CN105356800B - 一种多轴步进电机细分驱动系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多轴步进电机细分驱动系统及装置，包括：多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置；步进电机细分驱动板卡，与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；运动控制系统驱动电源装置，与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接。本发明有益效果：将多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置、步进电机细分驱动板卡和运动控制系统驱动电源装置集成在一起，通过合理的结构使它们有机连接，形成一独立完整的整体，并且提升了集成化程度；减少了各单元之间的连线，降低了成本，同时包含有EMC/EMI抑制单元、主动式PFC单元和功率变换变压隔离单元，使整个系统的抗干扰能力大为加强，系统的稳定性更加优异。
Description
技术领域
本发明涉及多轴步进电机控制领域，特别是指一种多轴步进电机细分驱动系统及装置。
背景技术
在数控机械雕刻设备和数控激光雕刻、切割设备，以及自动生产线机械手等设备上需要完成多个方位上的空间位移和位置定位，从而大量采用了各种各样的控制电机，步进电机就是比较常用的一种。在一个设备上往往有多个步进电机同时工作，共同协作完成各种复杂的曲线运动，并要求能够精确定位。这就要求有多个步进电机细分驱动器驱动每一个电机，而每个电机驱动器又需要电源驱动，再加上市电接入、驱动电源和电机细分驱动器之间的连线、运动控制系统和电机细分驱动器之间的连线、电机细分驱动器和步进电机之间的连线等，整套线路连接比较复杂。如图1是最简单的数控设备系统：仅有X轴、Y轴两个方向的运动，需要有两个独立的细分驱动器、给细分驱动器供电的驱动电源、给运动控制系统供电的驱动电源和运动控制系统。如果两个细分驱动器使用的输入电压不同，就必须有两块不同输出的驱动电源，如图2所示。每个部分都是独立的模块，都需要单独安装。当有多轴数控设备需要电机需要驱动时，连接方式更加复杂，而且走线较多，这不利于系统的可靠性和故障的查找。
在实际的应用中，此种运动控制系统存在如下缺陷：
1、细分驱动器、驱动器驱动电源和运动控制系统驱动电源是分别独立的单体，使用时必须分别安装，增加了装配难度，增大了安装空间，不利于体积的小型化，故障更换时增加了更换的难度。
2、细分驱动器、驱动器驱动电源、运动控制系统驱动电源、运动控制系统在使用时只能依靠连线连接，增加了系统生产的难度和复杂程度。
3、复杂的连接方式给整个系统的可靠性造成不良影响，不利于故障后问题的快速查找和维修，增加了维护的难度。
4、独立单体的应用不利于控制信号的集中，额外增加了系统的复杂程度。
5、大量较长连线的使用，易造成信号的干扰，不利于整个系统的运行稳定性。
发明内容
本发明提出一种多轴步进电机细分驱动系统及装置，解决了现有技术中上述的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种多轴步进电机细分驱动系统，包括：
多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置；
步进电机细分驱动板卡，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
运动控制系统驱动电源装置，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接。
进一步地，所述步进电机细分驱动板卡包括：
低功率步进电机细分驱动板卡，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
高功率步进电机细分驱动板卡，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接。
优选地，所述低功率步进电机细分驱动板卡和所述高功率步进电机细分驱动板卡均与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置可插拔连接。
进一步地，所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置包括：
市电输入接口；
EMC/EMI抑制单元，与所述市电输入接口连接；
主动式PFC单元，与所述EMC/EMI抑制单元连接；
功率变换变压隔离单元，与所述主动式PFC单元连接；
运动控制系统驱动电源变换单元，与所述功率变换变压隔离单元连接；
运动控制系统辅助电源接口，与所述运动控制系统驱动电源变换单元连接；
主输出电压分配单元，与所述功率变换变压隔离单元连接；
驱动板卡插口，与所述主输出电压分配单元和所述步进电机细分驱动板卡连接；
检测及信号处理单元，与所述功率变换变压隔离单元连接；
功率变换控制单元，与所述检测及信号处理单元和所述功率变换变压隔离单元连接；
辅助电源变换单元，与所述主动式PFC单元、所述功率变换控制单元和所述驱动板卡插口连接。
优选地，所述运动控制系统辅助电源接口包括与所述功率变换变压隔离单元连接的DC5V接口、DC12V接口和DC24V接口中的任意一种或多种。
一种如上所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，包括：
机壳，包括顶面、底面、第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；
