一种集成伺服的电气控制装置及方法与流程

1.本发明涉及一种集成伺服的电气控制装置及方法，属于自动化技术领域。


背景技术：

2.市面现有的集成伺服的电气控制方法，都是简单地将传统的伺服驱动器，直接移架到伺服电机上(如图1所示)，电气控制上与传统伺服系统并无差异，形式上只是将伺服驱动器的安装位置由电柜移到了电机上捆绑在一起。因集成伺服是驱动器与电机是一体的，电机在哪伺服就在哪，通常实际应用时电机的安装位置都是远离电柜的，因此所有电柜与集成伺服连接的数字控制线，模拟控制线，通信线等，都必须从电柜走很长的距离拉到集成伺服，会引入很多干扰问题使得系统的稳定性变差，而且控制线根据实际应用需求会有很多根线，长距离需消耗更多的线材。而且大多数的应用上集成伺服安装的位置都是比较狭窄、人员不便进入，因此也会给调试带来诸多不便。


技术实现要素：

3.本发明提供一种集成伺服的电气控制装置及方法，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.本发明的技术方案一方面涉及一种集成伺服的电气控制装置，包括：控制盒，所述控制盒具有伺服控制元件和与所述伺服控制元件连接的伺服信号传输端口；设置在电机本体上的用于驱动所述电机本体的一体机，所述一体机包括：电力驱动电路，用于将伺服控制指令转换成电机驱动电流信号；与所述电力驱动电路连接的控制线端口，该控制线端口通过至少一段距离的通信总线线缆来连接至所述控制盒的伺服信号传输端口；与所述电力驱动电路连接的电源输入端口，该电源输入端口被配置成与所述电机本体的附近的电力供电线路连接。
5.进一步，所述通信总线线缆由通信线和弱电压电源线集成，其中，所述通信线的通信协议包括can协议或rs485协议；所述电力供电线路包括强电压电源线路。
6.进一步，所述控制盒包括：与上位机连接的多个通信端口，所述的多个通信端口输入或输出的信号包括数字量、开关量和模拟量；信号转换处理器，用于在所述的多个通信端口与所述伺服信号传输端口之间的数据转换。
7.进一步，所述一体机包括：与本地电气元件连接的多个通信接口，所述的多个通信端口输入或输出的信号包括数字量、开关量和模拟量；信号转换模块，用于在所述的多个通信接口与所述控制线端口之间的数据转换。
8.进一步，所述本地电气元件包括电机制动电阻和电机本体附近的传感器。
9.进一步，所述上位机包括运动控制器、plc或运动控制卡。
10.进一步，所述控制盒包括与所述信号转换处理器连接的控制信号转换电路，所述电力驱动电路包括用于驱动电机的h桥电路。
11.本发明的技术方案另一方面涉及一种集成伺服的电气控制方法，所述方法包括以
下步骤：
12.s10、通过通信端口接收上位机的控制指令，并且从控制盒的伺服信号传输端口所接收的来自一体机的信号中获得伺服反馈信号，将所述伺服反馈信号通过所述通信端口传输至所述上位机，其中所述伺服反馈信号包括与电机本体连接的旋转编码器的输出信号；
13.s20、触发控制盒的信号转换处理器和控制信号转换电路，将所述控制指令转换成电机的伺服控制信号，并通过控制盒的伺服信号传输端口传输至远程的一体机；
14.s30、通过设置在电机本体上的一体机中的信号转换模块，将从一体机的控制线端口所接收的控制信号转换成电机的各相的驱动电流信号，并传输到电机本体，以使电机动作。
15.进一步，所述的方法，还包括以下步骤：从一体机中的传感器信号端口获取附加的传感器信号，并通过一体机中的信号转换模块，将所述传感器信号并入到控制线端口的传输信号中；从控制盒的伺服信号传输端口所接收的来自一体机的信号中分离出附加的传感器的信号，并传输至所述上位机；通过通信端口接收上位机的io动作指令，触发控制盒的信号转换处理器，将所述io动作指令转换成一体机的数字信号，并通过控制盒的伺服信号传输端口传输至远程的一体机；通过一体机中的信号转换模块，将一体机的控制线端口所接收的控制信号中提取io控制指令，触发一体机的io端口动作。
