多轴电机数控处理系统 【技术领域】
本发明涉及电数字数据处理，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。(G05B 19/18)
背景技术
数控技术发展至今有几十年了，已有数不清的专用或通用数控处理系统。例如CN92102156，CN94244503和CN01237549。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。运动执行部分由步进电机发展到直流伺服电机、交流电机等等。至今各种电机都还在同时使用。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少见。
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地批量变小、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。
【发明内容】
本发明的目的是消除现有技术多样化设计所造成的不便和浪费，提供一种在不增加成本的条件下能用于多种电机的、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的通用型多轴数字控制及驱动系统。
本发明系统控制电路和驱动电路都采用数控，能方便地同时驱动不同型式的电机(例如，X轴是直流伺服电机，Y轴是永磁无刷直流电机(DC brushlessmotor)，Z轴是永磁同步电机(AC servo)。由于本发明的系统把控制部分和驱动部分连为一体，除了体积大大缩小以外，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。
本发明的目的是通过下列措施达到的：
(把权利要求部分加在此处)
1)结构尺寸--本发明把控制器和放大器做成一体，具有高度集成及小型化的特点。本系统共分三层，上层是175×100mm的控制板。中层是200×100mm的功率放大板。上下两层都是六层PCB(印刷线路板)设计，总共有500多个元器件。底层为散热板。组装后的最大外形尺寸为215×100×40mm。
2)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(现场可编程门阵列)技术，可以同时控制及驱动连接多类电机的三轴。设计输出功率将近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。
3)信号输送--本发明用RS232或RS485端口和计算机连接，提供4路+/-10V差分模拟输入，12位分辨率；6路差分及4路光电隔离数字输入；4路光电隔离输出。
4)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。DLL库函数可让用户在视觉C++(Visual C++)环境下调用。
【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是本发明系统中的位于中层的功率放大(驱动)板主要组件布置图兼流程图；
图3是本发明系统中的位于底层的散热板平面图；
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。
【具体实施方式】
本发明的实施例将参照上述各附图详述如下。上述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，虽然这幺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。
由图1可见本发明实施例的控制板是一块175×100mm的六层线路板。图中用方框表示组件的位置，用箭头表示信号的流程。(用文字叙述流程)。在图1的中部靠下位置可以看见一个主CPU，它是目前较先进的ADSP218X系列芯片(例如ADSP2181)，作为快速只读存储器(Flash ROM)的芯片29F200用来存储主CPU所需要的程序。ADSP218X可以读取29F200中的信息，也可修改29F200中的资料。
图1中的右上端的I/O(输入/输出)接口是采用RS232(或RS485)接口，以方便和目前最常用的PC(个人计算机)或其它的人手控制装置作双向连接。图1中I/O接口旁边的RS232接口可以用来传输由计算机发出的各种指令信息及将控制系统的信息传回至计算机。它和控制板CPU之间的双向信号连接是通过作为连接转换器的MAX232芯片送给作为信号转换器的PIC16C67芯片来进行。
由编码器送来的信号经过作为信号转换器的DS26C32芯片再送到作为现场可编程门阵列的XC5200系列芯片。该XC5200系列芯片接受ADSP218X发送来的控制信号，并将有关资料双向地送给该ADSP218X。
提供本发明系统中所有电路所需电压的电源部分(LM2956)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。
图2中示出了本发明系统中第二层功率放大(驱动)板，它是一块200×100mm的六层线路板。图2中也用方框表示主要组件的分布，用箭头表示信号的流程。在图2中可以看见第一层的控制板和本驱动板通过位于本图右下端的接口作双向连接的。AD7891芯片是一个模拟-数字转换器。来自接口的信号进入现场可编程门阵列XC5200系列芯片后，控制信号就通向三个驱动器的芯片IR2132，再经过功放管MOSFET(场效应管)的放大就直接经由电机接口输向各电机。由各电机传来的判断三相位置的信号由霍尔(Hall)接口送到该XC5200系列芯片。该XC5200系列芯片还经过MOSFET把放大了的控制信号送给制动(Brake)系统。本图的右上角是高、低压电源的接入口，由于属于现有技术，也不在这里多谈了。
图3中示出的是本发明系统所用的散热板平面图。该板是一块用机械加工制成的215×100×4mm(厚)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4是本发明系统组装后的示意性前视图，表示出各主要接口的位置。从图4可以看到本发明的系统组装后由三层组成。最下面的是长度为215mm的散热片，中间是长度为200mm的驱动部分，上面是长度为175mm的控制部分。在最上面的控制部分上由左至右分别装有I/O接口、RS232接口(图中两个接口的针数不同，所以接口的长度不同)、三个编码器接口。中间的驱动部分下由左至右装有高/低压电源接口、刹车(Brake)接口、三个电机电源接口、三个电机霍尔(Hall)传感器接口。