母板，设置于所述机壳内，与所述底面连接，所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置和所述运动控制系统驱动电源装置设置于所述母板上；
步进电机细分驱动板卡安装口，设置于所述顶面和所述第二侧面上；
散热扇，设置于所述第一侧面上；
市电输入插口，设置于所述第二侧面上；
运动控制系统辅助电源插口，设置于所述第二侧面上；
散热孔，包括第一散热孔和第二散热孔，所述第一散热孔设置于所述第三侧面上，所述第二散热孔设置于所述第四侧面与所述底面交界的棱上。
进一步地，本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，还包括：
盖板，与所述步进电机细分驱动板卡连接，覆盖于所述步进电机细分驱动板卡安装口上方。
优选地，所述盖板的横截面为门型，一端与所述第二侧面连接，另一端与所述第四侧面连接。
进一步地，本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，还包括：
拨码开关，设置于所述盖板上，与所述步进电机细分驱动板卡连接；
指示灯，设置于所述盖板上，与所述步进电机细分驱动板卡连接。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，更改现有细分驱动器、驱动器驱动电源和运动控制系统驱动电源的电路方式，将多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置、步进电机细分驱动板卡和运动控制系统驱动电源装置集成在一起，通过合理的结构使它们有机连接，形成一独立完整的整体，并且提升了集成化程度。
2、本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，减少了各单元之间的连线，降低了成本，同时包含有EMC/EMI抑制单元、主动式PFC单元和功率变换变压隔离单元，使整个系统的抗干扰能力大为加强，系统的稳定性更加优异。
3、本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，降低了整机生产装配的复杂程度和难度，大大节约了人力成本；节省了安装空间，有利于整个设备的小型化。
4、本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，可以拔插的步进电机细分驱动板卡简化了故障时的更换过程，有利于缩短故障后的维修时间，为客户节省了待工时间，简单实用的连接方式，有利于故障后问题的快速查找和维修，降低了维护的难度和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的X轴、Y轴输入电压相同的步进电机细分驱动系统；
图2为现有的X轴、Y轴输入电压不同的步进电机细分驱动系统；
图3为本发明一种多轴步进电机细分驱动系统的结构框图；
图4为本发明一种多轴步进电机细分驱动系统的另一结构框图；
图5为本发明一种多轴步进电机细分驱动系统的多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置的结构框图；
图6为本发明一种多轴步进电机细分驱动系统的装置的结构示意图；
图7为本发明一种多轴步进电机细分驱动系统的装置的另一结构示意图；
图8为本发明一种多轴步进电机细分驱动系统的装置的另一结构示意图；
图9为本发明一种X轴、Y轴输入电压不同的多轴步进电机细分驱动系统的结构框图。
图中：
1、机壳；101、顶面；102、底面；103、第一侧面；104、第二侧面；105、第三侧面；106、第四侧面；2、步进电机细分驱动板卡安装口；3、散热扇；4、市电输入插口；5、运动控制系统辅助电源插口；6、第一散热孔；7、第二散热孔；8、盖板；9、拨码开关；10、指示灯。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作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3-5所示，本发明所述的一种多轴步进电机细分驱动系统，包括：
多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置；
步进电机细分驱动板卡，与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
运动控制系统驱动电源装置，与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接。
本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，更改现有细分驱动器、驱动器驱动电源和运动控制系统驱动电源的电路方式，将多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置、步进电机细分驱动板卡和运动控制系统驱动电源装置集成在一起，通过合理的结构使它们有机连接，形成一独立完整的整体，并且提升了集成化程度。
其中，所述步进电机细分驱动板卡包括：
低功率步进电机细分驱动板卡，与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
高功率步进电机细分驱动板卡，与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接。
其中，优选地，所述低功率步进电机细分驱动板卡和高功率步进电机细分驱动板卡均与多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置可插拔连接。
