专利名称：采用单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型提供一种采用单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，属于自动化、伺服传动系统的控制设备领域。
背景技术：
目前，传统的数字伺服传动装置，都是采用一组控制装置实现对一台伺服电机的控制，以实现该组伺服电机的自动化控制，当被控制对象是多台伺服电机时，即我们通常说的多轴控制方式时，有多少台伺服电机，就要相应配置多少套伺服控制装置.这种控制方式，成本高、体积大，系统的可靠性和效率都受到影响.
发明内容
本实用新型的目的是提供一种采用单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，本实用新型由主控芯片U1，接口电路1、2、3、N，线接收电路1、2和其他功能模块四部分组成，一块主控芯片U1与接口电路、线接收电路和其他功能模块相连，实现对多台伺服电机的独立控制或者协调控制，可充分利用主控制芯片U1的数据处理能力和脉宽调制(PWM)外围接口，以不同的控制方式分别控制类型不同的多台伺服电机，控制精度高、稳定性好。具有成本低、体积小的优点.可广泛应用于机械、纺织、电子、印刷、冶金、石油、化工、轻工、包装等自动化领域。
本实用新型的目的是这样实现的，其技术方案是在控制系统中，采用了一个由主控芯片、接口电路、线接收电路和其他功能模块四部分组成的控制系统，控制系统包括主控芯片U1、接口电路、线接收电路和其他功能模块，与驱动模块1、2、3、N和编码器1、2相连。其特征在于采用一块主控芯片U1与接口电路、线接收电路和其他功能模块相连，通过驱动模块和编码器模块连接伺服电机，同时实现多台伺服电机的控制，在多台伺服电机中，有两台伺服电机(伺服电机1和伺服电机2)，可以完全独立地进行控制，分别实现各自的速度环和位置环，其它多台伺服电机，实现开环控制，可以根据伺服电机1和伺服电机2的运行参数实现协调控制。伺服电机1类型可以是各类交流伺服电机，伺服电机2、伺服电机3直到伺服电机n，可以是无刷直流电机、永磁同步电机或直流伺服电机。(见图1)采用本实用新型的优点和效果本实用新型其特征在于采用一块主控芯片实现多台伺服电机的独立控制或者协调控制，可充分利用主控制芯片U1的数据处理能力和脉宽调制(PWM)外围接口，以不同的控制方式分别控制类型不同的多台伺服电机，其中两台伺服电机可以完全独立地实现各自的位置环和速度环控制，其它多台伺服电机以开环方式运行。传统的多伺服电机控制装置一般都采用统一的驱动信号，各伺服电机转速只是简单的比例关系，不能实现复杂的逻辑控制功能。本实用新型提出的装置，在不增加成本的前提下，可以实现一般需要采用自动化控制系统(如运动控制卡)和伺服电机驱动器一起，才能实现的较复杂的多伺服电机协调运动控制功能。与传统的数字伺服传动装置相比较，本实用新型装置具有成本低、体积小的优点，另外，其核心控制算法在一块主控芯片里完成，大大提高了系统的效率和可靠性。
以下结合附图和实施例，对本实用新型进一步说明如下
图1是本实用新型的整体结构图图2是线驱动电路1图图3是线驱动电路2图图4是接口电路驱动图
具体实施方式
在图1中，其技术方案是在控制系统中，采用了一块主控芯片U1、其他功能模块、1～n接口电路、线接收电路1～2。它们与驱动模块1～n和编码器1～2相连。控制系统由主控芯片U1及其它功能模块构成，其它功能模块是已有技术，由虚线标出。驱动模块1为伺服电机1的功率部分，其控制信号来自控制系统。驱动模块1与控制系统之间的连线分为两个部分一部分为保护信号及电流电压等测量信号的输入输出，一般采用通用标准方式连接，是已有技术，由虚线标出；第二部分为驱动信号连接，通过接口电路1将U1的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6口输出至驱动模块1。驱动模块1由电缆向伺服电机1提供输入功率。伺服电机1的位置和速度信号由端部安装的编码器1检测，编码器1输出信号通过线接收电路1输入U1，其中位置信号A_1、B_1、Z_1相应输入U1的CAP1、CAP2、CAP3口，初始位置霍尔信号U_1、V_1、W_1相应输入U1的模拟信号采样口ADCIN00、ADCIN01、ADCIN02。驱动模块1接收六路PWM信号实现对桥式逆变电路的控制，伺服电机1的电流控制环和速度位置调节环都由主控芯片U1完成。
