CN203434899U

CN203434899U - 一种用于多电机的高精度伺服控制器

Info

Publication number: CN203434899U
Application number: CN201320584134.3U
Authority: CN
Inventors: 李登静; 李萍
Original assignee: Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Current assignee: Sichuan Jiuzhou Electric Group Co Ltd
Priority date: 2013-09-22
Filing date: 2013-09-22
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2023-09-22

Abstract

本实用新型提供一种用于多电机的高精度伺服控制器，该控制器包括FPGA模块、MCU模块、时钟复位电路、数据采集模块、控制信号输出模块和按键电路，所述的FPGA模块通过总线与MCU模块连接，所述的时钟复位电路分别与FPGA模块和MCU模块连接，所述的数据采集模块与FPGA模块的反馈信号输入端连接，所述的控制信号输出模块与FPGA模块的控制信号输出端连接，所述的按键电路与FPGA模块连接。本实用新型采用FPGA和MCU联合控制，控制器成本低廉，且具有多种反馈输入接口和多个控制输出接口，可在多种控制方式下实现对多种电机的联动控制，能可广泛应用于机床、机器人等多电机，复杂运动机构中。

Description

一种用于多电机的高精度伺服控制器

技术领域

本实用新型涉及电机控制领域，尤其是涉及一种用于多电机的高精度伺服控制器。

背景技术

伺服控制器是用来控制电机的一种设备，主要应用于工业自动控制系统中，其运用微型控制器和相应的驱动器件实现对电机的运动控制，在控制过程中，往往带有反馈控制环节，以实现对电机的精确控制。

目前许多比较复杂的运动机构往往需要多种电机，多个电机同时配合工作，电机种类不同，其控制方式也不同，再加上控制电机个数较多，如果采用多个控制器对每个不同种类的电机分别进行控制，势必会增加控制系统的复杂度和不稳定性，同时，如果各个电机需要进行联动控制，则其运动控制配合度也变得较差，从而使系统控制性能变差；如果采用专用的运动控制器或运动控制卡，虽可实现对多个电机的精确联动控制，但其价格和成本则显然非常昂贵。

发明内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种用于多电机的高精度伺服控制器。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种用于多电机的高精度伺服控制器，其特征在于，该控制器包括FPGA模块、MCU模块、时钟复位电路、数据采集模块、控制信号输出模块和按键电路，所述的FPGA模块通过总线与MCU模块连接，所述的时钟复位电路分别与FPGA模块和MCU模块连接，所述的数据采集模块与FPGA模块的反馈信号输入端连接，所述的控制信号输出模块与FPGA模块的控制信号输出端连接，所述的按键电路与FPGA模块连接。

优选的，该控制器还包括用于上位机信号转换的电平转换模块和上位机，所述的上位机通过电平转换模块与FPGA模块连接。

优选的，所述的MCU模块为单片机、DSP数字信号处理器或ARM处理器。

优选的，所述的数据采集模块为ADC模拟信号接口、RS422信号接口、RS232信号接口、LVTTL信号接口和LVDS信号接口中的一个或多个。

优选的，该控制器还包括电源模块。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、采用FPGA和MCU联合控制，控制器成本低廉；

2、多种反馈输入接口，可满足对多种接口传感器的信号采集要求；

3、控制信号输出接口丰富，控制器在多种控制方式下可实现对多种电机的联动控制；

4、具有上位机远程控制和本机按键控制两种方式，用户控制方式选择多。

5、该控制器可广泛应用于机床、机器人等多电机，复杂运动机构中。

附图说明

图1为本实用新型伺服控制器的结构示意图；

图2为本实用新型伺服控制器的使用连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

如图1所示，本实用新型主要由FPGA模块、MCU模块、用于上位机信号转换的电平转换模块、数据采集模块、控制信号输出模块、按键模块、时钟复位电路和电源模块组成。

在上述组成部件中，FPGA模块作为伺服控制器的主控芯片，它通过总线与MCU模块相连接，把从数据采集模块接收到的反馈数据交由MCU模块进行处理，并对按键模块输入的按键信号进行除抖动处理后送入MCU模块；并且，它从MCU模块接收处理后的数据用于产生电机控制信号，交由控制信号输出模块处理后输出给被控电机。

