CN102611366A

CN102611366A - 一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统

Info

Publication number: CN102611366A
Application number: CN2011100301819A
Authority: CN
Inventors: 李劲生; 张海胜
Original assignee: Nanjing Perlove Radial Video Equipment Co Ltd
Current assignee: Nanjing Perlove Radial Video Equipment Co Ltd
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统，属于医疗器械技术领域，主要由电机控制部分，电机驱动部分，电机切换部分和电机组成。其中电机控制部分包括：用户接口电路，单片机处理电路，电机控制输出电路和存储电路。电机驱动部分包括：外部接口电路，辅助处理器电路，主处理器电路，存储电路，功率变换输出电路。电机控制部分接受用户端或者上一级控制电路的控制指令，识别处理后发出控制指令和电机选择指令给电机驱动部分，最终由电机驱动部分完成对电机的控制。本发明可以实现一个交流伺服驱动器驱动多个交流伺服电机，节约了成本，可以实现医疗器械产品的自动化控制，也可以应用于其他领域的伺服系统控制。

Description

一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统，应用于一个交流伺服驱动器控制多个交流伺服电机的场合。

背景技术

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术-交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

现代交流伺服系统主要采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)等大规模数字芯片代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。以智能控制功率模块IPM作为功率变换和输出器件，利用数字芯片中的软件算法实现电机的精确、最优控制。伺服系统已经深入到社会进步中的方方面面，载人航天器，工业机器人，数控机床，工厂自动化，高速列车等等无不依赖于伺服系统的发展。世界著名的自动化企业纷纷推出自己的伺服产品，如德国西门子，法国施奈德，日本的松下及安川等。

交流伺服系统应用极其广泛，有时一个自动化设备中包含很多个交流伺服电机，用户控制多个部位的运动，但是这些电机并不需要同时运动，同一时刻只需要运动其中一个电机。由于每个伺服系统是全闭环控制或者每个电机的功率不同，造成了一个伺服电机必须配备一个伺服驱动器的尴尬，带来了设备成本的增加。

发明内容

针对以上现状，本发明提出了一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统，可用一个交流伺服驱动器带动多个交流伺服电机不同时运动。以现代全数字式交流伺服驱动器为基础，辅以少量的外围电路组成，控制简单可靠，可显著降低上述应用场合的交流伺服系统成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统，包含电机控制部分、电机驱动部分、电机切换部分及电机组成。其特征在于：电机控制部分接受用户操作指令，输出控制指令和电机选择指令给电机驱动部分，输出电机选择指令给电机切换部分，电机驱动部分的输出与电机切换部分的输入连接，多个伺服电机与电机切换部分连接。

电机控制部分主要以单片机为核心组成，分为用户接口电路、单片机处理电路，存储电路，电机控制输出电路。用户接口电路与用户操作端或者上一级控制电路的输出相连接，接收来自用户或者上一级电路的控制指令，经过预处理后送给单片机处理电路，经过单片机运算分析后，发送控制命令给电机控制输出电路，以转化为电机驱动部分和电机切换部分可以识别的控制信号，同时存储单元记忆有用信息，返回用户控制端或者上一级控制电路。

电机驱动部分以现代全数字交流伺服驱动器为基础组成。现代全数字交流伺服驱动器主要由以下几个功能电路组成：外部接口电路，辅助处理器电路，主处理器电路，存储电路，功率变换输出电路。外部接口电路主要接收电机控制部分的指令，并把驱动器内部处理后的结果反馈给电机控制部分。辅助处理器电路由高性能单片机组成，负责处理外部接口电路传送过来的数据，并与主处理器电路保持通信连接。主处理器电路使用数字信号处理器(DSP)，与交流伺服电机保持全闭环连接，时刻监测交流伺服电机的运行信息，利用内部的高级算法保证交流伺服电机能够按照辅助处理器的指令运动。存储单元由非易失性存储器EEPROM和FLASH组成，可以记录多个电机的参数信息，方便主处理器电路和辅助处理器电路随时提取处理。功率变换输出电路由智能控制功率模块(IPM)组成，主要负责时刻调节电机功率驱动信号的大小，使之符合电机控制部分的要求。这里需要注意是，此处选用的IPM可承受的功率应由所带多个交流伺服电机中的功率最大者决定。

IPM：Intelligent Power Modules，简称智能控制功率模块。

DSP：Digital Signal Processing，简称数字信号处理机。

EEPROM：Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称电可擦可编程只读存储器。

FLASH：Flash Memory，简称闪存。

交流伺服驱动器与交流伺服电机之间的连接主要可分为2类信号：一类以功率信号为主，分别为U，V，W三相，另外一类以位置反馈信号为主，分别为交流伺服电机机身上的编码器反馈信号和机身上的霍尔反馈信号。因此电机切换部分由UVW切换电路和反馈信号切换电路组成。UVW切换电路由可通过大电流的电磁继电器组成，继电器的驱动电路采用高可靠性的数字驱动芯片ULN2003完成。在实际应用过程中，交流伺服驱动器和交流伺服电机之间的物理空间位置可能长达几米甚至几十米，此时反馈信号的传输质量就需要特别的考虑。本发明中的交流伺服驱动器和交流伺服电机的反馈信号传输使用差分信号，因此反馈信号切换部分由差分信号处理芯片MC3487，MC3487和数据选择器74HC153组成。UVW切换电路和反馈信号切换电路分别接受来自电机控制部分的电机选择信号，打通交流伺服驱动器与预定交流伺服电机的UVW和反馈信号连接，同时切断与其他伺服电机的连接。

