CN1303486C - 多轴数控处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用型多轴数字控制处理系统，其由一块控制线路板、多块驱动线路板及散热板组成。控制板可带3块驱动板，各驱动板可带2个电机。本发明采用目前最先进的数字信号处理技术及现场可编程序选通阵列技术，可同时控制及驱动由直流无刷、直流有刷或交流伺服电机连接的6轴。设计输出功率为1千瓦(12A X 85V)。双环数字控制系统的控制频率为电流环20kHz和位置环4kHz。用RS232或RS485连接端口和计算机连接，各驱动板提供2路+/-10V差分仿真输入，12位分辨率；4路差分及2路光电隔离数字输入；4路光电隔离输出。可连接I/O扩展卡。软件操作平台用于软、硬件安装调试、性能控制调试、故障诊断、结果分析及各类操作。并有编制各类应用程所需的DLL数据库。

Description

多轴数控处理系统

技术领域

本发明涉及数控处理系统，尤其是多种场合都能使用的通用型多轴电机数字控制及驱动系统。

背景技术

数控技术发展至今有几十年了，已发展出数不清的专用或通用数控处理系统。例如中国专利CN92102156，CN94244503和CN01237549所披露的那样。但不论何种系统都是由三个部分组成的，即指令输入部分、数据处理部分和运动执行部分。指令输入部分由最古老的穿孔带发展到新型计算机，表面上看来总算统一了，但实际使用时各种软件彼此之间多少还存在一些兼容性的问题。运动执行部分虽由步进电机发展到直流电机、伺服电机、直流无刷电机等等，但至今各种电机都还同时在使用。数据处理部分虽由开始时的大型插件的电路板逐渐变成集成电路插件的电路板，但因为运动执行部分可以是各种不同种类和规格的电机，以及使用本系统的机械的应用范围不同等原因，所以至今还是千变万化。而且数据处理部分的控制电路和驱动电路无法做成一体，它们之间要用电缆连接。此外，驱动部分也用数控的例子更是没有见过。

这种设计上不统一和结构上不能做成一体的后果，一是维修和更新困难，因为维修人员要记住各台机械的各自不同的线路，以及储备大量不同规格的备件。二是浪费了不必要的设计精力和制作费用，因为各个不同的设计的功能结果都是大同小异的，而各自分别制作的结果使各自的批量变小、成本增加。三是各自为政设计出来的电路板根本没法实时互换或连接，即在维修时既无法利用其它机械用的完好的备用电路板，也无法把任意三个三轴电路板组连接成一个九轴电路板组，使经济效率进一步降低。

因此，本案发明人在其在先申请(CN 03101901.3)中提出了一种装置，可以同时处理三根轴的数控处理系统。但由于近年来各种软硬件的高速发展，普通自动机(例如组合机床)上的工作轴数早已远远超过3根。因此一部机器往往需要同时使用多套现有技术装置，非但造成电子零件的浪费，提高了每轴的数控成本；而且繁复的线路反过来又造成了连接的困难(例如普通计算机不可能同时具有一式三个插座)和故障的增加。此外，现有技术的反应速度(32兆赫)和记忆容量都是基于三轴的要求，而目前先进的机械需要用到更多轴，对反应速度(例如需要80兆赫)和记忆容量的要求自然相应地提高。所以即使把三个现有技术装置叠加在一起也无法提高原有的反应速度和记忆容量。另外，现有技术各电子零件所使用的低压是5伏，而目前的电子零件都采用更低的3.3伏，电机的工作电压也不再限于100伏，200伏也须包括在内了。所以现有技术的个别电子零件损坏时将无零件可供替换。

发明内容

本发明的目的是消除现有技术设计所造成的不便和浪费，提供一种降低每轴数控成本30％，并能用于多至6个不同种类电机的、统一设计的、有互换性和连接性的、可取代绝大多数现有技术系统的通用型多轴数字控制处理系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种通用型多轴数字控制处理系统，其中，主要由一块控制板、多块驱动板和散热板组成，控制板和该驱动板设计成模块化的结构，而且可以通过板上的接口方便地组装在一起，并且都采用数控电路，控制板和驱动板上的主要组件为：

控制板上的主DSP采用ADSP-2188N芯片；

控制板上手控和/或个人计算机向该DSP的双向输入/输出是经过作为连接转换器及作为信号转换器的芯片ST16C550而到达该DSP的；

驱动板上的编码器接口向该DSP的单向输入经过作为信号转换器的DS26JV32芯片再送到现场可编程门阵列，该可编程的门阵列是XC2S30-TQ144系列FPGA芯片，再由该FPGA芯片双向地输入该DSP；

