专利名称：数字伺服控制器及相应的伺服控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及伺服控制技术领域，特别是一种数字伺服控制器及相应的伺服控制系统。
背景技术：
电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成。它具有输出功率高、电磁干扰辐射小、线性好、死区小、灵敏度高，动态性能好、响应快、精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用。传统的电液伺服控制技术，往往采用模拟伺服控制器来实现，其自动化程度较低， 控制参数修改繁琐，且电液伺服系统不具有可视性。为此，数字伺服控制逐渐取代了模拟伺服控制，而成为未来发展的趋势。然而，现有的数字伺服控制技术多为西方发达国家的高性能数字运动控制器技术所统治，这种设备多采用16位处理能力的DSP内核处理器，系统结构复杂，往往由于恶劣工业环境下可靠性欠佳、实时运行速度不够理想、开发维护技术门槛高、造价昂贵等限制因素，而难以在国内工业基础薄弱的广大自动机械设备制造领域推广应用，也难以满足实时响应要求较高的高速高精度运动设备的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种数字伺服控制器及相应的伺服控制系统， 以改善现有技术的缺失。根据本发明的目的，本发明提供的数字伺服控制器，包括电源变换电路，耦接一直流电源，以为该数字伺服控制器供电；微处理器以及分别与该微处理器信号连接数字信号接口模块、模拟信号接口模块、异步串行接口模块与同步串行接口模块，且微处理器根据数字信号接口模块的输入信号，控制该数字伺服控制器的控制状态；微处理器通过异步串行接口模块或者模拟信号接口模块获得指令信号，并通过模拟信号接口模块或者同步串行接口模块获得反馈信号，而根据所述指令信号和反馈信号利用PID运算产生驱动信号。进一步的，所述的数字伺服控制器还包括所述电源变换电路内设置有瞬态抑制电路，吸收尖峰浪涌电压。进一步的，所述数字信号接口模块具有多个数字量输入端与多个开关量输出端， 微处理器根据数字量输入端的输入信号，产生相应的开关量输出，控制该数字伺服控制器的控制状态。进一步的，所述数字信号接口模块内设置有高速光电耦合隔离器。进一步的，所述模拟信号接口模块具有单端输入信号接口、差分输入信号接口与模拟输出接口。 进一步的，所述模拟信号接口模块包括模/数、数/模转换模块，信号连接于所述微处理器；模拟信号调理接口，信号连接于所述模/数、数/模转换模块。
进一步的，所述模/数、数/模转换模块包括至少一路A/D高速高精度串行转换器和一路D/A高速高精度串行转换器。进一步的，所述异步串行接口模块包括RS232和RS485异步串行通讯接口。进一步的所述的数字伺服控制器还包括显示与按键处理模块，信号连接所述微处理器。本发明还提供一种伺服控制系统，包括中央控制器，发出运动控制的指令信号； 数字伺服控制器，接收所述指令信号，以对一执行机构的运动过程进行闭环控制；传感器， 设置于所述执行机构内，以提供反馈信号给数字伺服控制器，参与闭环控制；且所述数字伺服控制器包括微处理器以及分别与该微处理器信号连接数字信号接口模块、模拟信号接口模块、异步串行接口模块与同步串行接口模块，且微处理器根据数字信号接口模块的输入信号，控制该数字伺服控制器的控制状态；微处理器通过异步串行接口模块或者模拟信号接口模块获得所述指令信号，并通过模拟信号接口模块或者同步串行接口模块获得所述反馈信号，而根据所述指令信号和反馈信号利用PID运算产生一驱动信号，以对所述执行机构的运动过程进行闭环控制。可见，以上以上数字伺服控制器结构简单，相对于现有技术，极大的降低了成本。 且其控制模式灵活，可以高动态响应闭环控制伺服应用，适用于机、电、液运动控制系统，且可应用于速度、位移、压力的独立或者复合闭环控制模式。另外该数字伺服控制器，在恶劣工业环境下，具有良好的可靠性，实时运行速度完全可以满足高速高精度运动设备的要求。另外，将以上数字伺服控制器应用于伺服控制系统中，可构成分布式控制系统，即每个数字伺服控制器仅对一个执行机构的运动进行闭环控制。其相对于采用中央控制器兼顾所有机械运动控制的集中式控制系统，分布式控制系统的实时性能优良，动态速度快且精准，可靠性也相对较高。
图1为本发明一实施例所提供的数字伺服控制器的结构框图；图2为本发明一实施例所提供的数字伺服控制器的一个应用实例的外部端子示意图；图3为图2所示的应用实例的一个实际应用中的接线示意图；图4为本发明一较佳实施例所提供的数字伺服控制器的结构框图；图5为本发明一实施例所提供的伺服控制系统的结构框图。
