专利名称：全数字交流伺服控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种伺服传动装置的控制设备，特别涉及一种专用运动控制DSP器件的全数字交流伺服控制系统。
技术背景现有市场上的全数字化交流伺服控制系统，存在以下缺点第一只能用 指定型号的永磁交流伺服电机，限制了使用的通用性和灵活性；第二力矩刚 度不够高；第三动态跟踪误差仍然比较大，可达到最高加工精度和最高光洁 度都不够理想。 发明内容本实用新型是针对现有交流伺服控制系统通用性差、加工精度不高的问 题，提出了一种全数字交流伺服控制系统，其特点是输出力矩刚度大，动态 跟踪误差小，可达到远为更高的加工精度和光洁度。本实用新型的技术方案为 一种全数字交流伺服控制系统，包括控制板、 功率板、显示板、伺服电机，控制板输出控制信号到功率板，输出检测信号 到显示板去显示信息，功率板接收控制板控制信号，输出功率驱动信号，去 控制伺服电机，同时反馈经过内部高压隔离电路的电源电压电流信号给控制 板，控制板包括专用运动控制数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、 数字开关输入输出电路、模拟信号输入输出电路、驱动电路；可处理复杂逻 辑关系的现场可编程门阵列FPGA直接接到数字开关输入输出电路，对信号进 行处理，并通过数据线、地址线和DSP进行通讯，交换信息，由数字信号处 理器DSP进行计算，再输出控制信号给驱动电路，驱动电路输出到功率板上，
再去控制伺服电机，数字信号处理器DSP接到模拟信号输入电路信号，数字 化后，进行计算和控制，并输出信号到模拟输出电路。所述数字开关输入输出电路，包括编码器信号输入电路、编码器信号输 出电路、位置脉冲输入电路、开关信号输入电路、开关信号输出电路。所述 模拟输出电路，模拟信号输出电路依次包括隔离电路、整形放大电路、滤波 电路、反馈采样电路。所述高压隔离电路采用双光耦隔离电路。本实用新型的有益效果在于本实用新型全数字交流伺服系统为伺服传 动提供一种高性能、功能全面、操作维护简便、可靠性高的控制系统。
图1是本实用新型全数字交流伺服控制系统的原理框图；图2是本实用新型全数字交流伺服控制系统控制板主芯片的部分接线图；图3是本实用新型全数字交流伺服控制系统高压信号隔离输出电路的原理图；图4是本实用新型全数字交流伺服控制系统模拟输出的P丽实现方法原理图；图5是本实用新型全数字交流伺服控制系统纹波信号的分离放大电路原理 图。
具体实施方式
如图1所述全数字交流伺服控制系统的原理框图由控制板、功率板、显 示板、再加伺服电机组成。在控制板中，包括专用运动控制DSP器件U41、 现场可编程门阵列U2、高速存储器U40、 PWM驱动电路U4、编码器信号输 入电路U17和U18、编码器信号输出电路U16、编码器电源控制电路Q7、 Q8、 位置脉冲输入电路U13和U15、开关信号输入电路U7、 U9、 Ull、开关信号
输出电路U5、 U6、 U8、 UIO、 U12、 U14、非易失器件U42、输入模拟信号 处理芯片U25 U31、 U34、 U37、 U43，输出模拟信号处理芯片U33、 U32、 U36、 U35、通讯接口电路U38、 U39、 U45。输入模拟信号处理芯片U25 U31、 U34、 U37、 U43的信号输入专用运动控制DSP器件U41，专用运动控制DSP 器件U41与现场可编程门阵列U2的数据线、地址线连接，专用运动控制DSP 器件U41输出信号入PWM驱动电路U4， PWM驱动电路U4输出信号入功 率板，专用运动控制DSP器件U41输出信号入编码器电源控制电路Q7、 Q8 控制编码器电源，高速存储器U40、非易失器件U42与专用运动控制DSP器 件U41互相传递数据，开关信号输入电路U7、 U9、 Ull、位置脉冲输入电路 U13和U15、编码器信号输入电路U17和U18输入数字信号到现场可编程门 阵列U2，现场可编程门阵列U2输出信号入开关信号输出电路U5、 U6、 U8、 UIO、 U12、 U14、编码器信号输出电路U16、通讯接口电路U38、 U39、 U45 和显示板。其特征为采用专用运动控制DSP器件U41、现场可编程门阵列U2 作为核心控制电路，采用PWM滤波后作为模拟量输出，U2独立实现键盘及 显示接口，母线电压纹波提取采集。在功率板上，包括智能功率模块Ml、霍耳电流传感电路M26、 M27、 M28、开关电源控制电路M17、 M16、高速隔离光耦M1 M6、反向驱动电路 M32 M37、 IPM报警电路M8、制动控制电路M25、 MIO、母线电压比较电 路M24、驱动电路M19、高压区信号隔离传输电路M18 M23、主电源断路检 测电路M29。