專利名稱：總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種驅(qū)動伺服電機的伺服驅(qū)動器，更具體地說，涉及總線 伺服驅(qū)動器的電路構(gòu)成。
背景技術(shù)：
數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是以數(shù)控機床的移動部件(工作臺、主軸或刀具等) 的位置和速度為控制對象的自動控制系統(tǒng)。它接收數(shù)控裝置輸出的插補指令， 并將其轉(zhuǎn)換為移動部件的機械運動(轉(zhuǎn)動和平動)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要 組成部分，是數(shù)控裝置和機床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，其性能直接影響數(shù)控機床的精 度、工作臺的移動速度和跟蹤精度等技術(shù)指標(biāo)。數(shù)字總線式伺服驅(qū)動器的出現(xiàn)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。采用數(shù) 字伺服裝置，使所有指令值和實際值都能在一個微控制器內(nèi)完成。不但能實現(xiàn) 傳統(tǒng)的電流環(huán)和速度環(huán)控制，而且能在^fe短的時間內(nèi)完成^f青插補，實現(xiàn)位置環(huán) 控制。與使用模擬伺服裝置相比，采用數(shù)字伺服驅(qū)動裝置能獲得更高的加工精 度和加工速度，而且硬件簡單，系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本都極大降低。傳統(tǒng)總線式伺服驅(qū)動器的實現(xiàn)原理如圖1所示，包括才艮據(jù)協(xié)議解析傳輸信 息獲取位置數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)的總線解析部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理輸出控制、驅(qū)動指 令的伺服驅(qū)動部分，功率放大驅(qū)動電機的功率部分?？删幊炭刂破?Programmable Logic Controller )簡稱PLC，它是一類通用 型自動控制裝置。它一般以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順 序、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能。既能控制開關(guān)量，也能控制模擬量。在數(shù)控機床上采用PLC代替繼電器，使數(shù)控機床結(jié)構(gòu)更緊湊，功能更豐富， 響應(yīng)速度和可靠性大大提高。在高檔數(shù)控機床中等自動化程度高的加工設(shè)備和 生產(chǎn)制造系統(tǒng)中PLC是不可缺少的控制部件。一般來說機床用PLC從控制軟件所在的位置可分為"內(nèi)裝型"軟PLC和 "獨立型，，硬PLC。前者多是由上位機完成編程和邏輯運算，由以某種形式的 總線和上位機相連的IO模塊執(zhí)行輸入和輸出動作，通常所執(zhí)行的動作結(jié)果可以 直接顯示在上位機的軟件中。這種結(jié)構(gòu)的PLC,如圖2能夠最大限度的利用上 位機的CPU功能，簡化系統(tǒng)設(shè)計，同時能夠降低成本，操作簡單。采用這種結(jié) 構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)可以具有某些高級的控制功能，比如梯形圖編輯和傳送功能，在 數(shù)控軟件內(nèi)部直接處理NC窗口的大量信息等。采用內(nèi)裝型PLC的數(shù)控系統(tǒng)， 省去了專門的PLC與數(shù)控控制器之間的連線，又具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、安 裝和操作方便等有點，和在有用數(shù)控裝置之后又去外配一直通用PLC的情況相 比，無論在技術(shù)上還是經(jīng)濟上對用戶來說都是有利的。在數(shù)控系統(tǒng)中伺服驅(qū)動器和PLC都是必不可少的設(shè)備，如果能把二者結(jié)合 起來開發(fā)一款具有PLC控制功能的伺服驅(qū)動器和PLC功能的產(chǎn)品，可以在功能 上獲得增強。實用新型內(nèi)容本實用新型的全數(shù)字總線伺服驅(qū)動器，目的是實現(xiàn)伺服驅(qū)動器和PLC 二者 功能的集成，通過將PLC功能集成于伺服驅(qū)動器，以達到減少硬件成本，優(yōu)化 配置的目的。 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型構(gòu)造了一種全數(shù)字總線伺服驅(qū)動器，包括 第一總線協(xié)議解析單元、伺服驅(qū)動控制單元、功率驅(qū)動單元、位置數(shù)據(jù)反饋單 元，這四個單元完成基本的伺服控制功能。