本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，可以拔插的步进电机细分驱动板卡简化了故障时的更换过程，有利于缩短故障后的维修时间，为客户节省了待工时间，简单实用的连接方式，有利于故障后问题的快速查找和维修，降低了维护的难度和成本。
其中，所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置包括：
市电输入接口；
EMC/EMI抑制单元，与市电输入接口连接；
主动式PFC单元，与EMC/EMI抑制单元连接；
功率变换变压隔离单元，与主动式PFC单元连接；
运动控制系统驱动电源变换单元，与功率变换变压隔离单元连接；
运动控制系统辅助电源接口，与运动控制系统驱动电源变换单元连接；
主输出电压分配单元，与功率变换变压隔离单元连接；
驱动板卡插口，与主输出电压分配单元和步进电机细分驱动板卡连接；
检测及信号处理单元，与功率变换变压隔离单元连接；
功率变换控制单元，与检测及信号处理单元和功率变换变压隔离单元连接；
辅助电源变换单元，与主动式PFC单元、功率变换控制单元和驱动板卡插口连接。
多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置的原理框图如图5所示，是一个多功能、多输出的AC/DC变换电源，主要提供步进电机细分驱动板卡的直流主电源、辅助直流电源，其上配合有适合低功率步进电机细分驱动板卡和高功率步进电机细分驱动板卡的插槽，步进电机细分驱动板卡所需的主电源、辅助电源通过插槽和步进电机细分驱动板卡的插头配合连接而提供。由于低功率步进电机细分驱动板卡和高功率步进电机细分驱动板卡所需要的输入电压不同，主电源设计有两种输出电压，并分别连接到输出插槽的不同位置上，不同功率的步进电机细分驱动板卡通过不同的插头位置获得不同的输入电压。本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置，减少了各单元之间的连线，降低了成本，同时包含有EMC/EMI抑制单元、主动式PFC单元和功率变换变压隔离单元，使整个系统的抗干扰能力大为加强，系统的稳定性更加优异。
其中，优选地，所述运动控制系统辅助电源接口包括与功率变换变压隔离单元连接的DC5V接口、DC12V接口和DC24V接口中的任意一种或多种。
如图6-8所示，本发明所述的一种如上所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，包括：
机壳1，包括顶面101、底面102、第一侧面103、第二侧面104、第三侧面105和第四侧面106；
母板，设置于机壳1内，与底面102连接，多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置和运动控制系统驱动电源装置设置于母板上；
步进电机细分驱动板卡安装口2，设置于顶面101和第二侧面104上；
散热扇3，设置于第一侧面103上；
市电输入插口4，设置于第二侧面104上；
运动控制系统辅助电源插口5，设置于第二侧面104上；
散热孔，包括第一散热孔6和第二散热孔7，第一散热孔6设置于第三侧面105上，第二散热孔7设置于第四侧面106与底面2交界的棱上。
其中，所述步进电机细分驱动板卡安装口2包括两部分，即设置于顶面101的第一步进电机细分驱动板卡安装口和设置于第二侧面104的第二步进电机细分驱动板卡安装口，第一步进电机细分驱动板卡安装口主要用于安装时将步进电机细分驱动板卡插在母板上，第二步进电机细分驱动板卡安装口主要用于步进电机细分驱动板卡安装好后工作输出。
其中，本发明所述的多轴步进电机细分驱动装置，还包括：
盖板8，与步进电机细分驱动板卡连接，覆盖于步进电机细分驱动板卡安装口2上方。
其中，优选地，所述盖板8的横截面为门型，一端与第二侧面104连接，另一端与第四侧面106连接。
其中，本发明所述的多轴步进电机细分驱动装置，还包括：
拨码开关9，设置于盖板8上，与步进电机细分驱动板卡连接；
指示灯10，设置于盖板8上，与步进电机细分驱动板卡连接。
从结构上，多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置做成适合板卡插拔结构：在机壳1上留有便于步进电机细分驱动板卡拔插的空间和位置，步进电机细分驱动板卡插上后能保证良好的电气连接，同时还和整个机壳相互融合、平整一致，仅用两个螺丝就可将步进电机细分驱动板卡和机壳1牢固的固定在一起。低功率步进电机细分驱动板卡和高功率步进电机细分驱动板卡，是两种输出功率不同的产品，可以完成步进电机细分驱动的所有功能，包括最大输出电流调节、细分设定、半流设定、方向设定等，并保证和现有市场使用的外部接口一致，满足通用性要求。低功率步进电机细分驱动板卡和高功率步进电机细分驱动板卡都设计有便于拔插的连接器，和多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置插槽配合完成步进电机细分驱动的主电源、辅助电源接入，同时省去了在步进电机细分驱动板卡上进行DC/DC变换以获得板卡辅助电源的电路部分，节省了空间，为进一步减小驱动板卡的体积打下基础。在连接器的相对方向上放置用 于细分调整、最大电流调整、半流、方向的拨码开关9和指示灯10，拨码开关9位于顶部，便于整体安装后用户使用。电机驱动线和控制信号线位于拨码开关所在平面的垂直位置，减少两种线之间的相互干扰，整机装配后，各种线分布在两侧，增加整个设备的美观程度。