与FPGA模块相连的MCU模块主要负责对接收到的反馈信号根据预定的算法进行运算和处理，并将运算结果交由FPGA模块使用，同时，它接收经FPGA模块处理后的按键信号，用于对电机的控制。

数据采集模块主要包括ADC模拟信号接口、RS422信号接口、RS232信号接口、LVTTL信号接口和LVDS信号接口中的一个或多个，且数据信号接口的数量可根据反馈信号的数量进行配置。它接收传感器反馈的模拟信号、RS422差分信号或RS232电平信号，当接收模拟信号时，它将该信号经ADC转化为数字信号后传输给FPGA模块；当接收差分信号时，则通过数据采集模块中RS422信号接口转换为TTL电平信号传输给FPGA模块。当传感器信号为RS232电平信号时，则通过数据采集模块中RS232信号接口转换为TTL电平信号后传输给FPGA模块。

控制信号输出模块主要包括DAC(数字模拟信号转换器)，用于将FPGA模块输出的数字控制信号转化为模拟信号输出给模拟输入功率驱动器，如果电机功率驱动器输入端是数字信号，则直接将FPGA模块输出的数字控制信号给数字输入功率驱动器。

用于上位机信号转换的电平转换模块用于上位机和伺服控制器串行通信时，将MCU模块输出的TTL电平信号标准转化为上位机RS232电平信号标准。

按键模块根据它所连接的外部按键的状态，产生相应的控制信号给FPGA模块。按键信号包括：启动、遥/本控、定速控制、速度+、速度-、停止，可根据实际系统功能增加所需按键控制信号或减少无需按键控制信号。。启动信号用于伺服控制器开启对电机的控制；遥/本控信号决定了伺服控制器是根据上位机信号还是按键信号对电机进行控制，当按键信号为遥控时，伺服控制器采用上位机命令和数据对电机进行控制，当按键信号为本控时，伺服控制器则使用按键信号命令对电机进行控制；定速控制信号用于本控时，电机在伺服控制器作用下按固定转速运动。速度+信号用于在本控定速控制状态下，增大固定速度的值；速度-信号用于在本控定速控制状态下，减少固定速度的值。

时钟复位电路模块为FPGA模块和MCU模块提供时钟和复位信号。

电源模块主要用于对伺服控制器各器件提供所需电源，其输入电压为12V，输出电压为5V、3.3V及1.2V。

控制信号输出模块主要是：FPGA模块根据电机控制方式产生相应的控制信号，当电机功率驱动器为模拟输入时，FPGA模块产生与DAC转换位数相同的数字信号，经控制信号输出模块中的DAC转换为模拟信号后，输出给功率驱动器；当电机功率驱动器为PWM信号输入时，FPGA模块产生相应的PWM控制信号经控制信号输出模块直接给功率驱动器，控制信号输出模块的输出接口的数量可根据被控电机的数量进行配置。

具体的，FPGA模块采用芯片EP2C5T144C6；MCU模块采用单片机器件C8051F020；电平转换模块采用器件MAX3232；数据采集模块中ADC模拟信号接口采用AD0809、RS422信号接口采用器件MAX490、RS232信号接口采用器件MAX3232；控制信号输出模块采用器件AD5428；电源模块采用器件LM2596，LT1959和FAN1112S；时钟复位电路模块采用50M和30M晶振。

如图2所示，使用本伺服控制器控制电机（被控电机类型包含但不限于直流电机、步进电机，还包括如交流电机等其它电机。如被控对象为交流电机时，其对应的功率驱动器应为功率逆变器）时，例如使用设被控电机有3个，被控电机1为有刷直流电机，驱动器为L292；被控电机2为无刷直流电机，驱动器为DRV8312；被控电机3为2相步进电机，驱动器为L298。电机1采用的传感器有：电流传感器CHB-25NP、RS422接口的光电编码器RD38S；电机2采用的传感器有：电流传感器CHB-25NP、RS232接口的光电编码器RD38S；步进电机电机3驱动器自带电流反馈检测，无位置反馈传感器。其实施方法可以如下：

