專利名稱：總線式智能電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種伺服電機，尤其涉及一種伺服驅(qū)動器與伺服電機集成 為一體的集成電才幾背景技術(shù)傳統(tǒng)的數(shù)控機床的體系結(jié)構(gòu)中，上位機和伺服驅(qū)動器之間通過模擬或者脈 沖命令方式傳遞數(shù)據(jù)，控制伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機工作。通常，伺服驅(qū)動器 和伺服電機是兩種各自獨立的設(shè)備，這兩種設(shè)備分別安裝在電控拒和機床本體上，二者通過電氣連線連接。這種方式存在一定的問題，如2006年4月14日 提交的中國專利申請，申請?zhí)?00610050336. 4公開了一種集成電機，其背景技 術(shù)部分描述了兩設(shè)備各自獨立存在的諸多缺點。為了解決了這些問題，該申請(200610050336.4)提供了一種伺服電機， 它包括殼體和安裝于殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子、定子、軸及支撐軸的軸承，定子后方依次 設(shè)有支架、編碼器、伺服驅(qū)動器和兼作電機后端蓋的散熱器，編碼器設(shè)置在支 架內(nèi)，伺服驅(qū)動器固裝在散熱器上，伺服驅(qū)動器采用全數(shù)字通信方式并且由外 部直接提供直流電源。殼體外側(cè)設(shè)有總線控制接口，總線控制接口經(jīng)安裝于伺 服驅(qū)動器中的總線驅(qū)動芯片與伺服驅(qū)動器中的數(shù)字信號處理器相連。其問題在 于，該申請僅介紹了一種以CAN總線方式實現(xiàn)的集成電機，由于傳輸介質(zhì)與協(xié) 議的限制，數(shù)據(jù)的傳輸速率最大可至2 Mbps，'針對目前愈來愈高速率的生產(chǎn)要求，該種電機的可擴展性受到一定限制，此外，該申請未涉及數(shù)控系統(tǒng)常用PLC設(shè)備及功能，因此存在電機與PLC各自作為獨立設(shè)備的問題。而本申請人于加07年1月15日提交的申請?zhí)?00710010048. 0中國專利申 請"總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器"，公開了二種總線式全數(shù)字伺服驅(qū)動器，其通過 以太網(wǎng)物理層利用超5類雙絞線作為傳輸介質(zhì)，基于一定的傳輸協(xié)議，大大提 高了凄t據(jù)的傳輸速率。該申請通過引用結(jié)合于本文。同樣，該申請的問題在于， 伺服驅(qū)動器作為獨立的設(shè)備與同樣作為獨立設(shè)備的電機連接，存在各個設(shè)備之 間集成度不高的問題。發(fā)明內(nèi)容本實用新型總線式智能電機，其目的在于，實現(xiàn)伺服驅(qū)動器單元與伺服電 機的集成，并將PLC功能集成于伺服驅(qū)動器單元，從而達到減少硬件成本、優(yōu) 化配置的目的；本實用新型的另一目的在于，依靠以太網(wǎng)利用超5類雙絞線作 為傳輸介質(zhì)傳輸電機工作數(shù)據(jù)，從而達到數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)哪康?。為了實現(xiàn)上迷目的，本實用新型構(gòu)造了一種總線式智能電機，包括集成為 一體的電機、伺服驅(qū)動器、編碼器以及散熱器。電機包括殼體、轉(zhuǎn)子、定子、 輸出軸。伺服驅(qū)動器包括功率單元、電源單元以及控制及PLC電路單元。其中， 控制及PLC電路單元包括1、用于完成基本伺服控制功能的第一總線協(xié)議解析 模塊、伺服驅(qū)動控制模塊、功率驅(qū)動模塊、位置數(shù)據(jù)反饋模塊；2、第二總線協(xié) 議解析模塊和PLC接口模塊，第二總線協(xié)議解析模塊通過數(shù)據(jù)寄存器與PLC接 口模塊之間交互數(shù)據(jù)；以及3、 一個編碼器(增量式和絕對值式)/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)寄存器與伺服 驅(qū)動控制才莫塊之間交互數(shù)據(jù)；上位機還通過第一個總線協(xié)議解析才莫塊訪問數(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)。