具体实施例方式为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的说明。发明人充分考虑到现有伺服控制系统结构复杂、恶劣工业环境下可靠性欠佳、实时运行速度不够理想以及造价昂贵等不利因素。开发设计出一种小型数字伺服控制器，其仅对一个执行机构的运动进行闭环控制，进而构成一种分布式伺服控制系统。即将伺服闭环控制任务交由专用的小型数字伺服控制器来完成，相对于采用中央控制器兼顾所有机械运动控制的集中式伺服控制系统，分布式伺服控制系统的实时性能优良，动态速度快且精
4准，可靠性也相对较高。下面详细描述这种小型数字伺服控制器的设计构成。请参考图1，其为本发明一实施例所提供的数字伺服控制器的结构框图。如图所示，该数字伺服控制器包括电源变换电路600耦接一直流电源，以为该数字伺服控制器供电。控制器还包括微处理器100以及分别与该微处理器100信号连接数字信号接口模块 200、模拟信号接口模块300、异步串行接口模块400与同步串行接口模块500。其中微处理器100根据数字信号接口模块200的输入信号，控制该数字伺服控制器的控制状态；微处理器100通过异步串行接口模块400或者模拟信号接口模块300获得指令信号，并通过模拟信号接口模块300或者同步串行接口模块500获得反馈信号，而根据所述指令信号和反馈信号利用PID运算产生驱动信号。请继续参考图2，其为以上数字伺服控制器的一个应用实例的外部端子示意图。其中各个端子与图1中数字伺服控制器的外围接脚相对应。如图所示，该数字伺服控制器接线端子的含义如下+P为电源端子，耦接供电电源，通常控制器采用标准的24V直流供电。为了满足控制器内各个模块的供电电压需求，往往在该控制器内设置电源变换电路600，其内设置有多路开关稳压电路，以将24V直流电源转换成各种所需的供电电压。DO至D3为数字量输入端，QO和Ql是开关量输出端，其构成了一个4输入2输出的数字I/O信号接口。COM是数字输入输出公共端，与电源GND隔离，之所以设置公共端COM 是为了适应工业现场复杂恶劣的电磁环境。即为了保证控制器能够可靠正常地输入输出数字信号，较佳的在数字信号接口模块200中设置高速光电耦合隔离电路，利用高速光电隔离电路的绝缘特性来保证控制器在恶劣的电磁环境下不被损坏，从而保证数字信号能够高速有效地传递。GND为电源地及模拟量信号地。AO至A3为模拟信号输入端，SO为模拟信号输出端。其中AO和Al为单端输入方式，A2和A3为差分输入方式，模拟信号输入AO、Al以及模拟信号输出SO均以GND作为信
号参考零点。请继续参考图3，其为图2所示的应用实例的一个实际应用中的接线示意图。如图所示，在本实施例中，指令信号为模拟信号，故通过差分输入方式的A2接脚接入该控制器； 反馈信号也为模拟信号，故通过差分输入方式的A3接脚接入该控制器。控制执行机构的模拟信号输出则由SO端子相对于接地端GND输出。AO和Al辅助输入信号可以是复合控制模式下的指令输入和反馈输入。数字信号输入输出端DO至D3、Q0和Ql用以实现该控制器的控制状态，例如，以数字量组合命令的方式实现预置在控制器内部参数的运动执行，或者实现执行机构中一些开关量传感器和继电器的简单辅助动作。如此，当工业控制机发来控制指令，便通过模拟信号输入端A2提供给该控制器内的微处理器100。同时，该控制器根据数字信号输入端DO至D3的输入信号来控制控制器内部参数的运动执行，同时输出开关量输出信号，来控制执行机构中的开关量传感器和继电器的运作，例如控制该控制器处于位移、速度、压力的独立或复合闭环伺服控制。进而，通过模拟信号输入端A3将反馈信号提供给微处理100。微处理100便可以通过PID运算产生驱动信号，通过模拟信号输出端SO提供给执行机构。
可见，以上数字伺服控制器结构简单，相对于现有技术，极大的降低了成本。且其控制模式灵活，可以高动态响应闭环控制伺服应用，适用于机、电、液运动控制系统，且可应用于速度、位移、压力的独立或者复合闭环控制模式。经过大量实验，该控制器，在恶劣工业环境下，具有良好的可靠性，实时运行速度完全可以满足高速高精度运动设备的要求。在本发明一较佳实施例中，微处理器100采用了 32位高性能Cortex-M3内核嵌入式微处理器，其具有结构简约明快、硅片尺寸小、抗干扰能力强、指令运行速度快、32位处理能力、功耗小、价格低廉等突破性的优势特性，非常适合于恶劣工业环境下的智能化数字伺服控制。该处理器主要特性有采用Thumb-2精简指令集构架；哈佛处理器三级流水线构架，在加载、存储数据的同时能够执行取指令操作；32位单周期乘法；硬件除法；自动保存和恢复处理器状态，可实现中断服务的低延时进入和退出；可嵌套的中断向量控制器 NVIC，支持占先、末尾连锁和迟来中断处理，可迅速处理同时出现的多个中断请求；60MIPS/ S的高速处理运算速度超过了普通16位DSP处理器的运算速度。