对电机1的控制，当遥/本控信号处于遥控状态时：伺服控制器采用上位机命令和数据对电机进行控制，单片机C8051F020经电平转换模块接收从上位机输入的控制指令和控制量，然后将控制量传输给FPGA芯片EP2C5T144C6，EP2C5T144C6在接收到按键的启动信号后，将接收到的控制量输出到控制信号输出模块AD5428，经DA转换后，将模拟控制信号输入给驱动器L292，以驱动电机1工作，传感器1中电流传感器CHB-25NP用于检测电机的电枢电流，然后把检测结果实时传输到数据采集模块中的AD0809进行AD转换后，将8位电流数字反馈信号传输给芯片EP2C5T144C6，EP2C5T144C6再将采集到的电流反馈信号与电流预设值（电机最大电流值）比较，当反馈电流信号值小于电流预设值时，电机正常工作；当反馈电流信号值大于电流预设值时，EP2C5T144C6立即停止输出对电机1的控制信号，从而起到对电机1的电流保护作用。传感器1中光电编码器RD38S用于检测电机1的位置，其检测结果实时传输到数据采集模块中的MAX490进行电平转换后，经EP2C5T144C6通过逻辑时序对反馈数据信号进行接收，然后通过总线传输到单片机C8051F020中进行运算，单片机C8051F020将接收到的数据应用PID（比例积分微分）控制算法（也可采用模糊控制算法、遗传算法等其它控制算法）计算出下一时刻控制量，通过EP2C5T144C6输出给控制信号输出模块中AD5428进行AD转换，输出给L292对电机1进行闭环控制。当遥/本控信号处于本控状态时：伺服控制器使用按键信号命令对电机进行控制，EP2C5T144C6首先接收到C8051F020预设控制值，当它接收到按键的启动信号后，将接收到的控制量输出到控制信号输出模块中AD5428，经DA转换后，将模拟控制信号输入给驱动器L292，以驱动电机1工作，通过速度+、速度-信号可以控制电机运行速度，其反馈控制原理和过程与在遥控状态下相同。

对电机2的控制原理与对电机1控制原理相同，不同之处在于：反馈回路中光电编码器RD38S的测量结果通过数据采集模块中的MAX3232电平转换后实时传输到EP2C5T144C6进行数据接收。由于电机2为无刷直流电机，其控制量为3路PWM信号，因此，在EP2C5T144C6根据C8051F020计算出的控制量产生出3路PWM信号后，通过控制信号输出模块直接输入给DRV8312，用于驱动电机2。

对电机3的控制，由于L298自带电流反馈检测引脚，因此，无需电流反馈检测器件，且电机3为步进电机，其转速与输入脉冲同步，位置和速度控制比较精准，故此实施例中无位置反馈。因此，EP2C5T144C6根据单片机C8051F020计算出的控制量产生出4路PWM控制信号，通过控制信号输出模块直接输入给L298，用于驱动电机3。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，应当指出的是，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于多电机的高精度伺服控制器，其特征在于，该控制器包括FPGA模块、MCU模块、时钟复位电路、数据采集模块、控制信号输出模块和按键电路，所述的FPGA模块通过总线与MCU模块连接，所述的时钟复位电路分别与FPGA模块和MCU模块连接，所述的数据采集模块与FPGA模块的反馈信号输入端连接，所述的控制信号输出模块与FPGA模块的控制信号输出端连接，所述的按键电路与FPGA模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于多电机的高精度伺服控制器，其特征在于，该控制器还包括用于上位机信号转换的电平转换模块和上位机，所述的上位机通过电平转换模块与FPGA模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于多电机的高精度伺服控制器，其特征在于，所述的MCU模块为单片机、DSP数字信号处理器或ARM处理器。

4.根据权利要求1所述的一种用于多电机的高精度伺服控制器，其特征在于，所述的数据采集模块为ADC模拟信号接口、RS422信号接口、RS232信号接口、LVTTL信号接口和LVDS信号接口中的一个或多个。

5.根据权利要求1所述的一种用于多电机的高精度伺服控制器，其特征在于，该控制器还包括电源模块。