本實用新型的驅(qū)動器還包括第二總線協(xié)議解析單元和PLC接口單元；第二總線協(xié)議解析模塊通過數(shù)據(jù)寄存器與所 述PLC接口單元之間交互數(shù)據(jù)。上述二個總線協(xié)議解析單元均通過一個物理層 控制模塊與上位機交互信息，并根據(jù)通訊協(xié)議解析數(shù)據(jù)。該物理層控制模塊用 于數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)控制，設(shè)置一個接受數(shù)據(jù)的物理層接口、 一個發(fā)送數(shù)據(jù)的物 理層接口。優(yōu)選方式下，傳輸介質(zhì)選用以太網(wǎng)物理層。上述PLC接口單元主要 用于完成PLC控制的輸入、輸出。本實用新型全數(shù)字總線伺服驅(qū)動器，其改進在于，還包括一個編碼器/光柵 尺處理模塊，用于對增量編碼信號進行處理。編碼器/光柵尺處理模塊利用數(shù)據(jù) 寄存器與伺服驅(qū)動控制單元之間交互數(shù)據(jù)；上位^L還通過第一個總線協(xié)議解析 模塊訪問數(shù)據(jù)寄存器獲取所述編碼器/光柵尺處理模塊存放的實際位置數(shù)據(jù)。優(yōu) 選方式下，上述第一總線協(xié)議解析單元、第二總線協(xié)議解析單元、PLC接口單 元、編碼器/光柵尺處理模塊由片上集成系統(tǒng)FPGA實現(xiàn)。伺服驅(qū)動控制單元由 DSP或FPGA實現(xiàn)。而本實用新型實現(xiàn)的PLC接口單元包括24輸入16輸出的 PLC I/O接口 。通過上述技術(shù)方案，本實用新型的伺服驅(qū)動器，由于實現(xiàn)了 PLC (24IN/160UT)和伺服驅(qū)動部分的結(jié)合，功能強大，結(jié)構(gòu)緊湊。伺服驅(qū)動器支 持增量式編碼器和光柵尺接口還支持絕對值編碼器的串行接口 ， ENDAT2.2, INTERBUS, CAN, RS-485,可接收32位絕對位置信號。傳輸?shù)木幋a器數(shù)據(jù)位 數(shù)高達24bit。本實用新型伺服驅(qū)動器采用以太網(wǎng)物理層作為物理層，5類雙絞 線作為傳輸介質(zhì)，物理接口為RJ-45,總線協(xié)議解析采用片上集成系統(tǒng)FPGA實
現(xiàn)，因此可以通過協(xié)議解析支持基于以太網(wǎng)物理層的多種總線協(xié)議GLINK， SERCOS ， PROFIBUS 。該PLC編程簡單方便，與該PLC輸入輸出配合的上位 機PLC編程支持梯形圖，語句表，控制系統(tǒng)流程圖三種編程方式，并針對數(shù)控 的需求配備了完備的庫函數(shù)，可以直接調(diào)用用于機床控制。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中實現(xiàn)總線式伺服驅(qū)動器的功能框圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)總線式PLC I/O的功能框圖；圖3是實現(xiàn)本實用新型總線式伺服驅(qū)動器原理圖；圖4是實現(xiàn)本實用新型總線式伺服驅(qū)動器的功能模塊圖；圖5是本實用新型伺服驅(qū)動器的一種實施方式。
具體實施方式
如圖3所示本實用新型全數(shù)字總線伺服驅(qū)動器的基本原理，旨在將獨立的 伺服驅(qū)動器與PLC 1/0控制結(jié)合為一體，通過一個總線控制器與上位機通訊。如圖4中，總線控制器包括兩個總線協(xié)議解析單元和一個物理層控制模塊。 總線協(xié)議解析單元的功能用于通過物理層控制模塊與上位機交互信息，根據(jù)通 訊協(xié)議解析信息數(shù)據(jù)。物理層控制模塊用于控制數(shù)據(jù)傳輸在物理層的收發(fā)，設(shè) 置一個接受數(shù)據(jù)的物理層接口 、 一個發(fā)送數(shù)據(jù)的物理層接口 。其中上方的一個總線協(xié)議解析單元，結(jié)合伺服驅(qū)動控制單元、功率驅(qū)動單 元結(jié)合、位置數(shù)據(jù)反饋單元(編碼器)實現(xiàn)傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動器功能。下方的一個總線協(xié)議解析單元與PLC 1/0模塊實現(xiàn)PLC的輸入輸出功能。 而二個總線協(xié)議單元以及PLC I/O模塊都有一個片上集成系統(tǒng)FPGA實現(xiàn)(如
