CN100535812C - 全数字数控系统的驱动及连接装置 - Google Patents
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Abstract
全数字数控系统的驱动及连接装置，涉及到数控系统中一种驱动及连接装置。它解决了现有CNC与数控机床及其外围设备通信连接时需要插接数据转换卡以及控制数据在通信过程中需要经过A/D和D/A两次转换的问题。它通过USB2.0收发器传递CNC与本发明装置之间的数据，可编程逻辑器件中固化的伺服控制器根据USB2.0收发器传递的控制信号发送相应的控制命令给功率驱动接口，电流检测控制器接收电流信号接口输入的电流信号并进行数字滤波和电流测量后发送给伺服控制器，编码器信号输入控制器接收编码器信号输入接口输入的编码器信号并分别转换成速度信号和位置信号，然后分别发送给伺服控制器和通过USB2.0传递给CNC。
Description
技术领域
本发明涉及到数控系统中的一种驱动及连接装置。
背景技术
一套完整的机床数控系统由数控装置(NC)、驱动系统和检测装置等几大硬件构成，其中主要控制和传动部分是数控装置和伺服系统。传统伺服系统只接收模拟信号，因此需要数控装置(NC)输出模拟控制信号。而真正基于PC机的数控装置，即CNC(Computerized Numerical Control)的控制功能是由软件来实现的，CNC直接输出的是数字信号，为了能向伺服系统输出模拟量信号，还需要在PC机上额外开发D/A转换接口。随着微电子技术和计算机技术的发展，现代伺服系统逐渐转向数字化，数字化伺服系统的CPU也只能接收数字信号，因此这种数字伺服系统还需要再经过一次A/D转换才能接收CNC的控制信号，不仅增加了数控系统的硬件接口，另一方面，由于经过了D/A和A/D两次转换，使CNC的位置环调节器输出的实时指令数据在传输到伺服系统时产生误差，会影响电机的控制性能，难于实现实时高精度加工控制。另外，模拟量电压容易受到干扰，造成刀具移动速度产生波动，工件的加工表面不光滑。
目前在数控系统中实现直接数字控制的方法主要是现场总线控制，但是基于现场总线的数控系统同样需要在CNC上开发通信板卡，这些板卡须插入CNC的标准ISA/PCI插槽内，但ISA/PCI总线接口复杂，驱动程序、硬件接口开发难度大，开发成本较高，开发周期也较长。同时还需要伺服系统提供相应的现场总线接口。而且市场上多种现场总线并存，不同类型现场总线之间不能相互通信，很难满足开放性数控系统的要求。
新疆大学的硕士毕业论文《基于DSP+CPLD+USB的短电弧数控车床运动控制卡的设计》公开了一种采用USB通讯接口的车床运动控制卡，所述运动卡制卡与计算机之间采用USB通讯接口连接，解决了现有运动控制卡采用ISA/PCI总线接口存在的安装不方便的问题，但仍是采用数字信号分别与计算机和车床之间进行通讯。
发明内容
为了解决现有数控系统中，CNC与数控机床外围设备通信连接的时候，部分控制数据在通信过程中需要经过A/D和D/A两次转换的问题。本发明提供了一种全数字数控系统的驱动及连接装置。
全数字数控系统的驱动及连接装置，它包括USB2.0收发器1、编码器信号输入接口9、电流信号接口10、功率驱动接口17和可编程逻辑器件20，所述可编程逻辑器件20中固化有用于和USB2.0收发器1之间进行数据传送、并进行数据的串/并转换的USB通信控制器2，用于根据USB通信控制器2发出的控制信号对外部功率装置进行伺服控制的伺服控制器5，用于接收编码器信号输入接口9发送的编码器信号并分别转换成位置信号和速度信号传递给USB通信控制器2和伺服控制器5的编码器信号输入控制器6，用于对电流信号接口10发送的电流信号进行数字滤波和电流测量的电流检测控制器16；USB2.0收发器1的串行数据接口和可编程逻辑器件20中的USB通信控制器2的串行数据输入/输出接口连接，所述USB通信控制器2的伺服控制信号输出端和伺服控制器5的伺服控制信号输入端连接，所述伺服控制器5的功率驱动控制信号输出端和功率驱动接口17的控制信号输入端连接，电流信号接口10的电流信号输出端和电流检测控制器16的电流信号输入端连接，所述电流检测控制器16的电流信号输出端和伺服控制器5的电流信号输入端连接，编码器信号输入接口9的信号输出端和编码器信号输入控制器6的信号输入端连接，所述编码器信号输入控制器6的位置信号输出端和USB通信控制器2的位置信号输入端连接，所述编码器信号输入控制器6的速度信号输出端和伺服控制器5的速度信号输入端连接。
