一種用于多電機的高精度伺服控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種用于多電機的高精度伺服控制器，該控制器包括FPGA模塊、MCU模塊、時鐘復位電路、數據采集模塊、控制信號輸出模塊和按鍵電路，所述的FPGA模塊通過總線與MCU模塊連接，所述的時鐘復位電路分別與FPGA模塊和MCU模塊連接，所述的數據采集模塊與FPGA模塊的反饋信號輸入端連接，所述的控制信號輸出模塊與FPGA模塊的控制信號輸出端連接，所述的按鍵電路與FPGA模塊連接。本實用新型采用FPGA和MCU聯合控制，控制器成本低廉，且具有多種反饋輸入接口和多個控制輸出接口，可在多種控制方式下實現對多種電機的聯動控制，能可廣泛應用于機床、機器人等多電機，復雜運動機構中。
【專利說明】—種用于多電機的高精度伺服控制器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電機控制領域，尤其是涉及一種用于多電機的高精度伺服控制器。
【背景技術】
[0002]伺服控制器是用來控制電機的一種設備，主要應用于工業自動控制系統中，其運用微型控制器和相應的驅動器件實現對電機的運動控制，在控制過程中，往往帶有反饋控制環節，以實現對電機的精確控制。
[0003]目前許多比較復雜的運動機構往往需要多種電機，多個電機同時配合工作，電機種類不同，其控制方式也不同，再加上控制電機個數較多，如果采用多個控制器對每個不同種類的電機分別進行控制，勢必會增加控制系統的復雜度和不穩定性，同時，如果各個電機需要進行聯動控制，則其運動控制配合度也變得較差，從而使系統控制性能變差；如果采用專用的運動控制器或運動控制卡，雖可實現對多個電機的精確聯動控制，但其價格和成本則顯然非常昂貴。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的在于:針對現有技術存在的問題，提供一種用于多電機的高精度伺服控制器。
[0005]本實用新型的目的通過以下技術方案來實現:
[0006]一種用于多電機的高精度伺服控制器，其特征在于，該控制器包括FPGA模塊、MCU模塊、時鐘復位電路、數據采集模塊、控制信號輸出模塊和按鍵電路，所述的FPGA模塊通過總線與MCU模塊連接，所述的時鐘復位電路分別與FPGA模塊和MCU模塊連接，所述的數據采集模塊與FPGA模塊的反饋信號輸入端連接，所述的控制信號輸出模塊與FPGA模塊的控制信號輸出端連接，所述的按鍵電路與FPGA模塊連接。
[0007]優選的，該控制器還包括用于上位機信號轉換的電平轉換模塊和上位機，所述的上位機通過電平轉換模塊與FPGA模塊連接。
[0008]優選的，所述的MCU模塊為單片機、DSP數字信號處理器或ARM處理器。
[0009]優選的，所述的數據采集模塊為ADC模擬信號接口、RS422信號接口、RS232信號接口、LVTTL信號接口和LVDS信號接口中的一個或多個。
[0010]優選的，該控制器還包括電源模塊。
[0011]與現有技術相比，本實用新型具有以下優點:
[0012]1、采用FPGA和MCU聯合控制，控制器成本低廉；
[0013]2、多種反饋輸入接口，可滿足對多種接口傳感器的信號采集要求；
[0014]3、控制信號輸出接口豐富，控制器在多種控制方式下可實現對多種電機的聯動控制；
[0015]4、具有上位機遠程控制和本機按鍵控制兩種方式，用戶控制方式選擇多。[0016]5、該控制器可廣泛應用于機床、機器人等多電機，復雜運動機構中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型伺服控制器的結構示意圖；
[0018]圖2為本實用新型伺服控制器的使用連接示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。
[0020]實施例
[0021]如圖1所示，本實用新型主要由FPGA模塊、MCU模塊、用于上位機信號轉換的電平轉換模塊、數據采集模塊、控制信號輸出模塊、按鍵模塊、時鐘復位電路和電源模塊組成。
[0022]在上述組成部件中，FPGA模塊作為伺服控制器的主控芯片，它通過總線與MCU模塊相連接，把從數據采集模塊接收到的反饋數據交由MCU模塊進行處理，并對按鍵模塊輸入的按鍵信號進行除抖動處理后送入MCU模塊；并且，它從MCU模塊接收處理后的數據用于產生電機控制信號，交由控制信號輸出模塊處理后輸出給被控電機。
