專利名稱：多軸數控處理系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及數控處理系統，尤其是多種場合都能使用的通用型多軸電機數字控制及驅動系統。
背景技術：
數控技術發展至今有幾十年了，已發展出數不清的專用或通用數控處理系統。例如中國專利CN92102156，CN94244503和CN01237549所披露的那樣。但不論何種系統都是由三個部份組成的，即指令輸入部份、數據處理部份和運動執行部份。指令輸入部份由最古老的穿孔帶發展到新型計算機，表面上看來總算統一了，但實際使用時各種軟件彼此之間多少還存在一些兼容性的問題。運動執行部份雖由步進電機發展到直流電機、伺服電機、直流無刷電機等等，但至今各種電機都還同時在使用。數據處理部份雖由開始時的大型插件的電路板逐漸變成集成電路插件的電路板，但因為運動執行部份可以是各種不同種類和規格的電機，以及使用本系統的機械的應用范圍不同等原因，所以至今還是千變萬化。而且數據處理部份的控制電路和驅動電路無法做成一體，它們之間要用電纜連接。此外，驅動部份也用數控的例子更是沒有見過。
這種設計上不統一和結構上不能做成一體的后果，一是維修和更新困難，因為維修人員要記住各臺機械的各自不同的線路，以及儲備大量不同規格的備件。二是浪費了不必要的設計精力和制作費用，因為各個不同的設計的功能結果都是大同小異的，而各自分別制作的結果使各自的批量變小、成本增加。三是各自為政設計出來的電路板根本沒法實時互換或連接，即在維修時既無法利用其它機械用的完好的備用電路板，也無法把任意三個三軸電路板組連接成一個九軸電路板組，使經濟效率進一步降低。
因此，本案發明人在其在先申請(CN 03101901.3)中提出了一種裝置，可以同時處理三根軸的數控處理系統。但由于近年來各種軟硬件的高速發展，普通自動機(例如組合機床)上的工作軸數早已遠遠超過3根。因此一部機器往往須要同時使用多套現有技術裝置，非但造成電子零件的浪費，提高了每軸的數控成本；而且繁復的線路反過來又造成了連接的困難(例如普通計算機不可能同時具有一式三個插座)和故障的增加。此外，先有技術的反應速度(32兆赫)和記憶容量都是基于三軸的要求，而目前先進的機械須要用到更多軸，對反應速度(例如須要80兆赫)和記憶容量的要求自然相應地提高。所以即使把三個先有技術裝置疊加在一起也無法提高原有的反應速度和記憶容量。另外，先有技術各電子零件所使用的低壓是5伏，而目前的電子零件都采用更低的3.3伏，電機的工作電壓也不再限于100伏，200伏也須包括在內了。所以先有技術的個別電子零件損壞時將無零件可供替換。
發明內容
本發明的目的是消除先有技術設計所造成的不便和浪費，提供一種降低每軸數控成本30％，并能用于多至6個不同種類電機的、統一設計的、有互換性和連接性的、可取代絕大多數先有技術系統的通用型多軸數字控制處理系統。
為了實現上述目的，本發明提供了一種通用型多軸數字控制處理系統，其中，主要由一塊控制板、多塊驅動板和散熱板組成，控制板和該驅動板設計成模塊化的結構，而且可以通過板上的接口方便地組裝在一起，并且都采用數控電路，該兩部份上的主要組件為控制板上的主DSP采用ADSP-2188N芯片；控制板上手控和/或個人計算機向該DSP的雙向輸入/輸出是經過作為連接轉換器及作為信號轉換器的芯片ST16C550而到達該DSP的；驅動板上的編碼器接口向該DSP的單向輸入經過作為信號轉換器的DS26JV32芯片再送到現場可編程門陣列，該可編程的門陣列是XC2S30-TQ144系列FPGA芯片，再由該FPGA芯片雙向地輸入該DSP；驅動板上有接口接受來自上述控制板的數據地址總線；驅動板上的該接口雙向地連接一個作為仿真—數字轉換器的芯片AD7859AS；驅動板上的該接口也連接到現場可編程門陣列XC2S30-TQ144系列芯片，再由該XC2S30-TQ144系列芯片通過作為驅動器的芯片IR2132，再經過場效應管的放大就直接由電機插口輸向各電機；驅動板上的霍爾傳感器接口把來自各電機的判斷三相位置的信號送到該XC2S30-TQ144系列芯片；驅動板上的該XC2S30-TQ144系列芯片還單向地通過場效應管把放大了的控制信號送給制動系統。
如上所述的通用型多軸數字控制處理系統，其中，還有一塊額外增加的總散熱板，置于各驅動板的端部，和該些驅動板底下的各散熱板連接，以進一步增加各散熱板的散熱效果。