本发明的优点有：一、全数字数控系统的驱动及连接装置采用现有技术中比较成熟的USB2.0串行数据接口与带有USB2.0接口的CNC的PC机之间通信，实现了纯数字控制，完全避免了现有数控系统中在PC机中的标准ISA/PCI插槽内插接数据转换卡、以及控制数据在传输过程中需要经过两次A/D和D/A转换而产生的误差的问题，还使机床数控系统的响应速度更快、可靠性更高，能够更好地满足机械加工中的更高需求。二、采用可编程逻辑器件作为核心器件，在可编程逻辑器件中可以集成、固化多种伺服控制核，实现控制的灵活性，还可以根据USB控制器接收到的CNC发送的控制命令，实现灵活的智能化控制。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图，图2是具体实施方式二和三所述的全数字数控系统的驱动及连接装置，图3是具体实施方式四所述采用本发明的全数字数控系统的驱动及连接装置的数控系统的结构示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。全数字数控系统的驱动及连接装置，它包括USB2.0收发器1、编码器信号输入接口9、电流信号接口10、功率驱动接口17和可编程逻辑器件20，所述可编程逻辑器件20中固化有用于和USB2.0收发器1之间进行数据传送、并进行数据的串/并转换的USB通信控制器2，用于根据USB通信控制器2发出的控制信号对外部功率装置进行伺服控制的伺服控制器5，用于接收编码器信号输入接口9发送的编码器信号并分别转换成位置信号和速度信号传递给USB通信控制器2和伺服控制器5的编码器信号输入控制器6，用于对电流信号接口10发送的电流信号进行数字滤波和电流测量的电流检测控制器16；USB2.0收发器1的串行数据接口和可编程逻辑器件20中的USB通信控制器2的串行数据输入/输出接口连接，所述USB通信控制器2的伺服控制信号输出端和伺服控制器5的伺服控制信号输入端连接，所述伺服控制器5的功率驱动控制信号输出端和功率驱动接口17的控制信号输入端连接，电流信号接口10的电流信号输出端和电流检测控制器16的电流信号输入端连接，所述电流检测控制器16的电流信号输出端和伺服控制器5的电流信号输入端连接，编码器信号输入接口9的信号输出端和编码器信号输入控制器6的信号输入端连接，所述编码器信号输入控制器6的位置信号输出端和USB通信控制器2的位置信号输入端连接，所述编码器信号输入控制器6的速度信号输出端和伺服控制器5的速度信号输入端连接。
所述USB通信控制器2是固化在可编程逻辑器件内的控制器，它包括用于完成数据接收和发送、并按USB通信协议对接收和发送的数据进行编码/解码的USB核逻辑控制器，还包括用于存储USB核逻辑控制器接收和发送的数据的FIFO(First in First out)端点两部分。
所述伺服控制器5能够集成通用性比较强的现有各种伺服控制芯核，例如：它可以集成矢量控制器、力矩控制器、电流调解器、速度调节器、SVPWM调解器等等中的一种或者几种，以达到满足不同类型的数控机床运动控制需求。
本实施方式中的功率驱动接口17中，包括光电隔离模块，增强了本实施方式所述装置的抗干扰性。
本实施方式中的可编程逻辑器件20采用大规模现场可编程门阵列FPGA芯片，所述FPGA芯片选用XC2S200-5FG456C。
本实施方式采用了功能强大的可编程逻辑器件，在该芯片上固化了USB通信控制器和伺服控制器，在应用的时候，通过USB通信方式与CNC连接，通过USB2.0收发器1接收CNC发送的包括位置控制命令在内的各种控制命令，伺服控制器5分别通过USB通信控制器2、电流信号接口10和编码器信号输入接口9获得CNC传送的包括位置控制命令在内的各种控制命令、电流和速度反馈信号，根据这些信号向功率驱动接口17发送驱动控制信号实现相应的闭环控制。