驱动模块2为伺服电机2的功率部分。驱动模块2与控制系统之间的连线也分为两个部分其中保护信号输出部分与驱动模块1类似，是已有技术，由虚线标出；第二部分为驱动信号连接，通过接口电路2将U1的PWM7口输出至驱动模块2。驱动模块2由电缆向伺服电机2提供输入功率。伺服电机2的位置和速度信号由端部安装的编码器2检测，编码器2输出信号通过线接收电路2输入U1，其中位置信号A_2、B_2、Z_2相应输入U1的CAP4、CAP5、CAP6口，初始位置霍尔信号U_2、V_2、W_2相应输入U1的模拟信号采样口ADCIN08、ADCIN09、ADCIN10。驱动模块2根据输入的PWM7占空比信号，调节伺服电机转速，可以选择在驱动模块2中内置电流环功能，位置和速度调节环由主控芯片U1实现。
驱动模块3为伺服电机3的功率部分。驱动模块3与控制系统之间的保护信号连线与驱动模块2相同，驱动信号通过接口电路3将U1的PWM8口输出至驱动模块3，从而实现对伺服电机3的开环控制。
线驱动电路1原理如图2所示，实现编码器1与主控芯片U1的匹配连接。编码器1输出的差分位置信号A_1+IN、A_1-IN、B_1+IN、B_1-IN、Z_1+IN、Z_1-IN先通过滤波，再经过线驱动芯片U2，再通过输出滤波转换为U1的输入信号A_1、B_1、Z_1。编码器1输出初始位置霍尔信号SU_1、SV_1、SW_1先通过滤波，再经过电平转换芯片U3转换为U1的输入信号U_1、V_1、W_1。
线驱动电路2原理如图3所示，实现编码器2与主控芯片U1的匹配连接。编码器2输出的差分位置信号A_2+IN、A_2-IN、B_2+IN、B_2-IN、Z_2+IN、Z_2-IN先通过滤波，再经过线驱动芯片U4，再通过输出滤波转换为U1的输入信号A_2、B_2、Z_2。编码器2输出初始位置霍尔信号SU_2、SV_2、SW_2先通过滤波，再经过电平转换芯片U5转换为U1的输入信号U_2、V_2、W_2。
驱动接口电路1、接口电路2、接口电路3-接口电路N的连接形式如图4所示。主控芯片U1输出的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7、PWM8～PWMx驱动信号经过电平匹配芯片U6、U7～Ux转换再分别送入驱动模块1～n，实现对各台伺服电机的独立或协调控制。
通过图2、图3、图4的连线对本实用新型的技术方案作详细说明图2为伺服电机1编码器1至主控芯片U1的连线图。编码器1出线A_1+IN经过R1连至VCC1稳压，输入至U2的10脚；编码器1出线A_1-IN经过R3连至地，输入至U2的9脚；A_1+IN与A_1-IN之间接有R2与C1滤波。编码器1出线B_1+IN经过R4连至VCC1稳压，输入至U2的6脚；编码器1出线B_1-IN经过R6连至地，输入至U2的7脚；B_1+IN与B_1-IN之间接有R5与C2滤波。编码器1出线Z_1+IN经过R7连至VCC1稳压，输入至U2的2脚；编码器1出线Z_1-IN经过R9连至地，输入至U2的1脚；Z_1+IN与Z_1-IN之间接有R8与C3滤波。线接收芯片U2的4脚与16脚接VCC1，8脚与12脚接地。U2第3脚输出信号对应于U2的1、2脚的输入信号，经过R10和C6滤波形成Z_1信号输出至主控芯片U1的捕获口CAP3。U2第5脚输出信号对应于U2的6、7脚的输入信号，经过R11和C5滤波形成B_1信号输出至主控芯片U1的捕获口CAP2。U2第11脚输出信号对应于U2的9、10脚的输入信号，经过R12和C4滤波形成A_1信号输出至主控芯片U1的捕获口CAP1。编码器1出线SU_1经过R16和C9滤波输入至电平转换芯片U3的1脚，U3的第11脚对应于相应的输出，该输出管脚经过R21匹配，再经过R15和C12滤波，连接至主控芯片U1的模拟信号采样口ADCIN00。编码器1出线SV_1经过R17和C8滤波输入至电平转换芯片U3的4脚，U3的第6脚对应于相应的输出，该输出管脚经过R20匹配，再经过R14和C11滤波连接至主控芯片U1的模拟信号采样口ADCIN01。编码器1出线SW_1经过R18和C7滤波输入至电平转换芯片U3的13脚，U3的第3脚对应于相应的输出，该输出管脚经过R19匹配，再经过R13和C10滤波，连接至主控芯片U1的模拟信号采样口ADCIN02。