16.本发明的技术方案还涉及一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实施上述的方法。
17.本发明的技术方案的有益效果在于，既可保留控制盒可安装在电柜内部，又可兼容一体机安装到狭窄空间，还可大大缩短上位机与集成伺服间的接线长度。此外，控制盒与可长距离通信控制一体机，不但可以减少大量线束，还避免了电柜内部上位机的数字控制线、模拟控制线、通信线等长距离走线引入太大的电气干扰，使系统稳定性与可靠性大幅提升。同时，调试工作可在控制盒这边完成，对用户来讲大量的接线工作都可以在电柜附近完成，而无需进入电机附近的狭窄现场环境。电柜到一体机间只有一根连接控制盒与一体机的电缆，因此无需为电柜至一体机之间铺设太多的强电专用走线线槽与控制线束。
附图说明
18.图1是现有技术中的一体化伺服电机的结构图。
19.图2是根据本发明的集成伺服的电气控制装置的组成的示例图。
20.图3是根据本发明的实施例中的集成伺服的电气控制装置的端口配置和连接示例图。
21.图4是根据本发明的控制方法的总体流程图。
具体实施方式
22.以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。本文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。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
23.现在参照图2，在一些实施例中，根据本发明的电气控制装置包括控制盒10和一体机20。控制盒10和一体机20的数量可以是多个，且控制盒10一般与一体机20一一对应连接。控制盒10一般安装在电柜中以获得电气防护和方便电气人员维护及调试，而一体机20一般安装在远离电柜的工业现场(尤其是狭窄空间的电气工作区域)的电动设备(比如致动器、流体马达、电机等，下文直接以电机为例作为代表性描述)上，在控制盒10和一体机20之间需要通过至少一段距离的电缆连接。在具体的实施例中，每个电机上可以在电机侧部或者背部集成一个一体机20；而多个一体机20的出线可以汇集成总线缆，以同时在总线缆的包裹中实施抗信号干扰的屏蔽保护。
24.参照图3，在一些实施例中，在控制盒10内部独立集成了伺服所需的所有的弱电控制电端口和电路，而在一体机20的内部只保留直接与电机驱动相关的电气部件和强电端口。一般而言，弱电压的范围是0v至48v，强电压的范围是110v至380v。本发明的方案与图1所示的一体化伺服电机方案的根本区别在于：用于伺服驱动的弱电部分元件布置在电柜中的控制盒内，使得与电柜中的上位机的连接线路尽量短；用于伺服驱动的强电部分的电路位于电机上的一体机内，以直接在电机附近连接电力供电线路；一体化伺服电机方案的方案需要电机和设有伺服控制器的电柜之间同时连接弱电控制线和强电供电线，而本发明的方案完全省去电机和电柜(或伺服控制器)之间的强电供电线，尤其对于长距离传输和高功率(一般是7.5kw以上的)电机，可以节约了大量线材成本，且减少长距离传输的电力干扰。此外，本发明的方案与现有技术中“驱动器+伺服电机”的传统方案的根本区别在于：传统方案需要伺服电机和电柜中的驱动器之间连接强电供电线和电机编码器信号线，而本发明的方案完全省去电机和驱动器之间的强电供电线，但增加弱电控制线，因此同样本发明的方案可以节约了大量线材成本。
25.继续参照图3，控制盒10内集成伺服的所有弱电功能端口所传输的信号包括数字量、开关量、模拟量等输入输出信号。在一些具体的实施例中，控制盒10的通信端口可以包括：模拟信号端口t1、伺服信号传输端口t2、弱电供电端口t3、数字通信端口t4、开关通信端口t5、扩展功能通信端口t6。用于实施高级运动控制算法和控制逻辑的上位机30(比如，运动控制器、plc或运动控制卡)的控制线束全部接至控制盒10的端口t1、t3、t4、t5、t6上。控制盒10的端口t2与一体机20的控线端口通过抗干扰的互绞线缆(比如是4芯互绞电缆)连接，其中包含了通信总线。该通信总线的协议包括但不限于can或rs485。由于其中的伺服信号一般采用弱电数字信号传输，电缆的长度可长达100米，而且弱电的线材成本也不高。控制盒10的端口t3由外部电源(比如24v)供电给集成伺服的控制盒，同时，接地接口pe连接至互绞线缆的金属屏蔽层。
