專利名稱：采用單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型提供一種采用單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，屬于自動化、伺服傳動系統(tǒng)的控制設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的數(shù)字伺服傳動裝置，都是采用一組控制裝置實現(xiàn)對一臺伺服電機的控制，以實現(xiàn)該組伺服電機的自動化控制，當被控制對象是多臺伺服電機時，即我們通常說的多軸控制方式時，有多少臺伺服電機，就要相應(yīng)配置多少套伺服控制裝置.這種控制方式，成本高、體積大，系統(tǒng)的可靠性和效率都受到影響.

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種采用單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，本實用新型由主控芯片U1，接口電路1、2、3、N，線接收電路1、2和其他功能模塊四部分組成，一塊主控芯片U1與接口電路、線接收電路和其他功能模塊相連，實現(xiàn)對多臺伺服電機的獨立控制或者協(xié)調(diào)控制，可充分利用主控制芯片U1的數(shù)據(jù)處理能力和脈寬調(diào)制(PWM)外圍接口，以不同的控制方式分別控制類型不同的多臺伺服電機，控制精度高、穩(wěn)定性好。具有成本低、體積小的優(yōu)點.可廣泛應(yīng)用于機械、紡織、電子、印刷、冶金、石油、化工、輕工、包裝等自動化領(lǐng)域。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，其技術(shù)方案是在控制系統(tǒng)中，采用了一個由主控芯片、接口電路、線接收電路和其他功能模塊四部分組成的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括主控芯片U1、接口電路、線接收電路和其他功能模塊，與驅(qū)動模塊1、2、3、N和編碼器1、2相連。其特征在于采用一塊主控芯片U1與接口電路、線接收電路和其他功能模塊相連，通過驅(qū)動模塊和編碼器模塊連接伺服電機，同時實現(xiàn)多臺伺服電機的控制，在多臺伺服電機中，有兩臺伺服電機(伺服電機1和伺服電機2)，可以完全獨立地進行控制，分別實現(xiàn)各自的速度環(huán)和位置環(huán)，其它多臺伺服電機，實現(xiàn)開環(huán)控制，可以根據(jù)伺服電機1和伺服電機2的運行參數(shù)實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。伺服電機1類型可以是各類交流伺服電機，伺服電機2、伺服電機3直到伺服電機n，可以是無刷直流電機、永磁同步電機或直流伺服電機。(見圖1)采用本實用新型的優(yōu)點和效果本實用新型其特征在于采用一塊主控芯片實現(xiàn)多臺伺服電機的獨立控制或者協(xié)調(diào)控制，可充分利用主控制芯片U1的數(shù)據(jù)處理能力和脈寬調(diào)制(PWM)外圍接口，以不同的控制方式分別控制類型不同的多臺伺服電機，其中兩臺伺服電機可以完全獨立地實現(xiàn)各自的位置環(huán)和速度環(huán)控制，其它多臺伺服電機以開環(huán)方式運行。傳統(tǒng)的多伺服電機控制裝置一般都采用統(tǒng)一的驅(qū)動信號，各伺服電機轉(zhuǎn)速只是簡單的比例關(guān)系，不能實現(xiàn)復雜的邏輯控制功能。本實用新型提出的裝置，在不增加成本的前提下，可以實現(xiàn)一般需要采用自動化控制系統(tǒng)(如運動控制卡)和伺服電機驅(qū)動器一起，才能實現(xiàn)的較復雜的多伺服電機協(xié)調(diào)運動控制功能。與傳統(tǒng)的數(shù)字伺服傳動裝置相比較，本實用新型裝置具有成本低、體積小的優(yōu)點，另外，其核心控制算法在一塊主控芯片里完成，大大提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型進一步說明如下
圖1是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)圖圖2是線驅(qū)動電路1圖圖3是線驅(qū)動電路2圖圖4是接口電路驅(qū)動圖
具體實施方式
