流母线；

所述再生制动电阻跨接于所述一套直流母线的正极母线和负极母线之间。

7.根据权利要求6所述的数字控制系统，其特征在于，所述PXI电源背板上设置有PXI总线，所述控制单元和所述至少两个单轴逆变单元分别挂载于所述PXI总线上，所述控制单元通过所述PXI总线对所述至少两个单轴逆变单元进行控制。

8.根据权利要求7所述的数字控制系统，其特征在于，所述电源转换单元进一步挂载于所述PXI总线上，所述控制单元通过所述PXI总线对所述电源转换单元进行控制。

9.根据权利要求7所述的数字控制系统，其特征在于，所述PXI电源背板进一步包括背板时钟，所述背板时钟挂载于所述PXI总线上，以向所述至少两个单轴逆变单元提供参考时钟信号。

10.根据权利要求6所述的数字控制系统，其特征在于，所述控制单元、所述电源转换单元以及所述至少两个单轴逆变单元中的至少部分以接插方式连接所述PXI电源背板。

11.一种多轴机器人，其特征在于，所述多轴机器人包括数字控制系统，所述数字控制系统包括如权利要求6～10中任意一项所述的系统。

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