驱动板上有与来自上述控制板的数据地址总线连接的数据地址总线接口；

驱动板上的该数据地址总线接口双向地连接一个作为仿真-数字转换器的芯片AD7859AS；

驱动板上的该数据地址总线接口也连接到现场可编程门阵列XC2S30-TQ144系列芯片，再由该XC2S30-TQ144系列芯片通过作为驱动器的芯片IR2132，再经过场效应管的放大就直接由电机插口输向各电机；

驱动板上的霍尔传感器接口把来自各电机的判断三相位置的信号送到该XC2S30-TQ144系列芯片；

驱动板上的该XC2S30-TQ144系列芯片还单向地通过场效应管把放大了的控制信号送给制动系统。

如上所述的通用型多轴数字控制处理系统，其中，还有一块额外增加的总散热板，置于各驱动板的端部，和所述驱动板底下的各散热板连接，以进一步增加各散热板的散热效果。

本发明系统控制电路和驱动电路都采用数控，所以能方便地同时驱动不同型式的电机(例如，X轴是伺服电机，Y轴是直流电机，Z轴是步进电机)。本系统的设计采用模块化的结构，可以根据实际需要调整系统所需的电机的个数。系统由一块控制板和多块驱动板组成，每块控制板可以带动2个电机，而每块控制板最多可以带3块驱动板。因此，在实际应用中可以根据需要选择驱动板的数目，分别可以组成2轴，4轴或6轴的系统。

由于本发明的系统把控制部分和驱动部分设计成模块化的结构，而且可以通过板上的接口方便的组装在一起，形成控制部分和驱动部分于一体的结构。除了体积大大缩小也消除了分体结构的众多电缆所引起的电磁干扰等问题，提高了精度。这些特点对于维修和更新旧设备是十分重要的。

同时，本发明具有如下结构特征：

结构尺寸——由于本发明的系统把控制部分和驱动部分作成模块化的结构，而且可以通过板上的接口方便的组装成一体的结构。具有高度集成及小型化的特点以便能放入去掉现有技术系统的外壳内从而取代它。本系统共分多层，最上层是175×100mm的控制板。从第二层至第四层是三块200×100mm的功率放大板，用户可以根据需要只使用一块、两块或三块板，分别可以组成2轴、4轴或6轴的系统。控制板为4层布线的PCB板，驱动板为6层布线的PCB板。每块驱动板下安装有一块散热板。6轴系统组装后系统最大外形尺寸为315×100×40mm。

硬件特征——本发明采用目前最先进的DSP(数字信号处理)技术及FPGA(现场可编程序选通阵列)技术，可以同时控制及驱动由直流无刷电机、直流有刷电机、交流伺服电机连接的六轴。设计输出功率为1千瓦(12A X85V)。双环数字控制系统的控制频率为电流环20kHz和位置环4kHz。编码器采样频率达5MHz。可用监视器实时监控DSP的工作状态。可以工作在网络指令模式、脉冲模式、速度控制模式、梯形以S曲线点位运动。可以设置最大速度、最大加速度、以及加加速度。具有软限位和硬件限位功能。控制器采用数字可调的PID+速度前馈+加速度前馈的控制功能。

信号输送——本发明用RS232或RS485连接端口和计算机连接，每块驱动板提供2路+/-10V差分仿真输入，12位分辨率；4路差分输入；2路光电隔离数字输入；4路光电隔离输出。可连接I/O扩展卡。

软件特征——本发明的软件操作平台用于软、硬件安装调试、性能控制调试、故障诊断、结果分析及各类操作。支持Win9x/2000/NT/XP系统、能够利用上位机的界面对控制系统进行参数设置，并且可以具有对位置环和电流环的PID参数和前馈增益进行在线调节的功能。可以通过上位机的界面或控制器的闪灯指示诊断系统的工作状态。用户可用VC++、VB以及Delphi利用所提供的DLL数据库编制所须的各类应用程序。

本发明的实施例将参照附图详述如下。各图所示的实施例是设计用于单个电机的功率不大于1千瓦的场合，虽然这么大的功率已足够应用于目前绝大部分的场合，但如果碰到更大功率电机的场合，本专业的技术人员可以很方便地按本发明所公开的资料改用相应的大功率组件从而得到本发明的效果。

附图说明

图1是本发明系统中的位于上层的控制板主要组件布置图兼流程图；

图2是本发明系统中的功率放大(驱动)板主要组件布置图兼流程图；

图3是本发明系统组装后的侧视示意图，表示出各主要接口的位置；

图4是本发明系统组装后的前视示意图，表示出各主要接口的位置；

图5是本发明系统中的位于底层驱动板的散热板平面图；

图6是本发明系统中的位于中间层驱动板的散热板平面图。

其中，附图标记说明如下：

1连接螺栓

2输入输出接口

3霍尔传感器和编码器接口

4电机电源接口

5控制板和驱动板之间的连接器

6RS232/RS485接口

7电容

8控制板电源接口

9驱动板电源接口

10散热板(1)

11控制板

12驱动板

13散热板(2)