在圖1中，其技術(shù)方案是在控制系統(tǒng)中，采用了一塊主控芯片U1、其他功能模塊、1～n接口電路、線接收電路1～2。它們與驅(qū)動模塊1～n和編碼器1～2相連。控制系統(tǒng)由主控芯片U1及其它功能模塊構(gòu)成，其它功能模塊是已有技術(shù)，由虛線標出。驅(qū)動模塊1為伺服電機1的功率部分，其控制信號來自控制系統(tǒng)。驅(qū)動模塊1與控制系統(tǒng)之間的連線分為兩個部分一部分為保護信號及電流電壓等測量信號的輸入輸出，一般采用通用標準方式連接，是已有技術(shù)，由虛線標出；第二部分為驅(qū)動信號連接，通過接口電路1將U1的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6口輸出至驅(qū)動模塊1。驅(qū)動模塊1由電纜向伺服電機1提供輸入功率。伺服電機1的位置和速度信號由端部安裝的編碼器1檢測，編碼器1輸出信號通過線接收電路1輸入U1，其中位置信號A_1、B_1、Z_1相應(yīng)輸入U1的CAP1、CAP2、CAP3口，初始位置霍爾信號U_1、V_1、W_1相應(yīng)輸入U1的模擬信號采樣口ADCIN00、ADCIN01、ADCIN02。驅(qū)動模塊1接收六路PWM信號實現(xiàn)對橋式逆變電路的控制，伺服電機1的電流控制環(huán)和速度位置調(diào)節(jié)環(huán)都由主控芯片U1完成。
驅(qū)動模塊2為伺服電機2的功率部分。驅(qū)動模塊2與控制系統(tǒng)之間的連線也分為兩個部分其中保護信號輸出部分與驅(qū)動模塊1類似，是已有技術(shù)，由虛線標出；第二部分為驅(qū)動信號連接，通過接口電路2將U1的PWM7口輸出至驅(qū)動模塊2。驅(qū)動模塊2由電纜向伺服電機2提供輸入功率。伺服電機2的位置和速度信號由端部安裝的編碼器2檢測，編碼器2輸出信號通過線接收電路2輸入U1，其中位置信號A_2、B_2、Z_2相應(yīng)輸入U1的CAP4、CAP5、CAP6口，初始位置霍爾信號U_2、V_2、W_2相應(yīng)輸入U1的模擬信號采樣口ADCIN08、ADCIN09、ADCIN10。驅(qū)動模塊2根據(jù)輸入的PWM7占空比信號，調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)速，可以選擇在驅(qū)動模塊2中內(nèi)置電流環(huán)功能，位置和速度調(diào)節(jié)環(huán)由主控芯片U1實現(xiàn)。
驅(qū)動模塊3為伺服電機3的功率部分。驅(qū)動模塊3與控制系統(tǒng)之間的保護信號連線與驅(qū)動模塊2相同，驅(qū)動信號通過接口電路3將U1的PWM8口輸出至驅(qū)動模塊3，從而實現(xiàn)對伺服電機3的開環(huán)控制。
線驅(qū)動電路1原理如圖2所示，實現(xiàn)編碼器1與主控芯片U1的匹配連接。編碼器1輸出的差分位置信號A_1+IN、A_1-IN、B_1+IN、B_1-IN、Z_1+IN、Z_1-IN先通過濾波，再經(jīng)過線驅(qū)動芯片U2，再通過輸出濾波轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號A_1、B_1、Z_1。編碼器1輸出初始位置霍爾信號SU_1、SV_1、SW_1先通過濾波，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片U3轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號U_1、V_1、W_1。
線驅(qū)動電路2原理如圖3所示，實現(xiàn)編碼器2與主控芯片U1的匹配連接。編碼器2輸出的差分位置信號A_2+IN、A_2-IN、B_2+IN、B_2-IN、Z_2+IN、Z_2-IN先通過濾波，再經(jīng)過線驅(qū)動芯片U4，再通過輸出濾波轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號A_2、B_2、Z_2。編碼器2輸出初始位置霍爾信號SU_2、SV_2、SW_2先通過濾波，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片U5轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號U_2、V_2、W_2。
驅(qū)動接口電路1、接口電路2、接口電路3-接口電路N的連接形式如圖4所示。主控芯片U1輸出的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7、PWM8～PWMx驅(qū)動信號經(jīng)過電平匹配芯片U6、U7～Ux轉(zhuǎn)換再分別送入驅(qū)動模塊1～n，實現(xiàn)對各臺伺服電機的獨立或協(xié)調(diào)控制。