26.在另一些实施例中，控制盒10还可以包括：用于处理电机控制和反馈信号的伺服控制元件(比如，编码器信号解释电路元件、io开关控制电路元件、pwm电路元件等)；信号转换处理器，其一般实施为数字集成电路ic，通过搭配模数信号转换器、光耦隔离器、放大电路和开关元件等，以在多个通信端口t1、t3、t4、t5、t6与伺服信号传输端口t2之间的数据转换；控制信号转换电路，用于专门将上位机30的数字控制指令(比如，转角、转速、旋转方向、启停时间等)转换成电机的伺服控制信号。具体地，工作状态时，集成伺服的控制盒10的端口t4接收来自上位机30的伺服控制指令数字信号，而端口t5和/或端口t6接收来自上位机30的io指令，再经控制盒10内部的(信号转换)处理器处理后，将指令信息从端口t2发送到
远端的一体机20。
27.继续参照图3，在一些实施例中，一体机20的端口一般分为多个受电口与通信口，其中，通过受电口从一体机20附近的电源获取强电压供电，而通过通信口接收来自控制盒10的伺服指令信息后，控制与一体机20连接的电机运行，驱动该电机的电力来源于一体机20。此外，还可以通过通信口与控制盒之间传送io指令和io状态数字信号，从而使一体机20执行io输出控制(比如，打开电机制动开关、电磁致动元件开关、气缸动作开关等)，或者获取io端口的开关状态(比如，接近传感器开关、限位开关等)，还可以获取其他数字信号数据(比如，编码器的位置信号数据)，以反馈到控制盒10甚至反馈到上位机30。
28.在一些实施例中，一体机20的端口包括：io端口yt1，并联地连接至电机的制动电阻；控制线端口yt2，其通过抗干扰的互绞线缆(比如是4芯互绞电缆)与控制盒10的伺服信号传输端口t2通信，其中，线缆的屏蔽层与一体机的弱电部分的接地接口pe连接；传感信号输入端口yt3，用于获取各种可定制的现场传感器(比如，压力传感器、(温湿度)环境传感器等)的反馈信号；电源输入端口yt4，用于通过滤波器、接触器和断路器，连接至工业电源(比如，380v三相电源)。
29.在另一些实施例中，一体机20可以包括：用于将伺服控制指令转换成电机驱动电流信号的电力驱动电路(比如是用于驱动电机的h桥电路)；信号转换模块(比如是数字合成电路)，用于在所述的多个通信接口与所述控制线端口yt2之间的数据转换。对于一体机20的端口yt1、yt3的状态信息，首先由信号转换模块将数据汇集，再通过控制线端口yt2发送到控制盒的t2端口，使控制盒10接收相关信息；对于控制盒10内部可以实施简单控制逻辑的操作(比如，开关控制)，可以通过信号转换处理器将伺服信号传输端口t2所接收的信息中提取出来，再利用控制盒10内部的伺服控制元件完成控制，从而提高自动控制效率和响应；而需要复杂的逻辑控制信息再从控制盒10的端口t1反馈到上位机30。
30.此外，可以理解到，比起传统的需要通过单独的线缆连接至控制器以实现io和传感器功能的技术方案，在本发明的方案中，一体机20可以在电机所在的现场扩展更多的传感器接口和io接口，而这些接口的数据直接转换成数字数据以和伺服数据集成，即可仅通过一条抗干扰的互绞线缆传输数据到上位机，从而又可以省掉(尤其是长距离的)数据传输线材。此外，集成的数据传输，可以一次过在一次伺服数据的传输周期把更多的io数据和传感器数据一起传输，省去了一体机、控制器和上位机之间的额外传输线程，提高控制反应速度。
31.参照图4，在一些实施例中，根据本发明的集成伺服的电气控制方法可以包括以下步骤：