与现有伺服系统相比，本发明的优点有：

1、真正实现一对多的控制，由一个交流伺服驱动器完成对多个交流伺服电机的不同时控制。

2、由于减少了交流伺服驱动器的使用数量，大大降低了自动化设备的开发成本，具备良好的市场前景。

3、对于电机控制部分来说，只有一个驱动器，控制接口减少，控制更加简单可靠。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是UVW切换电路原理图。

图3是反馈信号切换电路原理图。

图4是本发明的电机控制部分软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

为了方便说明，本发明以一个交流伺服驱动器控制三个交流伺服电机作为具体实施方式进行说明。

本发明涉及一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统，如图1所示，本发明主要由电机控制部分1，电机驱动部分6，电机切换部分12和电机13组成。其中电机控制部分1包括以下5个单元电路：用户接口电路2，单片机处理电路3，电机控制输出电路4和存储电路5。电机驱动部分6包括以下5个单元电路：外部接口电路7，辅助处理器电路8，主处理器电路9，存储电路10，功率变换输出电路11。电机控制部分1的输出与电机驱动部分6相连接，电机驱动部分6与电机切换部分12连接，电机13接电机切换部分12。电机控制部分12接收用户端或者上一级控制电路的控制指令，识别处理后发出控制指令和电机选择指令给电机驱动部分6，和电机切换指令给电机切换部分12，电机驱动部分6的驱动信号经过电机切换部分12分配后流入电机13中，完成对电机的控制。

电机控制部分1既可以直接接受用户的控制信号，又可以作为上一级控制电路的执行机构。用户接口电路2包括普通开关量检测部分和标准串口通信部分，用户端或者上一次控制电路可以以该两种方式控制交流伺服电机的运转。单片机处理电路3使用AVR系列中的Atmegal6。单片机接受电机运转指令后，按照内部软件处理，具体流程图详见图4所示，然后发出控制指令给电机控制输出电路4，最后由电机控制输出电路4发控制脉冲信号和电机选择指令给电机驱动部分6，发电机选择指令给电机切换部分12，这里需要注意的是，电机选择指令需同时发给电机驱动部分6和电机切换部分12。

电机驱动部分6的外部接口7接收到电机选择指令后会自动匹配已选择电机所需的各项参数，匹配结束后返回信号给电机控制部分1。当电机切换部分12的切换动作结束后，电机驱动部分6才依据控制脉冲信号来发出驱动信号，经由电机切换部分12后进入电机13中。

电机切换部分12具体可分为2个部分：UVW切换电路和反馈信号切换电路。如图2所示，UVW切换电路主要由数字驱动芯片ULN2003和大电流电磁继电器HHC68A-3Z组成。交流伺服驱动器的UVW经J1进入到JK1的中间触点中。电机选择指令S0，S1(此实施方式以三个电机作为说明，故需两位的选择信号)经J2进入芯片U1中。

当S0为0，S1为0时，JK1和JK2都不吸合，此时UVW经J6流入交流伺服电机3中。

当S0为1，S1为0时，JK1吸合，JK2不吸合，此时UVW经J4流入交流伺服电机1中。

当S0为0，S1为1时，JK1不吸合，JK2吸合，此时UVW经J5流入交流伺服电机2中。

如图3所示，反馈信号切换电路主要由差分信号处理芯片MC3486和MC3487，数据选择芯片74HC153组成。J1，J3和J4接三个交流伺服电机，J2接一个伺服驱动器(此实施方式以一个交流伺服电机带动三个交流伺服电机进行说明)。交流伺服电机的反馈信号的以差分方式传输的有A，B，Z三个信号和以TTL方式传输的HALL_A，HALL_B和HALL_C三个信号，A、B、Z信号首先进入差分处理芯片MC3486中转化为普通的电平信号，然后接入数据选择芯片74HC153中，而HALL_A、HALL_B、HALL_C直接接入74HC153中。74HC153依据电机选择信号打通相应通道，使之与差分处理芯片MC3487的输入相连。TTL形式的A，B，Z经过处理后重新变为差分信号，HALL_A、HALL_B、HALL_C由于本身是由TTL的形式传输的，所以经过MC3487后只做一次驱动整形，最后由J2输出与交流伺服驱动器相连。

当S0为0，S1为0时，连接J1的交流伺服电机3与连接J2的交流伺服驱动器相连。

当S0为1，S1为0时，连接J3的交流伺服电机1与连接J2的交流伺服驱动器相连。

当S0为0，S1为1时，连接J4的交流伺服电机2与连接J2的交流伺服驱动器相连。

Claims

1.一种单驱动器多电机的交流伺服控制系统，包含电机控制部分、电机驱动部分、电机切换部分及电机组成。其特征在于：电机控制部分接受用户操作指令，输出控制指令和电机选择指令给电机驱动部分，输出电机选择指令给电机切换部分，电机驱动部分的输出与电机切换部分的输入连接，多个伺服电机与电机切换部分连接。

2.如权利要求1所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：本系统所用的伺服系统为交流伺服系统。

3.如权利要求1或2所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：一个驱动器带动多个不同功率的伺服电机运动。

4.如权利要求1所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：多个伺服电机不同步运动。

5.如权利要求1所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：电机控制部分包含驱动器控制单元和电机切换控制单元，驱动器控制单元与交流伺服驱动连接，电机切换控制单元与电机切换部分连接。

6.如权利要求1或2所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：驱动器具备足够的功率输出，可以正常驱动多个电机中功率最大的电机。

7.如权利要求1或2所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：驱动器内部存储有多套参数，一套参数对应一种功率的伺服电机。

8.如权利要求1所述的单驱动器多电机的交流伺服控制系统，其特征在于：电机切换部分包含反馈切换电路和UVW切换电路。