圖5)。優(yōu)選方式下，伺服驅(qū)動控制單元由DSP實現(xiàn)，也可利用FPGA實現(xiàn)。圖5 中，伺服驅(qū)動控制單元具體說就是由內(nèi)到外的3個環(huán)路的控制，電流環(huán)(扭矩 環(huán))、速度環(huán)和位置環(huán)，由于采用了最新的工作于150MHz,流水線指令操作的， 具有32位字長的電機控制專用定點DSP芯片，運算功能強大，所以位置環(huán)的部 分運算可以在伺服系統(tǒng)中實現(xiàn)。而且該單元還具有絕對值編碼器的處理功能， 設(shè)置串口用于接收串行數(shù)據(jù)(參數(shù)設(shè)置和性能檢測)。還可以實現(xiàn)IPM故障處理、 動態(tài)制動處理以及回生制動處理等功能，設(shè)置A/D模塊用于母線電流、轉(zhuǎn)矩、B 相電流、A相電流、速度指令、母線電壓的模擬量輸入進而實現(xiàn)處理與控制。片上集成系統(tǒng)FPGA還實現(xiàn)了 一個編碼器/光柵尺處理模塊，用于對增量編 碼信號進行處理；編碼器/光柵尺處理模塊通過數(shù)據(jù)寄存器中轉(zhuǎn)作用與伺服驅(qū)動 控制單元之間交互數(shù)據(jù)；上位機還通過上述實現(xiàn)伺服控制功能的總線協(xié)議解析 模塊獲取所述編碼器/光柵尺處理模塊存放的實際位置數(shù)據(jù)。在該實施例中，PLC和總線控制器以及控制系統(tǒng)的編碼器和光柵尺反饋部 分都用一片現(xiàn)場可編程器件實現(xiàn)，這樣可以使用最少的器件完成最多的功能。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護范 圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型披露的技術(shù)范 圍內(nèi)，根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其實用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，都 應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，包括第一總線協(xié)議解析單元、伺服驅(qū)動控制單元、功率驅(qū)動單元、位置數(shù)據(jù)反饋單元，這四個單元完成基本的伺服控制功能；其特征在于，還包括第二總線協(xié)議解析單元和PLC接口單元；第二總線協(xié)議解析模塊通過數(shù)據(jù)寄存器與所述PLC接口單元之間交互數(shù)據(jù)；二個總線協(xié)議解析單元均通過一個物理層控制模塊與上位機交互信息，并根據(jù)通訊協(xié)議解析數(shù)據(jù)；所述物理層控制模塊用于數(shù)據(jù)傳輸在物理層的收發(fā)控制，設(shè)置一個接受數(shù)據(jù)的物理層接口、一個發(fā)送數(shù)據(jù)的物理層接口；所述PLC接口單元，用于完成PLC控制的輸入、輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，其特征在于，還包括 一個編碼器/光柵尺處理模塊，用于對增量編碼信號進行處理；所述編碼器/光柵尺處理模塊通過數(shù)據(jù)寄存器與伺服驅(qū)動控制單元之間交互 數(shù)據(jù)；上位機還通過第一個總線協(xié)議解析模塊訪問數(shù)據(jù)寄存器獲取所述編碼器/ 光柵尺處理模塊存放的實際位置數(shù)據(jù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，其特征在于，所述第 一總線協(xié)議解析單元、第二總線協(xié)議解析單元、所述PLC接口單元、所述編碼 器/光柵尺處理模塊由片上集成系統(tǒng)FPGA實現(xiàn)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，其特征在于，所述伺 服驅(qū)動控制單元由DSP或FPGA實現(xiàn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4任一所述的總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，其特征在于，物理層的傳輸介質(zhì)選用以太網(wǎng)物理層。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，其特征在于，所述PLC 接口單元包括24輸入、16輸出的PLCI/0接口。
專利摘要本實用新型一種總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，包括實現(xiàn)伺服控制功能的第一總線協(xié)議解析單元、伺服驅(qū)動控制單元、功率驅(qū)動單元；還包括第二總線協(xié)議解析單元和PLC接口單元；第二總線協(xié)議解析模塊通過數(shù)據(jù)寄存器與所述PLC接口單元之間交互數(shù)據(jù)；上述總線協(xié)議解析單元的功能用于通過物理層控制模塊與上位機交互信息，根據(jù)通訊協(xié)議解析信息數(shù)據(jù)；所述PLC接口單元用于完成PLC控制的輸入、輸出。本實用新型的伺服驅(qū)動器，由于實現(xiàn)了PLC和伺服驅(qū)動部分的結(jié)合，具有功能強大，結(jié)構(gòu)緊湊的特點。
文檔編號G05B19/414GK201035391SQ20072001011
公開日2008年3月12日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月15日
發(fā)明者于德海, 何興家, 吉 馮, 劉士宏, 葉東國, 超 吳, 張可畏, 張贊秋, 俊 李, 李文慶, 楊立波, 王慶鵬, 迪 羅 申請人:大連光洋科技工程有限公司