上述这些重要特性保证了数字伺服处理器能够轻松应对高速运动的复杂精准控制运算要求。当然，此处仅为一较佳实施例，随着技术的发展，本领域技术人员可采用其他高性能的微处理器。在本发明一较佳实施例中，电源变换电路600内设置有瞬态抑制电路，吸收尖峰浪涌电压，以有效防止供电网中随机出现的浪涌脉冲对控制系统的干扰。另外，其内部还可以设置可自动恢复的保险丝元件，以可靠地保证控制器的安全运行。在本发明一较佳实施例中，数字信号接口模块200内设置有高速光电耦合隔离器。高速光电隔离器的绝缘特性可以保证控制器既能有效地防止恶劣的电磁环境下不被损坏，又可以保证数字信号能够高速有效地传递。如此，便可以使得控制器能更好的适应在工业现场复杂恶劣的电磁环境，能够可靠正常地输入输出数字信号。在本发明一较佳实施例中，控制器设有两种标准的串行接口，即异步串行接口模块400包括RS232和RS485异步串行通讯接口。RS232接口用于PC机软件与控制器之间的通讯，RS485接口用于工业现场与主控计算机的远距通讯。例如，利用控制器上的RS232接口和界面友好的PC机专用调试监控软件，可以对控制器进行全面细致的参数设定监测操作。请参考图4，其为本发明一较佳实施例所提供的数字伺服控制器的结构框图。如图所示，在本实施例中，该控制器还包括显示与按键处理模块700，信号连接所述微处理器 100。请合并参考图2与图3，该显示与按键处理模块700包括一显示屏710与多个按键 720,以供用户对控制器进行最基本的操作。例如，在本实施例中采用了 4位LED数码管显示和四个轻触按键，四个按键定义分别为Esc (显示)、Mode (菜单)、Up (控制指令值)和 Down (反馈输入值)。较佳的，数码管显示采用静态缓存技术，无须刷新扫描控制，既节省处理器软硬件资源，又提高了显示亮度；轻触按键采用比较器逐次逼近式键值处理技术，只需要一个引脚即可完成四个按键的键值识别，最大限度地节约了处理器硬件资源。另外，微处理器100所处理的信号为数字信号，而模拟信号接口模块300所接收或送出的信号为模拟信号，故模拟信号接口模块300还具有控制器的模/数、数/模同步转换功能。故，模拟信号接口模块300往往包括模/数、数/模转换模块310和模拟信号调理接口 320。较佳的，模/数、数/模转换模块由至少一路A/D高速高精度串行转换器和一路D/A高速高精度串行转换器构成。在本实施例中，设计有两路16位A/D高速高精度串行转换器和一路14位D/A高速高精度串行转换器。此处仅为举例，本发明不限制A/D转换器和D/ A转换器的个数。这些串行转换器共用一个同步时钟脉冲信号，而数据传输使用了各自的通道。这种特殊的设计可以实现多路A/D、D/A数据转换同步进行，各路信号间理论上没有采样点时间差异，这对处理多个信号的高速动态伺服控制实时处理非常重要。模拟信号调理接口 320设有高稳定度的信号放大、滤波、偏置电路，为A/D、D/A转换器提供最佳信噪比的信号匹配处理。以上技术特征的设计保证了处理器以最充分的软硬件资源投入闭环处理的复杂
运算工作中。需要说明的是，同步串行接口模块500是专为数字式传感器设计的SSI同步串行数据接口。为了充分发挥数字控制器高精度控制的优势性能，伺服执行机构就需要使用数字传感器，数字传感器的接口种类繁多，工业现场环境下，SSI同步串行数据接口具有简单可靠、高速有效的传递特性，因此采用SSI接口的设计是非常适合高速动态伺服控制的实时性要求的。请参考图5，其为本发明一实施例所提供的伺服控制系统的结构框图。在本实施例中，以单轴电液伺服运动控制为例，来描述以上数字伺服控制器所应用的伺服控制系统。 然而，本发明不以此为限，本领域技术人员可根据以上提示，将数字伺服控制器应用于其他运动控制系统中。图中的系统可以实现单轴电液伺服执行机构的位移、速度、力(压力)的闭环控制，其主要包括中央控制器10，具有以上特征的数字伺服控制器20、传感器和执行机构。其中中央控制器10发出运动控制的指令信号；数字伺服控制器20接收所述指令信号，以对执行机构的运动过程进行闭环控制；传感器设置于执行机构内，以提供反馈信号给数字伺服控制器20，参与闭环控制；中央控制器主要由可编程控制器(PLC)或工业控制计算机等发出运动控制的指令信号(模拟的或数字的)，由数字伺服控制器20实现运动过程的闭环控制，执行机构由比例伺服阀驱动器41、电液比例伺服阀42、液压伺服缸43组成。安装在液压伺服缸上的一个位移传感器31和两只压力传感器32负责提供反馈信号给数字伺服控制器20参与闭环控制。数字伺服控制器20根据各传感器的反馈信号和中央控制器10 的指令信号进行PID运算并输出控制信号到比例伺服阀驱动器41，由比例伺服阀驱动器41 控制的电液比例伺服阀42借助液压动力控制液压伺服缸43的运动过程。以上系统将伺服闭环控制任务交由小型数字伺服控制器20来完成，这种方式属于分布式控制系统，相对于采用中央控制器兼顾所有机械运动控制的集中式控制系统，分布式控制系统的实时性能优良，动态速度快且精准，可靠性也相对较高。以上仅为举例，并非用以限定本发明，本发明的保护范围应当以权利要求书所涵盖的范围为准。