通過圖2、圖3、圖4的連線對本實用新型的技術(shù)方案作詳細說明圖2為伺服電機1編碼器1至主控芯片U1的連線圖。編碼器1出線A_1+IN經(jīng)過R1連至VCC1穩(wěn)壓，輸入至U2的10腳；編碼器1出線A_1-IN經(jīng)過R3連至地，輸入至U2的9腳；A_1+IN與A_1-IN之間接有R2與C1濾波。編碼器1出線B_1+IN經(jīng)過R4連至VCC1穩(wěn)壓，輸入至U2的6腳；編碼器1出線B_1-IN經(jīng)過R6連至地，輸入至U2的7腳；B_1+IN與B_1-IN之間接有R5與C2濾波。編碼器1出線Z_1+IN經(jīng)過R7連至VCC1穩(wěn)壓，輸入至U2的2腳；編碼器1出線Z_1-IN經(jīng)過R9連至地，輸入至U2的1腳；Z_1+IN與Z_1-IN之間接有R8與C3濾波。線接收芯片U2的4腳與16腳接VCC1，8腳與12腳接地。U2第3腳輸出信號對應(yīng)于U2的1、2腳的輸入信號，經(jīng)過R10和C6濾波形成Z_1信號輸出至主控芯片U1的捕獲口CAP3。U2第5腳輸出信號對應(yīng)于U2的6、7腳的輸入信號，經(jīng)過R11和C5濾波形成B_1信號輸出至主控芯片U1的捕獲口CAP2。U2第11腳輸出信號對應(yīng)于U2的9、10腳的輸入信號，經(jīng)過R12和C4濾波形成A_1信號輸出至主控芯片U1的捕獲口CAP1。編碼器1出線SU_1經(jīng)過R16和C9濾波輸入至電平轉(zhuǎn)換芯片U3的1腳，U3的第11腳對應(yīng)于相應(yīng)的輸出，該輸出管腳經(jīng)過R21匹配，再經(jīng)過R15和C12濾波，連接至主控芯片U1的模擬信號采樣口ADCIN00。編碼器1出線SV_1經(jīng)過R17和C8濾波輸入至電平轉(zhuǎn)換芯片U3的4腳，U3的第6腳對應(yīng)于相應(yīng)的輸出，該輸出管腳經(jīng)過R20匹配，再經(jīng)過R14和C11濾波連接至主控芯片U1的模擬信號采樣口ADCIN01。編碼器1出線SW_1經(jīng)過R18和C7濾波輸入至電平轉(zhuǎn)換芯片U3的13腳，U3的第3腳對應(yīng)于相應(yīng)的輸出，該輸出管腳經(jīng)過R19匹配，再經(jīng)過R13和C10濾波，連接至主控芯片U1的模擬信號采樣口ADCIN02。
圖3為伺服電機2、編碼器2至主控芯片U1的連線圖。編碼器2出線A_2+IN經(jīng)過R22連至VCC1穩(wěn)壓，輸入至U4的10腳；編碼器2出線A_2-IN經(jīng)過R24連至地，輸入至U4的9腳；A_2+IN與A_2-IN之間接有R23與C13濾波。編碼器2出線B_2+IN經(jīng)過R25連至VCC1穩(wěn)壓，輸入至U4的6腳；編碼器2出線B_2-IN經(jīng)過R27連至地，輸入至U4的7腳；B_2+IN與B_2-IN之間接有R26與C14濾波。編碼器2出線Z_2+IN經(jīng)過R28連至VCC1穩(wěn)壓，輸入至U4的2腳；編碼器2出線Z_2-IN經(jīng)過R30連至地，輸入至U4的1腳；Z_2+IN與Z_2-IN之間接有R29與C15濾波。線接收芯片U4的4腳與16腳接VCC1，8腳與12腳接地。U4第3腳輸出信號對應(yīng)于U4的1、2腳的輸入信號，經(jīng)過R31和C18濾波形成Z_2信號輸出至主控芯片U1的捕獲口CAP6。U4第5腳輸出信號對應(yīng)于U4的6、7腳的輸入信號，經(jīng)過R32和C17濾波形成B_2信號輸出至主控芯片U1的捕獲口CAP5。U4第11腳輸出信號對應(yīng)于U4的9、10腳的輸入信號，經(jīng)過R33和C16濾波形成A_2信號輸出至主控芯片U1的捕獲口CAP4。編碼器2出線SU_2經(jīng)過R37和C21濾波輸入至電平轉(zhuǎn)換芯片U5的1腳，U5的第11腳對應(yīng)于U5的1腳相應(yīng)的輸出，該輸出管腳經(jīng)過R42匹配，再經(jīng)過R36和C24濾波，連接至主控芯片U1的模擬信號采樣口ADCIN08。編碼器2出線SV_2經(jīng)過R38和C20濾波輸入至電平轉(zhuǎn)換芯片U5的4腳，U5的第6腳對應(yīng)于U5的4腳相應(yīng)的輸出，該輸出管腳經(jīng)過R41匹配，再經(jīng)過R35和C23濾波，連接至主控芯片U1的模擬信號采樣口ADCIN09。編碼器2出線SW_2經(jīng)過R39和C19濾波輸入至電平轉(zhuǎn)換芯片U5的13腳，U5的第3腳對應(yīng)于U5的13腳相應(yīng)的輸出，該輸出管腳經(jīng)過R40匹配，再經(jīng)過R34和C22濾波連接至主控芯片U1的模擬信號采樣口ADCIN10。
