CN103246233A - 智能电主轴伺服驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

智能电主轴伺服驱动控制系统，包括：控制电源模块、动力电源模块、嵌入式DSP电机中央控制单元、功率控制模块、伺服主轴电机、反馈模块、智能控制信号处理单元、输入功能块、输出功能块、CAN通讯、RS285通讯、UART通讯及人机界面模块，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。通过本伺服驱动控制系统，可直观显示，方便快捷，可以修改参数，实现基本控制。其速度设定灵活、精度高、功耗低、功率因数高。该系统可以和其它系统之间通讯，可以有效的和其它系统配合工作。

Description

智能电主轴伺服驱动控制系统

技术领域

本发明涉及一种装备制造业的数控机床控制领域，特别是一种智能电主轴伺服驱动控制系统。 

背景技术

电主轴控制分别为三相异步电机控制、变频马达控制及伺服驱动控制。目前，电主轴控制主要问题是结构复杂、故障率高、不易维修、驱动电机易过载烧损、功耗高，功率因数低，缺乏多样性。三相异步电机控制：速度可调局限性大，启动停止对电网影响大；变频马达控制：开环控制精度低。 

发明内容

为解决已有技术存在的缺陷，本发明提出一种伺服控制精准定位、定位速度曲线可设、速度精度高，可集成性强，兼容性强的智能电主轴伺服驱动控制系统。 

实现本发明目的，本发明采用的技术方案是: 智能电主轴伺服驱动控制系统，包括：控制电源模块、动力电源模块、嵌入式DSP电机中央控制单元、功率控制模块、伺服主轴电机、反馈模块、智能控制信号处理单元、输入功能块、输出功能块、CAN通讯、RS285通讯、UART通讯及人机界面模块，所述的控制电源模块主要负责为总系统的各个模块提供电源；控制电源模块输入为三相AC380V经“干扰抑制模块”滤波，去噪声，抗干扰后输出给三相整流桥，三相整流桥将三相AC380整流成纹波较大的直流电源，经过滤波电容后可以获得稳定的直流电源，再经过隔离开关电源分别设计三种电源，分别是：处理器电源、功率模块控制电源、IO输入输出电源。 

所述的动力电源模块是为功率控制模块提供动力能源的模块，输入要求为三相AC380V，经三相整流桥将三相AC380整流成纹波较大的直流电源，经过滤波电容后可以获得稳定的直流电源，再利用储能电容将能源储备，由此为功率模块提供稳定动力能源。 

所述的伺服主轴电机驱动是以嵌入式DSP电机中央控制单元为中心，伺服主轴电机运转的核心部分就在于此，嵌入式DSP电机中央控制单元采用TM320LF2407作为处理器对复杂的电机驱动进行计算，利用高速的处理能力和和强大的DSP数据处理能力，以实现“电流环”，“速度环”“位置环”三大闭环功能。 

所述的反馈模块是实现闭环的模块，反馈内容包括电压反馈，电流反馈，位置反馈，温度反馈，电压反馈主要反应动力电源状态，采用了ACS712ELCTR-30B-T电流传感器，经运算放大器处理给处理器实现电流环闭环，位置反馈反馈电机的转动位置，采用了OIH48-2500P-L6-5V编码器，位置精度可达1/10000圈。正是有了反馈模块才完成速度环和位置环闭环。温度反馈主要反馈两处温度，一处是主轴伺服电机温度，由于电机运转产生温度，另一处是功率控制模块温度，由于功率模块发热。 

所述的智能控制信号处理单元，包括人机界面，输入输出，CAN通讯，RS485通讯，UART通讯，控制伺服主轴电机驱动，输入采用双向光耦PS2805-1输出，采用光偶继电器AQW212A进行隔离；输入采用了PS2805-1双向光耦所有输入高低电平可选，加入可编程IO程序，所有IO都可以编程映射出不同的功能，为用户解决配线麻烦问题，人机界面采用5位数码管和4个组合按键，有长按键快速累加，可修改数值闪烁，还可以通过人机界面修改参数，或控制主轴转动。 

本发明的有益效果是：伺服主轴电机是本系统的执行者，是智能化控制体现，它将机床主轴与主轴电机融为一体使高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的 

长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。通过本伺服驱动控制系统，可直观显示，方便快捷，可以修改参数，实现基本控制。其速度设定灵活、精度高、功耗低、功率因数高。智能电主轴伺服驱动控制系统可以和其它系统之间通讯。本系统可以有效的和其它系统配合工作。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。 