本發明系統控制電路和驅動電路都采用數控，所以能方便地同時驅動不同型式的電機(例如，X軸是伺服電機，Y軸是直流電機，Z軸是步進電機)。本系統的設計采用模塊化的結構，可以根據實際需要調整系統所需的電機的個數。系統由一塊控制板和多塊驅動板組成，每塊控制板可以帶動2個電機，而每塊控制板最多可以帶3塊驅動板。因此，在實際應用中可以根據需要選擇驅動板的數目，分別可以組成2軸，4軸或6軸的系統。
由于本發明的系統把控制部份和驅動部份設計成模塊化的結構，而且可以通過板上的接口方便的組裝在一起，形成控制部分和驅動部分于一體的結構。除了體積大大縮小也消除了分體結構的眾多電纜所引起的電磁干擾等問題，提高了精度。這些特點對于維修和更新舊設備是十分重要的。
同時，本發明具有如下結構特征結構尺寸-由于本發明的系統把控制部份和驅動部份作成模塊化的結構，而且可以通過板上的接口方便的組裝成一體的結構。具有高度集成及小型化的特點以便能放入去掉先有技術系統的外殼內從而取代它。本系統共分多層，最上層是175×100mm的控制板。從第二層至第四層是三塊200×100mm的功率放大板，用戶可以根據需要只使用一塊、兩塊或三塊板，分別可以組成2軸，4軸或6軸的系統。控制板為4層布線的PCB板，驅動板為6層布線的PCB板。每塊驅動板下安裝有一塊散熱板。6軸系統組裝后系統最大外形尺寸為315×100×40mm。
硬件特征—本發明采用目前最先進的DSP(數字信號處理)技術及FPGA(現場可編程序選通陣列)技術，可以同時控制及驅動由直流無刷電機、直流有刷電機、交流伺服電機連接的六軸。設計輸出功率為1千瓦(12AX 85V)。雙環數字控制系統的控制頻率為電流環20kHz和位置環4kHz。編碼器采樣頻率達5MHz。可用監視器實時監控DSP的工作狀態。可以工作在網絡指令模式、脈沖模式、速度控制模式、梯形以S曲線點位運動。可以設置最大速度、最大加速度、以及加加速度。具有軟限位和硬件限位功能。控制器采用數字可調的PID+速度前饋+加速度前饋的控制功能。
信號輸送—本發明用RS232或RS485連接端口和計算機連接，每塊驅動板提供2路+/-10V差分仿真輸入，12位分辨率；4路差分輸入；2路光電隔離數字輸入；4路光電隔離輸出。可連接I/O擴展卡。
軟件特征—本發明的軟件操作平臺用于軟、硬件安裝調試、性能控制調試、故障診斷、結果分析及各類操作。支持Win9x/2000/NT/XP系統、能夠利用上位機的界面對控制系統進行參數設置，并且可以具有對位置環和電流環的PID參數和前饋增益進行在線調節的功能。可以通過上位機的界面或控制器的閃燈指示診斷系統的工作狀態。用戶可用VC++、VB以及Delphi利用所提供的DLL數據庫編制所須的各類應用程序。
本發明的實施例將參照附圖詳述如下。各圖所示的實施例是設計用于單個電機的功率不大于1千瓦的場合，雖然這么大的功率已足夠應用于目前絕大部份的場合，但如果碰到更大功率電機的場合，本專業的技術人員可以很方便地按本發明所公開的資料改用相應的大功率組件從而得到本發明的效果。
圖1是本發明系統中的位于上層的控制板主要組件布置圖兼流程圖；圖2是本發明系統中的功率放大(驅動)板主要組件布置圖兼流程圖；圖3是本發明系統組裝后的側視示意圖，表示出各主要接口的位置；圖4是本發明系統組裝后的前視示意圖，表示出各主要接口的位置；圖5是本發明系統中的位于底層驅動板的散熱板平面圖；圖6是本發明系統中的位于中間層驅動板的散熱板平面圖。
其中，附圖標記說明如下1 連接螺栓
2 輸入輸出接口3 霍爾傳感器和編碼器接口4 電機電源接口5 控制板和驅動板之間的連接器6 RS232/RS485接口7 電容8 控制板電源接口9 驅動板電源接口10 散熱板(1)11 控制板12 驅動板13 散熱板(2)具體實施方式
圖1是本發明系統的控制板組件布置圖兼流程圖。圖中用方框表示組件的位置，用帶箭頭的線表示信號的流程。控制板是一塊175×100mm的四層線路板，控制板上的RS232/RS485接口用于在網絡指令模式下控制系統和上位機的通訊，通過上位機界面配置運動控制系統的參數。它可以方便地和目前最常用的PC(個人計算機)作雙向連接。它和CPU(即DSP)之間的雙向信號連接是通過作為連接轉換器的ST16C550芯片作為信號轉換器來進行的。
控制板上的Flash存儲器(AM29LV400BB芯片)用于存儲程序、參數以及驅動板上FPGA的配置文件。控制板上的數字信號處理器DSP(ADSP-2188N芯片)用于控制及調度系統的運行，它可以讀取AM29LV400BB中的信息，也可以修改AM29LV400BB中的數據。