圖4為主控芯片U1與各驅(qū)動模塊之間的驅(qū)動信號連線圖，包括了接口電路1、接口電路2、接口電路3～接口電路n。如圖4所示，主控芯片U1輸出的驅(qū)動信號PWM1直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U6的1腳，信號線標號為PWM_1，該信號線對應(yīng)的輸出為U6的2腳，該管腳輸出信號線PWU+連至驅(qū)動模塊1；驅(qū)動信號PWM2直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U6的3腳，信號線標號為PWM_2，該信號線對應(yīng)的輸出為U6的4腳，該管腳輸出信號線PWU-連至驅(qū)動模塊1；驅(qū)動信號PWM3直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U6的5腳，信號線標號為PWM_3，該信號線對應(yīng)的輸出為U6的6腳，該管腳輸出信號線PWV+連至驅(qū)動模塊1；驅(qū)動信號PWM4直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U6的9腳，信號線標號為PWM_4，該信號線對應(yīng)的輸出為U6的8腳，該管腳輸出信號線PWV-連至驅(qū)動模塊1；驅(qū)動信號PWM5直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U6的11腳，信號線標號為PWM_5，該信號線對應(yīng)的輸出為U6的10腳，該管腳輸出信號線PWW+連至驅(qū)動模塊1；驅(qū)動信號PWM6直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U6的13腳，信號線標號為PWM_6，該信號線對應(yīng)的輸出為U6的12腳，該管腳輸出信號線PWW-連至驅(qū)動模塊1；U6的7腳接地，14腳接VCC1。主控芯片U1輸出的驅(qū)動模塊2的驅(qū)動信號PWM_7直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U7的1腳，信號線標號為PWM_7，該信號線對應(yīng)的輸出為U7的2腳，該管腳輸出信號線PW7連至驅(qū)動模塊2；U1輸出的驅(qū)動模塊3的驅(qū)動信號PWM8直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片U7的3腳，信號線標號為PWM_8，該信號線對應(yīng)的輸出為U7的4腳，該管腳輸出信號線PW8連至驅(qū)動模塊3；U7的7腳接地，14腳接VCC1。3臺以上伺服電機驅(qū)動信號連接方法與伺服電機3連接方法相同，可依此類推。以圖4的驅(qū)動模塊n為例說明U1輸出的驅(qū)動模塊n的驅(qū)動信號PWMx直接連至電平轉(zhuǎn)換芯片Ux的一輸入管腳(如圖4中為第1腳)，信號線標號為PWM_x，該信號線對應(yīng)的輸出為Ux的一輸出管腳(如圖4中為第2腳)，該管腳輸出信號線PWx連至驅(qū)動模塊n；Ux的7腳接地，14腳接VCC1。
權(quán)利要求1.一種采用單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，在控制系統(tǒng)中，采用了一個由主控芯片、接口電路、線接收電路和其他功能模塊四部分組成的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括主控芯片U1、接口電路、線接收電路和其他功能模塊，與驅(qū)動模塊1、2、3、N和編碼器1、2相連，其特征在于采用一塊主控芯片U1與接口電路、線接收電路和其他功能模塊相連，通過驅(qū)動模塊和編碼器模塊連接伺服電機，同時實現(xiàn)多臺伺服電機的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，其特征在于采用一塊主控芯片U1與接口電路、線接收電路和其他功能模塊相連的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)多臺伺服電機的獨立控制或者協(xié)調(diào)控制，可充分利用主控制芯片U1的數(shù)據(jù)處理能力和脈寬調(diào)制(PWM)外圍接口，以不同的控制方式分別控制類型不同的多臺伺服電機，其中兩臺伺服電機可以完全獨立地實現(xiàn)各自的位置環(huán)和速度環(huán)控制，連接的其它多臺伺服電機可以是無刷直流電機、永磁同步電機或直流伺服電機，以開環(huán)方式運行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，其特征在于通過接口電路1將U1的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6口輸出至驅(qū)動模塊1，驅(qū)動模塊1由電纜向伺服電機1提供輸入功率，伺服電機1的位置和速度信號由端部安裝的編碼器1檢測，編碼器1輸出信號通過線接收電路1輸入U1，其中位置信號A_1、B_1、Z_1相應(yīng)輸入U1的CAP1、CAP2、