附图说明

图1是本发明的控制系统示意方框图； 

图2是本发明中控制电源模块示意方框图；

图3是本发明中动力电源模块示意方框图；

图4是本发明中伺服主轴电机示意方框图；

图5是本发明中反馈模块示意方框图；

图6是本发明中智能控制信号处理单元示意方框图。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。 

具体实施方式

如图1所示，本发明电主轴伺服驱动控制系统，包括：控制电源模块、动力电源模块、嵌入式DSP电机中央控制单元、功率控制模块、伺服主轴电机、反馈模块、智能控制信号处理单元、输入功能块、输出功能块、CAN通讯、RS285通讯、UART通讯、人机界面模块。 

控制电源模块，是本系统能源部分，包括“双CPU”输入/输出、功率模块等。“动力电源模块”是为伺服主轴电机提供能源装置，“嵌入式DSP电机中央控制单元”伺服主轴电机驱动精准控制，包括电流采集闭环控制、速度采集闭环控制、位置采集闭环控制、故障及预警。“输入功能块”主要是输入信号处理。“输出功能块”主要是输出反馈信号。“CAN通讯”实现通信组网，“485通讯”实现通信组网，“UART通讯”与PC机通信修改参数。“人机界面模块”直观显示，方便快捷，可以修改参数，实现基本控制。 

该系统的主要能源有两部分组成:控制电源模块和动力电源模块。 

如图2所示，控制电源模块，主要负责为总系统的各个模块提供电源，控制电源模块输入为三相AC380V经“干扰抑制模块”滤波，去噪声，抗干扰后输出给三相整流桥，三相整流桥将三相AC380整流成纹波较大的直流电源。经过滤波电容后可以获得稳定的直流电源。在经过隔离开关电源分别设计三种电源，分别DC5V(处理器电源)、DC15V(功率模块控制电源)、DC24V（IO输入输出电源）。DC5V经过两个DC-DC块，产生两个隔离DC5V(CAN和485电源)，以上为控制部分电源。 

如图3所示，动力电源模块，是为功率控制模块提供动力能源的模块，输入要求为三相AC380V，经三相整流桥将三相AC380整流成纹波较大的直流电源。经过滤波电容后可以获得稳定的直流电源，再利用储能电容将能源储备，由此为功率模块提供稳定动力能源。 

如图4所示，伺服主轴电机驱动，是以嵌入式DSP电机中央控制单元为中心，伺服主轴电机运转的核心部分就在于此。嵌入式DSP电机中央控制单元采用TM320LF2407作为处理器对复杂的电机驱动进行计算，利用高速的处理能力和和强大的DSP数据处理能力，高速实现了“电流环”，“速度环”“位置环”三大闭环功能。能够顺利实现这“三大环”不可或缺的就是执行媒介，执行者，反馈者。功率控制模块作为中央控制单元的执行媒介，而伺服主轴电机则是指令的执行者，反馈模块有效的将伺服的信息反馈回中央控制单元。 

功率控制模块的能源来源于动力电源模块，该系统为了把动力电源和控制电源有效分开选用了HCPL3120光耦，充分有效避免了电机对系统的干扰。驱动模块采用了飞兆的FSBB30CH60F，该模块具有价格低、体积小等特点，最重要的是只需一路电源，上桥臂电源由自身自举产生。该模块在系统中的功能为把母线的直流电源逆变成电压，频率可调的三相交流电源，进而控制伺服主轴电机。 

伺服主轴电机是本系统的执行者，是所有的智能化控制体现，他是将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。高速数控机床主传动系统取消了带轮传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。 

如图5所示，反馈模块，是实现闭环不可或缺的一个模块，反馈内容包括电压反馈，电流反馈，位置反馈，温度反馈，如图4、图5所示，电压反馈主要反应动力电源状态，如是否欠压，过压等。电流反馈主要是反馈速出电流，采用了ACS712ELCTR-30B-T电流传感器，经运算放大器处理给处理器实现电流环闭环。位置反馈反馈电机的转动位置，采用了OIH48-2500P-L6-5V编码器，位置精度可达1/10000圈。正是有了反馈模块才完成速度环和位置环闭环。温度反馈主要反馈两处温度，一处是主轴伺服电机温度，由于电机运转产生温度，另一处是功率控制模块温度，由于功率模块发热。 

伺服主轴电机控制有了基础的执行媒介，执行者，反馈者最后少的是核心控制，嵌入式DSP电机中央控制单元处理器TM320LF2407除了有优越的速度和计算优势，还有正常MCU的丰富资源，电机PWM控制，正交编码QEI接收，DAC模拟量采集，和丰富的通讯接口，TM320LF2407通过对DAC和QEI上数据采集，PID调节PWM的频率和占空比实现电流、速度、位置闭环。 