圖2是本發明系統驅動板的組件布置圖兼流程圖。驅動板是一塊200×100mm的六層線路板。仿真-數字轉換器是一塊AD7859AS芯片。用于把電流、電壓、溫度及外部仿真量信號轉換為數字信號。現場可編程門陣列FPGA(XC2S30-TQ144系列芯片)主要用于I/O(輸入/輸出)的管理，產生PWM信號，采集編碼器和霍爾傳感器的信號以及接收和輸出外部數字信號。該FPGA芯片還輸出制動控制信號，該信號經過MOSFET把放大了的控制信號送給制動(Brake)系統。驅動板上由左至右裝有I/O接口，制動系統接口，兩個電機的編碼器和霍爾傳感器的接口以及電機電源的接口。
提供本發明系統中所有電路所須要的電壓的電源部份由于是先有技術，在圖1中就只是簡單表示出，不再詳細敘述了。
在圖1和圖2中可以看見控制板和驅動板通過板上的接口作雙向連接的。控制板和驅動板上分別有是低、高壓電源的接入口，由于屬于先有技術，也不在這里多談了。
圖3和圖4分別是本發明系統組裝后的示意性的前視圖和側視圖，表示出各主要接口的位置。圖3中可以看本發明的系統組裝后由四層組成。下面三塊是長度為200mm的驅動部份，上面是長度為175mm的控制部份。每塊驅動板下面的是長度為200mm的散熱片。板上的各種接口如圖所示。
圖3和圖4中畫的雖是三塊驅動板，但在實際使用時驅動板可以在一塊至三塊中自由選擇。因為在本發明中，每塊驅動板只驅動兩個電機(軸)，所以三塊板就可驅動六個電機。每塊驅動板下面是一塊散熱板。該板是一塊用機械加工制成的鋁板。由于本發明系統的工作溫度預定為0-75℃，所以當本發明系統被裝在較小的有限空間內而輸出功率又接近750瓦時，散熱板最好直接貼在金屬機身上以便利用金屬機身增加有效散熱面積。
圖5和圖6是本系統中所用的散熱板，圖5是位于中間的驅動器的散熱板，圖6是位于最底層的驅動板的散熱板。并且本系統還可設置一塊額外增加的總散熱板(圖中未示出)，置于各驅動板的端部，和該些驅動板底下的各散熱板連接，以進一步增加各散熱板的散熱效果。
權利要求
1.一種通用型多軸數字控制處理系統，其特征在于，包括一塊控制板、多塊驅動板和散熱板，控制板和該驅動板設計成模塊化的結構，而且可以通過板上的接口方便地組裝在一起，并且都采用數控電路，該兩部份上的主要組件為控制板上的主DSP采用ADSP-2188N芯片；控制板上手控和/或個人計算機向該DSP的雙向輸入/輸出是經過作為連接轉換器及作為信號轉換器的芯片ST16C550而到達該DSP的；驅動板上的編碼器接口向該DSP的單向輸入經過作為信號轉換器的DS26JV32芯片再送到現場可編程門陣列，再由該現場可編程門陣列芯片雙向地輸入該DSP，該可編程的門陣列是XC2S30-TQ144系列FPGA芯片；驅動板上有接口接受來自上述控制板的數據地址總線；驅動板上的該接口雙向地連接一個作為仿真一數字轉換器的芯片AD7859AS；驅動板上的該接口也連接到現場可編程門陣列XC2S30-TQ144系列芯片，再由該XC2S30-TQ144系列芯片通過作為驅動器的芯片IR2132S，再經過場效應管的放大就直接由電機插口輸向各電機；驅動板上的霍爾傳感器接口把來自各電機的判斷三相位置的信號送到該XC2S30-TQ144系列芯片；驅動板上的該XC2S30-TQ144系列芯片還單向地通過場效應管把放大了的控制信號送給制動系統。
2.如權利要求1所述的通用型多軸數字控制處理系統，其特征在于，還有一塊額外增加的總散熱板，置于各驅動板的端部，和該些驅動板底下的各散熱板連接，以進一步增加各散熱板的散熱效果。
全文摘要
本發明公開了一種通用型多軸數字控制處理系統，其由一塊控制線路板、多塊驅動線路板及散熱板組成。控制板可帶3塊驅動板，各驅動板可帶2個電機。本發明采用目前最先進的數字信號處理技術及現場可編程序選通陣列技術，可同時控制及驅動由直流無刷、直流有刷或交流伺服電機連接的6軸。設計輸出功率為1千瓦(12A×85V)。雙環數字控制系統的控制頻率為電流環20kHz和位置環4kHz。用RS232或RS485連接端口和計算機連接，各驅動板提供2路+/－10V差分仿真輸入，12位分辨率；4路差分及2路光電隔離數字輸入；4路光電隔離輸出。可連接I/O擴展卡。軟件操作平臺用于軟、硬件安裝調試、性能控制調試、故障診斷、結果分析及各類操作。并有編制各類應用程所需的DLL數據庫。
文檔編號G05B19/18GK1619446SQ20031011613
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月17日 優先權日2003年11月17日
發明者孫東 申請人:城動科技(香港)有限公司