图3为伺服电机2、编码器2至主控芯片U1的连线图。编码器2出线A_2+IN经过R22连至VCC1稳压，输入至U4的10脚；编码器2出线A_2-IN经过R24连至地，输入至U4的9脚；A_2+IN与A_2-IN之间接有R23与C13滤波。编码器2出线B_2+IN经过R25连至VCC1稳压，输入至U4的6脚；编码器2出线B_2-IN经过R27连至地，输入至U4的7脚；B_2+IN与B_2-IN之间接有R26与C14滤波。编码器2出线Z_2+IN经过R28连至VCC1稳压，输入至U4的2脚；编码器2出线Z_2-IN经过R30连至地，输入至U4的1脚；Z_2+IN与Z_2-IN之间接有R29与C15滤波。线接收芯片U4的4脚与16脚接VCC1，8脚与12脚接地。U4第3脚输出信号对应于U4的1、2脚的输入信号，经过R31和C18滤波形成Z_2信号输出至主控芯片U1的捕获口CAP6。U4第5脚输出信号对应于U4的6、7脚的输入信号，经过R32和C17滤波形成B_2信号输出至主控芯片U1的捕获口CAP5。U4第11脚输出信号对应于U4的9、10脚的输入信号，经过R33和C16滤波形成A_2信号输出至主控芯片U1的捕获口CAP4。编码器2出线SU_2经过R37和C21滤波输入至电平转换芯片U5的1脚，U5的第11脚对应于U5的1脚相应的输出，该输出管脚经过R42匹配，再经过R36和C24滤波，连接至主控芯片U1的模拟信号采样口ADCIN08。编码器2出线SV_2经过R38和C20滤波输入至电平转换芯片U5的4脚，U5的第6脚对应于U5的4脚相应的输出，该输出管脚经过R41匹配，再经过R35和C23滤波，连接至主控芯片U1的模拟信号采样口ADCIN09。编码器2出线SW_2经过R39和C19滤波输入至电平转换芯片U5的13脚，U5的第3脚对应于U5的13脚相应的输出，该输出管脚经过R40匹配，再经过R34和C22滤波连接至主控芯片U1的模拟信号采样口ADCIN10。
图4为主控芯片U1与各驱动模块之间的驱动信号连线图，包括了接口电路1、接口电路2、接口电路3～接口电路n。如图4所示，主控芯片U1输出的驱动信号PWM1直接连至电平转换芯片U6的1脚，信号线标号为PWM_1，该信号线对应的输出为U6的2脚，该管脚输出信号线PWU+连至驱动模块1；驱动信号PWM2直接连至电平转换芯片U6的3脚，信号线标号为PWM_2，该信号线对应的输出为U6的4脚，该管脚输出信号线PWU-连至驱动模块1；驱动信号PWM3直接连至电平转换芯片U6的5脚，信号线标号为PWM_3，该信号线对应的输出为U6的6脚，该管脚输出信号线PWV+连至驱动模块1；驱动信号PWM4直接连至电平转换芯片U6的9脚，信号线标号为PWM_4，该信号线对应的输出为U6的8脚，该管脚输出信号线PWV-连至驱动模块1；驱动信号PWM5直接连至电平转换芯片U6的11脚，信号线标号为PWM_5，该信号线对应的输出为U6的10脚，该管脚输出信号线PWW+连至驱动模块1；驱动信号PWM6直接连至电平转换芯片U6的13脚，信号线标号为PWM_6，该信号线对应的输出为U6的12脚，该管脚输出信号线PWW-连至驱动模块1；U6的7脚接地，14脚接VCC1。主控芯片U1输出的驱动模块2的驱动信号PWM_7直接连至电平转换芯片U7的1脚，信号线标号为PWM_7，该信号线对应的输出为U7的2脚，该管脚输出信号线PW7连至驱动模块2；U1输出的驱动模块3的驱动信号PWM8直接连至电平转换芯片U7的3脚，信号线标号为PWM_8，该信号线对应的输出为U7的4脚，该管脚输出信号线PW8连至驱动模块3；U7的7脚接地，14脚接VCC1。3台以上伺服电机驱动信号连接方法与伺服电机3连接方法相同，可依此类推。以图4的驱动模块n为例说明U1输出的驱动模块n的驱动信号PWMx直接连至电平转换芯片Ux的一输入管脚(如图4中为第1脚)，信号线标号为PWM_x，该信号线对应的输出为Ux的一输出管脚(如图4中为第2脚)，该管脚输出信号线PWx连至驱动模块n；Ux的7脚接地，14脚接VCC1。
权利要求1.一种采用单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，在控制系统中，采用了一个由主控芯片、接口电路、线接收电路和其他功能模块四部分组成的控制系统，控制系统包括主控芯片U1、接口电路、线接收电路和其他功能模块，与驱动模块1、2、3、N和编码器1、2相连，其特征在于采用一块主控芯片U1与接口电路、线接收电路和其他功能模块相连，通过驱动模块和编码器模块连接伺服电机，同时实现多台伺服电机的控制。
2.根据权利要求1所述的单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，其特征在于采用一块主控芯片U1与接口电路、线接收电路和其他功能模块相连的控制系统，实现多台伺服电机的独立控制或者协调控制，可充分利用主控制芯片U1的数据处理能力和脉宽调制(PWM)外围接口，以不同的控制方式分别控制类型不同的多台伺服电机，其中两台伺服电机可以完全独立地实现各自的位置环和速度环控制，连接的其它多台伺服电机可以是无刷直流电机、永磁同步电机或直流伺服电机，以开环方式运行。