如图6所示，智能控制信号处理单元，是本发明的重要组成部门，涵盖了人机界面，输入输出，CAN通讯，RS485通讯，UART通讯，控制伺服主轴电机驱动。 

其输入采用双向光耦PS2805-1输出采用光偶继电器AQW212A进行隔离，避免IO电对控制系统干扰，提高系统稳定性，输入采用了PS2805-1是双向光耦所有输入高低电平可选，加入可编程IO程序，所有IO都可以编程映射出不同的功能，为用户解决配线麻烦问题。 

人机界面采用5位数码管和4个组合按键，成本小使用简单方便，增加组合按键功能，有长按键快速累加，修改数值闪烁功能。还何以通过人机界面修改参数，或控制主轴转动。与嵌入式DSP电机中央控制单元直接通讯，通讯内容包括给嵌入式DSP电机中央控制单元发布控制信息，和收集嵌入式DSP电机中央控制单元的反馈信息、参数设置、系统配置、存储设置、实现了双核共同处理共同计算，优势互补。 

本系统对外通讯有三种：CAN通讯、RS485通讯、UART通讯，可以通过这3种通讯方式进行查看和修改参数、控制运行等等，模块实现了CAN 2.0B 协议，该协议主要用于工业和汽车应用。该异步串行数据通信协议能在电气噪声环境下提供可靠的通信，本通讯兼容DeviceNet协议，接口通用容易级联。RS485工业现场通讯，传输距离长，抗干扰能力强。符合标准MODBUS通讯协议。波特率可设置。UART只要是与PC机之间通讯，调节参数。用了以上三种兼容性强的通讯方式。智能电主轴伺服驱动控制系统可以和其它系统之间通讯。本系统可以有效的和其它系统配合工作。 

Claims (1)

1.智能电主轴伺服驱动控制系统，包括：控制电源模块、动力电源模块、嵌入式DSP电机中央控制单元、功率控制模块、伺服主轴电机、反馈模块、智能控制信号处理单元、输入功能块、输出功能块、CAN通讯、RS285通讯、UART通讯及人机界面模块，其特征在于：

所述的控制电源模块主要负责为总系统的各个模块提供电源；控制电源模块输入为三相AC380V经“干扰抑制模块”滤波，去噪声，抗干扰后输出给三相整流桥，三相整流桥将三相AC380整流成纹波较大的直流电源，经过滤波电容后可以获得稳定的直流电源，再经过隔离开关电源分别设计三种电源，分别是：处理器电源、功率模块控制电源、 IO输入输出电源；

所述的动力电源模块是为功率控制模块提供动力能源的模块，输入要求为三相AC380V，经三相整流桥将三相AC380整流成纹波较大的直流电源，经过滤波电容后可以获得稳定的直流电源，再利用储能电容将能源储备，由此为功率模块提供稳定动力能源；

所述的伺服主轴电机驱动是以嵌入式DSP电机中央控制单元为中心，伺服主轴电机运转的核心部分就在于此，嵌入式DSP电机中央控制单元采用TM320LF2407作为处理器对复杂的电机驱动进行计算，利用高速的处理能力和和强大的DSP数据处理能力，以实现“电流环”，“速度环”“位置环”三大闭环功能；

所述的反馈模块是实现闭环的模块，反馈内容包括电压反馈，电流反馈，位置反馈，温度反馈，电压反馈主要反应动力电源状态，采用了ACS712ELCTR-30B-T电流传感器，经运算放大器处理给处理器实现电流环闭环，位置反馈反馈电机的转动位置，采用了OIH48-2500P-L6-5V编码器，位置精度可达1/10000圈；正是有了反馈模块才完成速度环和位置环闭环；温度反馈主要反馈两处温度，一处是主轴伺服电机温度，由于电机运转产生温度，另一处是功率控制模块温度，由于功率模块发热；

所述的智能控制信号处理单元，包括人机界面，输入输出，CAN通讯，RS485通讯，UART通讯，控制伺服主轴电机驱动，输入采用双向光耦PS2805-1输出，采用光偶继电器AQW212A进行隔离，输入采用了PS2805-1是双向光耦所有输入高低电平可选，加入可编程IO程序，所有IO都可以编程映射出不同的功能，为用户解决配线麻烦问题，人机界面采用5位数码管和4个组合按键，有长按键快速累加，可修改数值闪烁，还可以通过人机界面修改参数，或控制主轴转动。

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