32.s10、通过通信端口接收上位机30的控制指令，并且从控制盒10的伺服信号传输端口t2所接收的来自一体机20的信号中获得伺服反馈信号，将所述伺服反馈信号通过所述通信端口传输至所述上位机30；
33.s20、触发控制盒10的信号转换处理器和控制信号转换电路，将所述控制指令转换成电机的伺服控制信号，并通过控制盒10的伺服信号传输端口t2传输至远程的一体机20；
34.s30、通过设置在电机本体上的一体机20中的信号转换模块，将从一体机20的控制线端口所接收的控制信号转换成电机的各相的驱动电流信号，并传输到电机本体，以使电机动作。
35.对于步骤s10，所述伺服反馈信号包括与电机本体连接的旋转编码器的输出信号。此外，还可以从一体机20中的传感器信号端口yt3获取附加的传感器信号(比如是额外定制的压力传感器的信号、环境传感器的信号)，并通过一体机20中的信号转换模块，将所述传感器信号并入到控制线端口的传输信号中。从控制盒10的伺服信号传输端口t2所接收的来自一体机20的信号中分离出附加的传感器的信号，并传输至所述上位机30。例如参照下表，在can总线协议下传输的数据帧中，可以从数据段的某一位或某几位记录传感器数据、io数据等，只要对接收的数据做位操作或者提取预设的数位范围(比如第8至16位)的数据，则可以单独获取所需的数据。优选地，可以以压缩或者加密的方式，把更多的传感器数据、io数据集成到特定的数据段中。
[0036][0037]
表1：can总线协议下的控制盒和一体机之间传输的数据帧结构
[0038]
具体地，在上表中，数据帧的id位可以表示数据来自传输该数据的哪个一体机的id值或者是传输到哪个控制盒的id；伺服数据段可以表示当前电机的pid控制参数、电机编码器反馈数据等；在附加传感器数据和io数据段中，可以直接以二进制的“0”“1”值表示各io端口的使能值或者高低电平值。
[0039]
对于步骤s20，上位机30中可以实施各种电机控制算法和过程控制逻辑。这些算法和逻辑转换成控制指令数据(同样可以参照表1的数据结构)发送至多个控制盒10，则可以实现一个或多个一体机20进行一个或多个电机的联动控制。
[0040]
对于步骤s30，还可以通过通信端口接收上位机30的io动作指令，触发控制盒10的信号转换处理器，将所述io动作指令转换成一体机20的数字信号，并通过控制盒10的伺服信号传输端口t2传输至远程的一体机20。此外，通过一体机20中的信号转换模块，将一体机20的控制线端口所接收的控制信号中提取io控制指令(比如，0001)，触发一体机20的io端口yt1动作(比如，使图3所示的yt1端口改变io电压(对应io第4位的“1”)，使电机刹车制动)。
[0041]
应当认识到，本发明实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0042]
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

技术特征：
1.一种集成伺服的电气控制装置，其特征在于，包括：控制盒(10)，所述控制盒(10)具有伺服控制元件和与所述伺服控制元件连接的伺服信号传输端口(t2)；设置在电机本体上的用于驱动所述电机本体的一体机(20)，所述一体机(20)包括：电力驱动电路，用于将伺服控制指令转换成电机驱动电流信号；与所述电力驱动电路连接的控制线端口(yt2)，该控制线端口通过至少一段距离的通信总线线缆来连接至所述控制盒(10)的伺服信号传输端口(t2)；与所述电力驱动电路连接的电源输入端口(yt4)，该电源输入端口被配置成与所述电机本体的附近的电力供电线路连接。2.根据权利要求1所述的集成伺服的电气控制装置，其特征在于：所述通信总线线缆由通信线和弱电压电源线集成，其中，所述通信线的通信协议包括can协议或rs485协议，所述弱电压的范围是0v至48v；所述电力供电线路包括强电压电源线路，其中所述强电压的范围是110v至380v。3.