具体实施方式二：本实施方式所述的全数字数控系统的驱动及连接装置是在具体实施方式一的基础上，增加了模拟量输入接口12、模拟量输出接口14、A/D转换器11、D/A转换器13、数字量I/O接口15，在所述可编程逻辑器件20中增加了用于接收数字量I/O接口15发送的数字信号并传递给USB通信控制器2、同时还接收USB通信控制器2发出的数字信号并传递给数字量I/O接口15的数字量I/O控制器4，用于根据USB通信控制器2发送的命令控制A/D转换器11进行模/数转换并将转换结果传递给USB通信控制器2，同时还根据USB通信控制器2发送的命令控制D/A转换器13将USB通信控制器2输出的数字量转换成模拟量的模数转换控制器3，模拟量输入接口12的信号输出端和A/D转换器11的模拟信号输入端连接，所述A/D转换器11的数字信号输出端和可编程逻辑器件20中的模数转换控制器3的数字信号输入端连接，模拟输出接口14的模拟信号输入端和D/A转换器13的模拟信号输出端连接，所述D/A转换器13的数字信号输入端和可编程逻辑器件20中的模数转换控制器3的数字信号输出端连接，所述模数转换控制器3的A/D转换控制信号输入/输出端、D/A转换控制信号输入/输出端分别和A/D转换器11的控制信号输入/输出端、D/A转换器13的控制信号输入/输出端连接，所述模数转换控制器3的模数控制信号输入/输出端和USB通信控制器2的模数控制信号输入/输出端连接，所述USB通信控制器2的数字量输入/输出控制信号端和数字量I/O控制器4的控制信号输入/输出端连接，所述数字量I/O控制器4的数字量输入/输出端和数字量I/O接口15的信号输入/输出端连接。
本实施方式增加了模拟量和数字量的输入/输出相应的装置，使其能够与多种数控机床机及其外围设备连接，增加了装置的通用性。
具体实施方式三：本实施方式是在具体实施方式一或二所述的全数字数控系统的驱动及连接装置上增加了步进电机接口8，在可编程逻辑器件20中增加了用于根据USB通信控制器2发出的脉冲控制信号产生脉冲输出信号的脉冲信号发生器7，脉冲信号发生器7的脉冲控制信号输入端和USB通信控制器2的脉冲控制信号输出端连接，所述脉冲信号发生器7的脉冲信号输出端和步进电机接口8的信号输入端连接。
本实施方式增加了控制步进电机运行的脉冲信号发生功能，可以对步进电机进行控制。
具体实施方式四：采用具体实施方式一至三中任一实施方式所述的全数字数控系统的驱动及连接装置的数控系统，参见图3，由带有USB2.0通信接口的CNC30、全数字数控系统的驱动及连接装置、电流信号采集装置50、功率驱动装置18、伺服电机60、编码器70组成，CNC30的USB2.0通讯接口和USB2.0收发器1的串行通信接口连接，功率驱动接口17的信号输出端和功率驱动装置18的信号输入端连接，所述功率驱动装置18的信号输出端和伺服电机60的控制输入端连接，编码器70固定安装在伺服电机60上、以获得电机运行速度信息，所述编码器70的信号输出端和编码器信号输入接口9的信号输入端连接，电流信号采集装置50检测伺服电机的工作电流，并完成模数转换，所述电流检测装置50的输出端和电流信号接口10的电流信号输入端连接。
本实施方式中的功率驱动装置18采用富士的6MBP50RA060型功率驱动模块。
本实施方式所述的数控系统在工作时，由CNC30通过USB接口从本发明的全数字数控系统的驱动及连接装置中获取相应的数控机床及其外围设备的各种状态信息，同时通过USB接口向本发明的全数字数控系统的驱动及连接装置发出启动、停止以及各种运动控制命令。
Claims (5)