控制板来的PWM驱动电路U4的信号进入高速隔离光耦M1 M6 后进入反向驱动电路M32 M37最后到智能功率模块Ml，母线电压比较电路 M24和控制板来的信号进入制动控制电路M25、 M10后经驱动Q3输出制动 信号，母线电压比较电路M24信号通过驱动电路M19到高压区信号隔离传输 电路M18、 M20 M23输出到控制板，开关电源控制电路M17、 M16和霍耳 电流传感电路M26、 M27、 M28输出到控制板，其特征在于采用IPM为主开 关器件，高压区信号隔离传输电路M18 M23实时采集母线电压、母线电流；在显示板上，由LED数码管X1 X6、接插件X7组成按键显示电路。其 特征为无任何锁存、控制器件，所有的按键及显示控制都由控制板上的U2完 成。上述线路板通过线缆连接在一起，以自动控制理论为基础，关键环节进 行了创新和改进，实现了电流环、速度环、位置环的闭环完美控制。本实用新型通过采用专用运动控制数字信号处理器DSP和现场可编程门 阵列FPGA为控制核心，实现了很多传统伺服驱动中需要很多小规模分立器件 才能实现的功能，无论从性能、速度、可靠性方面，还是从成本、体积方面 比较，本设计都有无可比拟的优势。DSP内部集成了多路P丽输出、多路A/D 转换器、编码译码器、故障保护单元等伺服控制必需的功能。FPGA的开发使 用VHDL语言开发，很多复杂的控制逻辑都能快速实现，脉宽计数采用锁相环 提高了计数精度，输入和输出方波可任意分频，兼容符号+脉冲、正反串脉冲、 正交编码脉冲等多种输入脉冲模式，独立实现键盘及显示的动态扫描。输入 开关量的监测，输出开关量的锁存，所有敏感信号的中断请求，所有输入信 号的数字滤波等功能也都是在FPGA内完成的。伺服控制系统控制周期越短，同等条件下系统的响应就越高、最终的控 制效果越好，所以尽可能的减轻DSP的负担尤为重要。本实用新型的键盘和 显示功能完全由FPGA独立实现，包括按键监测、去抖动、长按键处理、按键 中断请求、显示器的动态扫描，无需占用DSP时间，无需额外的锁存或显示 控制器件。高压区信号包括母线电压、母线电流，这些信号和控制系统不共地，需 要隔离后才能采集， 一般的做法是采用线性隔离光耦，价格十分昂贵，本实 用新型中采用一种创新的如图3所示普通双光耦隔离电路的方式，实现了信 号的线性隔离传输，且适用于宽温范围。伺服控制系统需要输出一些模拟信号供外部使用，本实用新型中充分利用专用DSP的优势，将富余的PWM通道作为模拟输出的控制端，如图4所示 经过隔离电路、整形放大电路、滤波电路、反馈采样电路的方法，可以产生 精度达到0. 1%的模拟信号输出，无须额外配置高精度的D/A器件。理想的母线电压是一恒定的电压源，但因为输入电源存在波动、负载也 在实时变化，所以母线存在一定的纹波，根据纹波电压动态补偿P丽的占空 比，可以改善控制系统的性能，本实用新型分离母线电压的纹波，如图5所 示电路分离放大后可以细致的分析判断纹波的变化趋势，从而对输出量进行 微调，改善了系统的控制效果。
权利要求1、一种全数字交流伺服控制系统，包括控制板、功率板、显示板、伺服电机，控制板输出控制信号到功率板，输出检测信号到显示板去显示信息，功率板接收控制板控制信号，输出功率驱动信号，去控制伺服电机，同时反馈经过内部高压隔离电路的电源电压电流信号给控制板，其特征在于控制板包括专用运动控制数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、数字开关输入输出电路、模拟信号输入输出电路、驱动电路；可处理复杂逻辑关系的现场可编程门阵列FPGA直接接到数字开关输入输出电路，对信号进行处理，并通过数据线、地址线和DSP进行通讯，交换信息，由数字信号处理器DSP进行计算，再输出控制信号给驱动电路，驱动电路输出到功率板上，再去控制伺服电机，数字信号处理器DSP接到模拟信号输入电路信号，数字化后，进行计算和控制，并输出信号到模拟输出电路。
2、 根据权利要求l所述的全数字交流伺服控制系统，其特征在于所述数字开 关输入输出电路，包括编码器信号输入电路、编码器信号输出电路、位置脉 冲输入电路、开关信号输入电路、开关信号输出电路。
3、 根据权利要求l所述的全数字交流伺服控制系统，其特征在于所述模拟输 出电路，模拟信号输出电路依次包括隔离电路、整形放大电路、滤波电路、 反馈采样电路。
4、 根据权利要求1所述的全数字交流伺服控制系统，其特征在于所述高压隔 离电路采用双光耦隔离电路。
专利摘要本实用新型涉及一种全数字交流伺服控制系统，它使用专用于运动控制的数字信号处理器和现场可编程门阵列器件作为核心控制器件，实现系统参数自动设定，内部位置可编程等功能，在电流环、速度环、位置环的控制各环节上均有创新之处，在系统动态跟踪误差、快速响应、抗干扰力矩刚度、负载惯量范围等重要指标均达到极高的水平，并可适配不同厂家的伺服电机，在所有需要高精度定位和快速响应的运动控制领域都可以适用，特别是高档数控机床等高端应用的行业。
文档编号G05B19/414GK201215626SQ200820058408
公开日2009年4月1日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者珣 费 申请人:珣 费