根据权利要求1所述的集成伺服的电气控制装置，其特征在于，所述控制盒(10)包括：与上位机(30)连接的多个通信端口(t1、t3、t4、t5、t6)，所述的多个通信端口输入或输出的信号包括数字量、开关量和模拟量；信号转换处理器，用于在所述的多个通信端口与所述伺服信号传输端口(t2)之间的数据转换。4.根据权利要求1或3所述的集成伺服的电气控制装置，其特征在于，所述一体机(20)包括：与本地电气元件连接的多个通信接口，所述的多个通信端口输入或输出的信号包括数字量、开关量和模拟量；信号转换模块，用于在所述的多个通信接口与所述控制线端口(yt2)之间的数据转换。5.根据权利要求4所述的集成伺服的电气控制装置，其特征在于，所述本地电气元件包括电机制动电阻和电机本体附近的传感器。6.根据权利要求3所述的集成伺服的电气控制装置，其特征在于，所述上位机(30)包括运动控制器、plc或运动控制卡。7.根据权利要求1所述的集成伺服的电气控制装置，其特征在于，所述控制盒(10)包括与所述信号转换处理器连接的控制信号转换电路，所述电力驱动电路包括用于驱动电机的h桥电路。8.一种集成伺服的电气控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：s10、通过通信端口接收上位机(30)的控制指令，并且从控制盒(10)的伺服信号传输端口(t2)所接收的来自一体机(20)的信号中获得伺服反馈信号，将所述伺服反馈信号通过所述通信端口传输至所述上位机(30)，其中所述伺服反馈信号包括与电机本体连接的旋转编码器的输出信号；s20、触发控制盒(10)的信号转换处理器和控制信号转换电路，将所述控制指令转换成电机的伺服控制信号，并通过控制盒(10)的伺服信号传输端口(t2)传输至远程的一体机(20)；
s30、通过设置在电机本体上的一体机(20)中的信号转换模块，将从一体机(20)的控制线端口所接收的控制信号转换成电机的各相的驱动电流信号，并传输到电机本体，以使电机动作。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：从一体机(20)中的传感器信号端口(yt3)获取附加的传感器信号，并通过一体机(20)中的信号转换模块，将所述传感器信号并入到控制线端口的传输信号中；从控制盒(10)的伺服信号传输端口(t2)所接收的来自一体机(20)的信号中分离出附加的传感器的信号，并传输至所述上位机(30)；通过通信端口接收上位机(30)的io动作指令，触发控制盒(10)的信号转换处理器，将所述io动作指令转换成一体机(20)的数字信号，并通过控制盒(10)的伺服信号传输端口(t2)传输至远程的一体机(20)；通过一体机(20)中的信号转换模块，将一体机(20)的控制线端口所接收的控制信号中提取io控制指令，触发一体机(20)的io端口(yt1)动作。10.一种计算机可读存储介质，其上储存有程序指令，所述程序指令被处理器执行时实施如权利要求8至9中任一项权利要求所述的方法。

技术总结
本发明涉及集成伺服的电气控制装置和方法。装置包括具有伺服控制元件和与伺服控制元件连接的伺服信号传输端口的控制盒以及用于驱动电机本体的一体机，该一体机包括：电力驱动电路；与电力驱动电路连接的控制线端口，该控制线端口通过通信总线线缆来连接至控制盒的伺服信号传输端口。所述方法包括：使上位机所有控制指令及伺服反馈信号相关的控制线束对接至控制盒，而指令信号经控制盒内部处理后通过控制电缆往一体机发送控制数据，使得一体机按控制指令运转。本发明的技术方案通过分离伺服电气上的电机控制模块与功能端口模块，且使两模块通过通信总线与低压电源电缆连接，具有接线方便、接线成本低，干扰小、抗干扰强、可靠性高等优点。靠性高等优点。靠性高等优点。


技术研发人员：唐耀森 银谡敏 李德良
受保护的技术使用者：广东诺利华电气有限公司
技术研发日：2022.10.25
技术公布日：2023/1/6