1、一种全数字数控系统的驱动及连接装置，包括USB2.0收发器(1)、功率驱动接口(17)和可编程逻辑器件(20)，其特征在于它还包括编码器信号输入接口(9)、电流信号接口(10)，所述可编程逻辑器件(20)中固化有用于和USB2.0收发器(1)之间进行数据传送、并进行数据的串/并转换的USB通信控制器(2)，用于根据USB通信控制器(2)发出的控制信号对外部功率装置进行伺服控制的伺服控制器(5)，用于接收编码器信号输入接口(9)发送的编码器信号并分别转换成位置信号和速度信号传递给USB通信控制器(2)和伺服控制器(5)的编码器信号输入控制器(6)，用于对电流信号接口(10)发送的电流信号进行数字滤波和电流测量的电流检测控制器(16)；USB2.0收发器(1)的串行数据接口和可编程逻辑器件(20)中的USB通信控制器(2)的串行数据输入/输出接口连接，所述USB通信控制器(2)的伺服控制信号输出端和伺服控制器(5)的伺服控制信号输入端连接，所述伺服控制器(5)的功率驱动控制信号输出端和功率驱动接口(17)的控制信号输入端连接，电流信号接口(10)的电流信号输出端和电流检测控制器(16)的电流信号输入端连接，所述电流检测控制器(16)的电流信号输出端和伺服控制器(5)的电流信号输入端连接，编码器信号输入接口(9)的信号输出端和编码器信号输入控制器(6)的信号输入端连接，所述编码器信号输入控制器(6)的位置信号输出端和USB通信控制器(2)的位置信号输入端连接，所述编码器信号输入控制器(6)的速度信号输出端和伺服控制器(5)的速度信号输入端连接。
2、根据权利要求1所述的全数字数控系统的驱动及连接装置，其特征在于所述伺服控制器(5)是矢量控制器、力矩控制器、电流调解器、速度调节器、SVPWM调解器中的一种或者几种。
3、根据权利要求1所述的全数字数控系统的驱动及连接装置，其特征在于所述USB通信控制器(2)是由用于完成数据接收和发送、并按USB通信协议对接收和发送的数据进行编码/解码的USB核逻辑控制器，用于存储USB核逻辑控制器接收和发送的数据的FIFO端点两部分组成。
4、根据权利要求1所述的全数字数控系统的驱动及连接装置，其特征在于它还包括模拟量输入接口(12)、模拟量输出接口(14)、A/D转换器(11)、D/A转换器(13)、数字量I/O接口(15)，在所述可编程逻辑器件(20)中还包括用于接收数字量I/O接口(15)发送的数字信号并传递给USB通信控制器(2)、同时还接收USB通信控制器(2)发出的数字信号并传递给数字量I/O接口(15)的数字量I/O控制器(4)，用于根据USB通信控制器(2)发送的命令控制A/D转换器(11)进行模/数转换并将转换结果传递给USB通信控制器(2)，同时还根据USB通信控制器(2)发送的命令控制D/A转换器(13)将USB通信控制器(2)输出的数字量转换成模拟量的模数转换控制器(3)，模拟量输入接口(12)的信号输出端和A/D转换器(11)的模拟信号输入端连接，所述A/D转换器(11)的数字信号输出端和可编程逻辑器件(20)中的模数转换控制器(3)的数字信号输入端连接，模拟输出接口14的模拟信号输入端和D/A转换器(13)的模拟信号输出端连接，所述D/A转换器(13)的数字信号输入端和可编程逻辑器件(20)中的模数转换控制器(3)的数字信号输出端连接，所述模数转换控制器(3)的A/D转换控制信号输入/输出端、D/A转换控制信号输入/输出端分别和A/D转换器(11)的控制信号输入/输出端、D/A转换器(13)的控制信号输入/输出端连接，所述模数转换控制器(3)的模数控制信号输入/输出端和USB通信控制器(2)的模数控制信号输入/输出端连接，所述USB通信控制器(2)的数字量输入/输出控制信号端和数字量I/O控制器(4)的控制信号输入/输出端连接，所述数字量I/O控制器(4)的数字量输入/输出端和数字量I/O接口(15)的信号输入/输出端连接。
5、根据权利要求1或4所述的全数字数控系统的驱动及连接装置，其特征在于它还包括步进电机接口(8)，在可编程逻辑器件(20)中还包括用于根据USB通信控制器(2)发出的脉冲控制信号产生脉冲输出信号的脉冲信号发生器(7)，脉冲信号发生器(7)的脉冲控制信号输入端和USB通信控制器(2)的脉冲控制信号输出端连接，所述脉冲信号发生器(7)的脉冲信号输出端和步进电机接口(8)的信号输入端连接。
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