[0023]與FPGA模塊相連的MCU模塊主要負責對接收到的反饋信號根據預定的算法進行運算和處理，并將運算結果交由FPGA模塊使用，同時，它接收經FPGA模塊處理后的按鍵信號，用于對電機的控制。
[0024]數據采集模塊主要包括ADC模擬信號接口、RS422信號接口、RS232信號接口、LVTTL信號接口和LVDS信號接口中的一個或多個，且數據信號接口的數量可根據反饋信號的數量進行配置。它接收傳感器反饋的模擬信號、RS422差分信號或RS232電平信號，當接收模擬信號時，它將該信號經ADC轉化為數字信號后傳輸給FPGA模塊；當接收差分信號時，則通過數據采集模塊中RS422信號接口轉換為TTL電平信號傳輸給FPGA模塊。當傳感器信號為RS232電平信號時，則通過數據采集模塊中RS232信號接口轉換為TTL電平信號后傳輸給FPGA模塊。
[0025]控制信號輸出模塊主要包括DAC (數字模擬信號轉換器)，用于將FPGA模塊輸出的數字控制信號轉化為模擬信號輸出給模擬輸入功率驅動器，如果電機功率驅動器輸入端是數字信號，則直接將FPGA模塊輸出的數字控制信號給數字輸入功率驅動器。
[0026]用于上位機信號轉換的電平轉換模塊用于上位機和伺服控制器串行通信時，將MCU模塊輸出的TTL電平信號標準轉化為上位機RS232電平信號標準。
[0027]按鍵模塊根據它所連接的外部按鍵的狀態，產生相應的控制信號給FPGA模塊。按鍵信號包括:啟動、遙/本控、定速控制、速度+、速度_、停止，可根據實際系統功能增加所需按鍵控制信號或減少無需按鍵控制信號。。啟動信號用于伺服控制器開啟對電機的控制；遙/本控信號決定了伺服控制器是根據上位機信號還是按鍵信號對電機進行控制，當按鍵信號為遙控時，伺服控制器采用上位機命令和數據對電機進行控制，當按鍵信號為本控時，伺服控制器則使用按鍵信號命令對電機進行控制；定速控制信號用于本控時，電機在伺服控制器作用下按固定轉速運動。速度+信號用于在本控定速控制狀態下，增大固定速度的值；速度-信號用于在本控定速控制狀態下，減少固定速度的值。
[0028]時鐘復位電路模塊為FPGA模塊和MCU模塊提供時鐘和復位信號。[0029]電源模塊主要用于對伺服控制器各器件提供所需電源，其輸入電壓為12V，輸出電壓為 5V、3.3V 及 1.2V。
[0030]控制信號輸出模塊主要是:FPGA模塊根據電機控制方式產生相應的控制信號，當電機功率驅動器為模擬輸入時，FPGA模塊產生與DAC轉換位數相同的數字信號，經控制信號輸出模塊中的DAC轉換為模擬信號后，輸出給功率驅動器；當電機功率驅動器為PWM信號輸入時，FPGA模塊產生相應的PWM控制信號經控制信號輸出模塊直接給功率驅動器，控制信號輸出模塊的輸出接口的數量可根據被控電機的數量進行配置。
[0031]具體的，FPGA模塊采用芯片EP2C5T144C6 ；MCU模塊采用單片機器件C8051F020 ；電平轉換模塊采用器件MAX3232 ;數據采集模塊中ADC模擬信號接口采用AD0809、RS422信號接口采用器件MAX490、RS232信號接口采用器件MAX3232 ;控制信號輸出模塊采用器件AD5428 ;電源模塊采用器件LM2596，LT1959和FAN1112S ;時鐘復位電路模塊采用50M和30M晶振。
[0032]如圖2所示，使用本伺服控制器控制電機(被控電機類型包含但不限于直流電機、步進電機，還包括如交流電機等其它電機。如被控對象為交流電機時，其對應的功率驅動器應為功率逆變器)時，例如使用設被控電機有3個，被控電機I為有刷直流電機，驅動器為L292 ;被控電機2為無刷直流電機，驅動器為DRV8312 ;被控電機3為2相步進電機，驅動器為L298。電機I采用的傳感器有:電流傳感器CHB-25NP、RS422接口的光電編碼器RD38S ；電機2采用的傳感器有:電流傳感器CHB-25NP、RS232接口的光電編碼器RD38S ;步進電機電機3驅動器自帶電流反饋檢測，無位置反饋傳感器。其實施方法可以如下:
[0033]對電機I的控制，當遙/本控信號處于遙控狀態時:伺服控制器采用上位機命令和數據對電機進行控制，單片機C8051F020經電平轉換模塊接收從上位機輸入的控制指令和控制量，然后將控制量傳輸給FPGA芯片EP2C5T144C6，EP2C5T144C6在接收到按鍵的啟動信號后，將接收到的控制量輸出到控制信號輸出模塊AD5428，經DA轉換后，將模擬控制信號輸入給驅動器L292，以驅動電機I工作，傳感器I中電流傳感器CHB-25NP用于檢測電機的電樞電流，然后把檢測結果實時傳輸到數據采集模塊中的AD0809進行AD轉換后，將8位電流數字反饋信號傳輸給芯片EP2C5T144C6，EP2C5T144C6再將采集到的電流反饋信號與電流預設值(電機最大電流值)比較，當反饋電流信號值小于電流預設值時，電機正常工作；當反饋電流信號值大于電流預設值時，EP2C5T144C6立即停止輸出對電機I的控制信號，從而起到對電機I的電流保護作用。傳感器I中光電編碼器RD38S用于檢測電機I的位置，其檢測結果實時傳輸到數據采集模塊中的MAX490進行電平轉換后，經EP2C5T144C6通過邏輯時序對反饋數據信號進行接收，然后通過總線傳輸到單片機C8051F020中進行運算，單片機C8051F020將接收到的數據應用PID (比例積分微分)控制算法(也可采用模糊控制算法、遺傳算法等其它控制算法)計算出下一時刻控制量，通過EP2C5T144C6輸出給控制信號輸出模塊中AD5428進行AD轉換，輸出給L292對電機I進行閉環控制。當遙/本控信號處于本控狀態時:伺服控制器使用按鍵信號命令對電機進行控制，EP2C5T144C6首先接收到C8051F020預設控制值，當它接收到按鍵的啟動信號后，將接收到的控制量輸出到控制信號輸出模塊中AD5428，經DA轉換后，將模擬控制信號輸入給驅動器L292，以驅動電機I工作，通過速度+、速度-信號可以控制電機運行速度，其反饋控制原理和過程與在遙控狀態下相同。[0034]對電機2的控制原理與對電機I控制原理相同，不同之處在于:反饋回路中光電編碼器RD38S的測量結果通過數據采集模塊中的MAX3232電平轉換后實時傳輸到EP2C5T144C6進行數據接收。由于電機2為無刷直流電機，其控制量為3路PWM信號，因此，在EP2C5T144C6根據C8051F020計算出的控制量產生出3路PWM信號后，通過控制信號輸出模塊直接輸入給DRV8312，用于驅動電機2。
[0035]對電機3的控制，由于L298自帶電流反饋檢測引腳，因此，無需電流反饋檢測器件，且電機3為步進電機，其轉速與輸入脈沖同步，位置和速度控制比較精準，故此實施例中無位置反饋。因此，EP2C5T144C6根據單片機C8051F020計算出的控制量產生出4路PWM控制信號，通過控制信號輸出模塊直接輸入給L298,用于驅動電機3。
[0036]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，應當指出的是，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于多電機的高精度伺服控制器，其特征在于，該控制器包括FPGA模塊、MCU模塊、時鐘復位電路、數據采集模塊、控制信號輸出模塊和按鍵電路，所述的FPGA模塊通過總線與MCU模塊連接，所述的時鐘復位電路分別與FPGA模塊和MCU模塊連接，所述的數據采集模塊與FPGA模塊的反饋信號輸入端連接，所述的控制信號輸出模塊與FPGA模塊的控制信號輸出端連接，所述的按鍵電路與FPGA模塊連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于多電機的高精度伺服控制器，其特征在于，該控制器還包括用于上位機信號轉換的電平轉換模塊和上位機，所述的上位機通過電平轉換模塊與FPGA模塊連接。
3.根據權利要求1所述的一種用于多電機的高精度伺服控制器，其特征在于，所述的MCU模塊為單片機、DSP數字信號處理器或ARM處理器。
4.根據權利要求1所述的一種用于多電機的高精度伺服控制器，其特征在于，所述的數據采集模塊為ADC模擬信號接口、RS422信號接口、RS232信號接口、LVTTL信號接口和LVDS信號接口中的一個或多個。
5.根據權利要求1所述的一種用于多電機的高精度伺服控制器，其特征在于，該控制器還包括電源模塊。
【文檔編號】H02P5/00GK203434899SQ201320584134
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年9月22日 優先權日:2013年9月22日
【發明者】李登靜, 李萍 申請人:四川九洲電器集團有限責任公司