多轴步进电机细分驱动系统的装置的整体机械结构，具体为，母板安装于机壳1内的底部，机壳1设计有与步进电机细分驱动板卡相适应的步进电机细分驱动板卡安装口2，步进电机细分驱动板卡通过螺钉固定于机壳1上，形成一个整体，并保证外观平整美观。步进电机细分驱动板卡的散热器既作为散热之用，也作为步进电机细分驱动板卡的固定安装之用，散热器的一头打孔或做成叉指形，以便于和机壳1的散热孔、散热扇3构成风道，使整机散热良好。
综上，本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置可完成三轴两种不同功率步进细分驱动的所需所有功能，包括为步进电机细分驱动板卡提供主直流电源、为运动控制系统提供工作电源和驱动步进电机的细分驱动电路等。以本发明所述的多轴步进电机细分驱动系统及装置组成背景技术中图2的相同功能的框图变为图9所示。以此思路可以设计成四轴、五轴、六轴等其它多轴步进电机细分驱动系统。本发明完全可以替代背景技术中运动控制系统，大大简化了生产装配复杂程度，节约了成本，节省了空间，同时由于大量减少了原来各模块之间的连线，使整个系统的抗干扰能力大为加强，系统的稳定性更优异。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多轴步进电机细分驱动系统，其特征在于，包括：
多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置；
步进电机细分驱动板卡，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
运动控制系统驱动电源装置，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
其中，所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置包括：
市电输入接口；
EMC/EMI抑制单元，与所述市电输入接口连接；
主动式PFC单元，与所述EMC/EMI抑制单元连接；
功率变换变压隔离单元，与所述主动式PFC单元连接；
运动控制系统驱动电源变换单元，与所述功率变换变压隔离单元连接；
运动控制系统辅助电源接口，与所述运动控制系统驱动电源变换单元连接；
主输出电压分配单元，与所述功率变换变压隔离单元连接；
驱动板卡插口，与所述主输出电压分配单元和所述步进电机细分驱动板卡连接；
检测及信号处理单元，与所述功率变换变压隔离单元连接；
功率变换控制单元，与所述检测及信号处理单元和所述功率变换变压隔离单元连接；
辅助电源变换单元，与所述主动式PFC单元、所述功率变换控制单元和所述驱动板卡插口连接；
所述步进电机细分驱动板卡包括：
低功率步进电机细分驱动板卡，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接；
高功率步进电机细分驱动板卡，与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置连接。
2.根据权利要求1所述的多轴步进电机细分驱动系统，其特征在于，所述低功率步进电机细分驱动板卡和所述高功率步进电机细分驱动板卡均与所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置可插拔连接。
3.根据权利要求1所述的多轴步进电机细分驱动系统，其特征在于，所述运动控制系统辅助电源接口包括与所述功率变换变压隔离单元连接的DC5V接口、DC12V接口和DC24V接口中的任意一种或多种。
4.一种如权利要求1所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，其特征在于，包括：
机壳(1)，包括顶面(101)、底面(102)、第一侧面(103)、第二侧面(104)、第三侧面(105)和第四侧面(106)；
母板，设置于所述机壳(1)内，与所述底面(102)连接，所述多轴步进电机驱动板卡的驱动电源装置和所述运动控制系统驱动电源装置设置于所述母板上；
步进电机细分驱动板卡安装口(2)，设置于所述顶面(101)和所述第二侧面(104)上；
散热扇(3)，设置于所述第一侧面(103)上；
市电输入插口(4)，设置于所述第二侧面(104)上；
运动控制系统辅助电源插口(5)，设置于所述第二侧面(104)上；
散热孔，包括第一散热孔(6)和第二散热孔(7)，所述第一散热孔(6)设置于所述第三侧面(105)上，所述第二散热孔(7)设置于所述第四侧面(106)与所述底面(2)交界的棱上。
5.根据权利要求4所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，其特征在于，还包括：
盖板(8)，与所述步进电机细分驱动板卡连接，覆盖于所述步进电机细分驱动板卡安装口(2)上方。
6.根据权利要求5所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，其特征在于，所述盖板(8)的横截面为门型，一端与所述第二侧面(104)连接，另一端与所述第四侧面(106)连接。
7.根据权利要求5所述的多轴步进电机细分驱动系统的装置，其特征在于，还包括：
拨码开关(9)，设置于所述盖板(8)上，与所述步进电机细分驱动板卡连接；
指示灯(10)，设置于所述盖板(8)上，与所述步进电机细分驱动板卡连接。
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2015
- 2015-12-04 CN CN201510889777.2A patent/CN105356800B/zh active Active
Patent Citations (5)
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