权利要求
1.一种数字伺服控制器，其特征是，包括电源变换电路，耦接一直流电源，以为该数字伺服控制器供电； 微处理器以及分别与该微处理器信号连接数字信号接口模块、模拟信号接口模块、异步串行接口模块与同步串行接口模块，且微处理器根据数字信号接口模块的输入信号，控制该数字伺服控制器的控制状态； 微处理器通过异步串行接口模块或者模拟信号接口模块获得指令信号，并通过模拟信号接口模块或者同步串行接口模块获得反馈信号，而根据所述指令信号和反馈信号利用 PID运算产生驱动信号。
2.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，还包括 所述电源变换电路内设置有瞬态抑制电路，吸收尖峰浪涌电压。
3.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，所述数字信号接口模块具有多个数字量输入端与多个开关量输出端，微处理器根据数字量输入端的输入信号，产生相应的开关量输出，控制该数字伺服控制器的控制状态。
4.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，所述数字信号接口模块内设置有高速光电耦合隔离器。
5.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，所述模拟信号接口模块具有单端输入信号接口、差分输入信号接口与模拟输出接口。
6.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，所述模拟信号接口模块包括 模/数、数/模转换模块，信号连接于所述微处理器；模拟信号调理接口，信号连接于所述模/数、数/模转换模块。
7.根据权利要求6所述的数字伺服控制器，其特征是，所述模/数、数/模转换模块包括至少一路A/D高速高精度串行转换器和一路D/A高速高精度串行转换器。
8.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，所述异步串行接口模块包括 RS232和RS485异步串行通讯接口。
9.根据权利要求1所述的数字伺服控制器，其特征是，还包括 显示与按键处理模块，信号连接所述微处理器。
10.一种伺服控制系统，其特征是，包括 中央控制器，发出运动控制的指令信号；数字伺服控制器，接收所述指令信号，以对一执行机构的运动过程进行闭环控制； 传感器，设置于所述执行机构内，以提供反馈信号给数字伺服控制器，参与闭环控制；且所述数字伺服控制器包括微处理器以及分别与该微处理器信号连接数字信号接口模块、模拟信号接口模块、异步串行接口模块与同步串行接口模块，且微处理器根据数字信号接口模块的输入信号，控制该数字伺服控制器的控制状态； 微处理器通过异步串行接口模块或者模拟信号接口模块获得所述指令信号，并通过模拟信号接口模块或者同步串行接口模块获得所述反馈信号，而根据所述指令信号和反馈信号利用PID运算产生一驱动信号，以对所述执行机构的运动过程进行闭环控制。
全文摘要
本发明揭示了一种数字伺服控制器及相应的伺服控制系统，包括电源变换电路，耦接一直流电源，以为该数字伺服控制器供电；微处理器以及分别与该微处理器信号连接数字信号接口模块、模拟信号接口模块、异步串行接口模块与同步串行接口模块，且微处理器根据数字信号接口模块的输入信号，控制该数字伺服控制器的控制状态；微处理器通过异步串行接口模块或者模拟信号接口模块获得指令信号，并通过模拟信号接口模块或者同步串行接口模块获得反馈信号，而根据所述指令信号和反馈信号利用PID运算产生驱动信号。以上数字伺服控制器，在恶劣工业环境下，具有良好的可靠性，实时运行速度完全可以满足高速高精度运动设备的要求。
文档编号G05B19/418GK102213958SQ201010144759
公开日2011年10月12日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者陈捷 申请人:上海天浔智能科技有限公司