3.根据权利要求1所述的单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，其特征在于通过接口电路1将U1的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6口输出至驱动模块1，驱动模块1由电缆向伺服电机1提供输入功率，伺服电机1的位置和速度信号由端部安装的编码器1检测，编码器1输出信号通过线接收电路1输入U1，其中位置信号A_1、B_1、Z_1相应输入U1的CAP1、CAP2、CAP3口，初始位置霍尔信号U_1、V_1、W_1相应输入U1的模拟信号采样口ADCIN00、ADCIN01、ADCIN02，驱动模块1接收六路PWM信号实现对桥式逆变电路的控制，伺服电机1的电流控制环和速度位置调节环都由主控芯片U1完成。
4.根据权利要求1所述的单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，其特征在于通过接口电路2将U1的PWM7口输出至驱动模块2，驱动模块2由电缆向伺服电机2提供输入功率，伺服电机2的位置和速度信号由端部安装的编码器2检测，编码器2输出信号通过线接收电路2输入U1，其中位置信号A_2、B_2、Z_2相应输入U1的CAP4、CAP5、CAP6口，初始位置霍尔信号U_2、V_2、W_2相应输入U1的模拟信号采样口ADCIN08、ADCIN09、ADCIN10，驱动模块2根据输入的PWM7占空比信号，调节伺服电机转速，可以选择在驱动模块2中内置电流环功能，位置和速度调节环由主控芯片U1实现。
5.根据权利要求1所述的单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，其特征在于在线驱动电路1中，实现编码器1与主控芯片U1的匹配连接，编码器1输出的差分位置信号A_1+IN、A_1-IN、B_1+IN、B_1-IN、Z_1+IN、Z_1-IN先通过滤波，再经过线驱动芯片U2，再通过输出滤波转换为U1的输入信号A_1、B_1、Z_1，编码器1输出初始位置霍尔信号SU_1、SV_1、SW_1先通过滤波，再经过电平转换芯片U3转换为U1的输入信号U_1、V_1、W_1。
6.根据权利要求1所述的单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，其特征在于在线驱动电路2中，实现编码器2与主控芯片U1的匹配连接。编码器2输出的差分位置信号A_2+IN、A_2-IN、B_2+IN、B_2-IN、Z_2+IN、Z_2-IN先通过滤波，再经过线驱动芯片U4，再通过输出滤波转换为U1的输入信号A_2、B_2、Z_2，编码器2输出初始位置霍尔信号SU_2、SV_2、SW_2先通过滤波，再经过电平转换芯片U5转换为U1的输入信号U_2、V_2、W_2。
7.根据权利要求1所述的单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置，其特征在于在驱动接口电路1、接口电路2、接口电路3～接口电路n的连接中，主控芯片U1输出的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6、PWM7、PWM8～PWMx驱动信号经过电平匹配芯片U6、U7～Ux转换再分别送入驱动模块1～n，实现对各台伺服电机的独立或协调控制。
专利摘要本实用新型提供一种采用单主控芯片控制多台伺服电机的控制装置。一块主控芯片U1与接口电路、线接收电路和其他功能模块相连，实现对多台伺服电机的独立控制或者协调控制，可充分利用主控制芯片U1的数据处理能力和脉宽调制(PWM)外围接口，以不同的控制方式分别控制类型不同的多台伺服电机，其中两台伺服电机可以完全独立地实现各自的位置环和速度环控制，连接的其它多台伺服电机可以是无刷直流电机、永磁同步电机或直流伺服电机，以开环方式运行，该控制装置具有控制精度高、稳定性好、成本低、体积小的优点，可广泛应用于机械、纺织、电子、印刷、冶金、石油、化工、轻工、包装等自动化领域。
文档编号H02P5/46GK2702530SQ20042000420
公开日2005年5月25日 申请日期2004年2月18日 优先权日2004年2月18日
发明者王璐, 叶林忠, 王健 申请人:北京和利时电机技术有限公司