具体实施方式

图1是本发明系统的控制板组件布置图兼流程图。图中用方框表示组件的位置，用带箭头的线表示信号的流程。控制板是一块175×100mm的四层线路板，控制板上的RS232/RS485接口用于在网络指令模式下控制系统和上位机的通讯，通过上位机界面配置运动控制系统的参数。它可以方便地和目前最常用的PC(个人计算机)作双向连接。它和CPU(即DSP)之间的双向信号连接是通过作为连接转换器的ST16C550芯片作为信号转换器来进行的。

控制板上的Flash存储器(AM29LV400BB芯片)用于存储程序、参数以及驱动板上FPGA的配置文件。控制板上的数字信号处理器DSP(ADSP-2188N芯片)用于控制及调度系统的运行，它可以读取AM29LV400BB中的信息，也可以修改AM29LV400BB中的数据。

图2是本发明系统驱动板的组件布置图兼流程图。驱动板是一块200×100mm的六层线路板。仿真-数字转换器是一块AD7859AS芯片。用于把电流、电压、温度及外部仿真量信号转换为数字信号。现场可编程门阵列FPGA(XC2S30-TQ144系列芯片)主要用于I/O(输入/输出)的管理，产生PWM信号，采集编码器和霍尔传感器的信号以及接收和输出外部数字信号。该FPGA芯片还输出制动控制信号，该信号经过MOSFET把放大了的控制信号送给制动(Brake)系统。驱动板上由左至右装有I/O接口，制动系统接口，两个电机的编码器和霍尔传感器的接口以及电机电源的接口。

提供本发明系统中所有电路所需要的电压的电源部分由于是现有技术，在图1中就只是简单表示出，不再详细叙述了。

在图1和图2中可以看见控制板和驱动板通过板上的接口作双向连接的。控制板和驱动板上分别有是低、高压电源的接入口，由于属于现有技术，也不在这里多谈了。

图3和图4分别是本发明系统组装后的示意性的前视图和侧视图，表示出各主要接口的位置。图3中可以看本发明的系统组装后由四层组成。下面三块是长度为200mm的驱动部分，上面是长度为175mm的控制部分。每块驱动板下面的是长度为200mm的散热片。板上的各种接口如图所示。

图3和图4中画的虽是三块驱动板，但在实际使用时驱动板可以在一块至三块中自由选择。因为在本发明中，每块驱动板只驱动两个电机(轴)，所以三块板就可驱动六个电机。每块驱动板下面是一块散热板。该板是一块用机械加工制成的铝板。由于本发明系统的工作温度预定为0-75℃，所以当本发明系统被装在较小的有限空间内而输出功率又接近750瓦时，散热板最好直接贴在金属机身上以便利用金属机身增加有效散热面积。

图5和图6是本系统中所用的散热板，图5是位于中间的驱动器的散热板，图6是位于最底层的驱动板的散热板。并且本系统还可设置一块额外增加的总散热板(图中未示出)，置于各驱动板的端部，和该些驱动板底下的各散热板连接，以进一步增加各散热板的散热效果。

Claims (2)

1.一种通用型多轴数字控制处理系统，其特征在于，包括一块控制板、多块驱动板和散热板，该控制板和该驱动板设计成模块化的结构，而且可以通过该控制板和该驱动板上的接口方便地组装在一起，并且都采用数控电路，该控制板和该驱动板上的主要组件为：

该控制板上的主DSP采用ADSP-2188N芯片；

该控制板上手控和/或个人计算机向该DSP的双向输入/输出是经过作为连接转换器及作为信号转换器的芯片ST16C550而到达该DSP的；

该驱动板上的编码器接口向该DSP的单向输入经过作为信号转换器的DS26JV32芯片再送到现场可编程门阵列，再由该现场可编程门阵列芯片双向地输入该DSP，该可编程的门阵列是XC2S30-TQ144系列FPGA芯片；

该驱动板上有与来自上述控制板的数据地址总线连接的数据地址总线接口；

该驱动板上的数据地址总线接口双向地连接一个作为仿真-数字转换器的芯片AD7859AS；

该驱动板上的该数据地址总线接口也连接到现场可编程门阵列XC2S30-TQ144系列芯片，再由该XC2S30-TQ144系列芯片通过作为驱动器的芯片IR2132S，再经过场效应管的放大就直接由电机插口输向各电机；

该驱动板上的霍尔传感器接口把来自各电机的判断三相位置的信号送到该XC2S30-TQ144系列芯片；

该驱动板上的该XC2S30-TQ144系列芯片还单向地通过场效应管把放大了的控制信号送给制动系统。

2.如权利要求1所述的通用型多轴数字控制处理系统，其特征在于，还有一块额外增加的总散热板，置于各驱动板的端部，和所述驱动板底下的各散热板连接，以进一步增加各散热板的散热效果。

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