CAP3口，初始位置霍爾信號U_1、V_1、W_1相應(yīng)輸入U1的模擬信號采樣口ADCIN00、ADCIN01、ADCIN02，驅(qū)動模塊1接收六路PWM信號實現(xiàn)對橋式逆變電路的控制，伺服電機1的電流控制環(huán)和速度位置調(diào)節(jié)環(huán)都由主控芯片U1完成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，其特征在于通過接口電路2將U1的PWM7口輸出至驅(qū)動模塊2，驅(qū)動模塊2由電纜向伺服電機2提供輸入功率，伺服電機2的位置和速度信號由端部安裝的編碼器2檢測，編碼器2輸出信號通過線接收電路2輸入U1，其中位置信號A_2、B_2、Z_2相應(yīng)輸入U1的CAP4、CAP5、CAP6口，初始位置霍爾信號U_2、V_2、W_2相應(yīng)輸入U1的模擬信號采樣口ADCIN08、ADCIN09、ADCIN10，驅(qū)動模塊2根據(jù)輸入的PWM7占空比信號，調(diào)節(jié)伺服電機轉(zhuǎn)速，可以選擇在驅(qū)動模塊2中內(nèi)置電流環(huán)功能，位置和速度調(diào)節(jié)環(huán)由主控芯片U1實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，其特征在于在線驅(qū)動電路1中，實現(xiàn)編碼器1與主控芯片U1的匹配連接，編碼器1輸出的差分位置信號A_1+IN、A_1-IN、B_1+IN、B_1-IN、Z_1+IN、Z_1-IN先通過濾波，再經(jīng)過線驅(qū)動芯片U2，再通過輸出濾波轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號A_1、B_1、Z_1，編碼器1輸出初始位置霍爾信號SU_1、SV_1、SW_1先通過濾波，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片U3轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號U_1、V_1、W_1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，其特征在于在線驅(qū)動電路2中，實現(xiàn)編碼器2與主控芯片U1的匹配連接。編碼器2輸出的差分位置信號A_2+IN、A_2-IN、B_2+IN、B_2-IN、Z_2+IN、Z_2-IN先通過濾波，再經(jīng)過線驅(qū)動芯片U4，再通過輸出濾波轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號A_2、B_2、Z_2，編碼器2輸出初始位置霍爾信號SU_2、SV_2、SW_2先通過濾波，再經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片U5轉(zhuǎn)換為U1的輸入信號U_2、V_2、W_2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置，其特征在于在驅(qū)動接口電路1、接口電路2、接口電路3～接口電路n的連接中，主控芯片U1輸出的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7、PWM8～PWMx驅(qū)動信號經(jīng)過電平匹配芯片U6、U7～Ux轉(zhuǎn)換再分別送入驅(qū)動模塊1～n，實現(xiàn)對各臺伺服電機的獨立或協(xié)調(diào)控制。
專利摘要本實用新型提供一種采用單主控芯片控制多臺伺服電機的控制裝置。一塊主控芯片U1與接口電路、線接收電路和其他功能模塊相連，實現(xiàn)對多臺伺服電機的獨立控制或者協(xié)調(diào)控制，可充分利用主控制芯片U1的數(shù)據(jù)處理能力和脈寬調(diào)制(PWM)外圍接口，以不同的控制方式分別控制類型不同的多臺伺服電機，其中兩臺伺服電機可以完全獨立地實現(xiàn)各自的位置環(huán)和速度環(huán)控制，連接的其它多臺伺服電機可以是無刷直流電機、永磁同步電機或直流伺服電機，以開環(huán)方式運行，該控制裝置具有控制精度高、穩(wěn)定性好、成本低、體積小的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于機械、紡織、電子、印刷、冶金、石油、化工、輕工、包裝等自動化領(lǐng)域。
文檔編號H02P5/46GK2702530SQ20042000420
公開日2005年5月25日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者王璐, 葉林忠, 王健 申請人:北京和利時電機技術(shù)有限公司