上述兩個總線協(xié) 議解析模塊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)；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)置一個接收數(shù) 據(jù)的物理層接口、 一個發(fā)送數(shù)據(jù)的物理層接口； PLC接口模塊用于完成PLC 控制的輸入、輸出。本實用新型總線式智能電機特點還在于，物理層接口選用以太網(wǎng)物理層接 口，傳輸介質(zhì)選用超5類雙絞線。這使其數(shù)據(jù)傳輸速率達到100Mbps。本實用新型總線式智能電機特點還在于，構(gòu)成伺服驅(qū)動器的功率單元、電 源單元以及控制及PLC電路單元分別設(shè)置于獨立的集成電路板上。其中，電源率單元電路板在相對電機的反向端部設(shè)置，并且功率單元電路板后端設(shè)置散熱 片及風機。本實用新型總線式智能電機特點還在于，第一總線協(xié)議解析;溪塊、第二總 線協(xié)議解析模塊、PLC接口模塊、編碼器/光柵尺處理模塊由片上集成系統(tǒng)FPGA 實現(xiàn)。而伺服驅(qū)動控制器模塊由DSP或FPGA實現(xiàn)。此外，PLC接口模塊包括 24輸入、16輸出的PLC I/O接口 。通過上述技術(shù)方案，本實用新型總線式智能電機基于總線式傳輸方式，將 伺服驅(qū)動器與電機結(jié)合為一體。本實用新型總線式智能電機采用PLC、祠服驅(qū) 動器、伺服電機一體化設(shè)計，是一種全新的設(shè)計理念，可以有效的提高系統(tǒng)的 可靠性，減小系統(tǒng)體積，降低生產(chǎn)成本，降低設(shè)計安裝的復(fù)雜度。在本實用新 型總線式智能電機中，祠服驅(qū)動器單元由于實現(xiàn)了 PLC (24IN/160UT)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。并且將伺服驅(qū)動器單元與 伺服電機集成為一體，選用以太網(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。大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率?；睿浑娫茨K采用直流母線供電，進一步減小體積，從而縮少安裝空間、提高 安裝效率并大大減少了系統(tǒng)的連線，抗干擾性得到極大提高，并因此達到節(jié)約 ^更件成本的目的。


圖1是本實用新型總線式智能電^L的機械結(jié)構(gòu)原理示意圖； 圖2是本實用新型電機中實現(xiàn)伺服驅(qū)動器功能單元的電路原理圖； 圖3是本實用新型電機中實現(xiàn)伺服驅(qū)動器功能單元的功能模塊圖； 圖4是實現(xiàn)本實用新型電機中伺服驅(qū)動器功能單元一種具體實施例其電路 原理模塊示意圖。
具體實施方式
本實用新型中的智能電機采用模塊化、集成化設(shè)計，內(nèi)部集成了伺服驅(qū)動 器，PLC,伺跟電機3種結(jié)構(gòu)，各個伺服驅(qū)動器/電機模塊之間共用一個直流母 線供電，能夠有效的縮小該設(shè)備的體積，提高效率。如圖l所示，本實用新型總線式智能電機，包括集成為一體的電機2、伺服 驅(qū)動器l、編碼器以及散熱器。其中電機單元2包括殼體、轉(zhuǎn)子、定子和輸出軸 (均未示出)。圖1中，伺服驅(qū)動器的電路部分包括功率單元、電源單元以及控制及PLC 電路單元，這三部分分別設(shè)置于獨立的集成電路板上。其中，控制及PLC電路單元主要完成總線通信、伺服驅(qū)動控制和PLC電路控制；功率單元接收來自控 制模塊的伺服驅(qū)動信息并將直流母線傳輸過來的直流電轉(zhuǎn)化為功率輸出控制伺 服電機，同時反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)到控制模塊。功率單元可以根據(jù)電機功率的不同 進行更換；編碼器負責反饋當前電機的速度數(shù)據(jù)；電源單元負責為整個電路系 統(tǒng)提供合適的電源。如圖所示，設(shè)置電源單元和控制及PLC電路單元的電路板 分別固定于電機單元2后方殼體的兩側(cè)，而功率模塊電路板在相對電機2的反 向端部設(shè)置，功率單元電路板后端設(shè)置散熱片及風機。如圖2所示獨立的伺服驅(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。為了實現(xiàn)驅(qū)動器功能，如圖3所示，上述控制及PLC電路單元包括兩個總 線協(xié)議解析模塊和一個物理層控制模塊?？偩€協(xié)議解析模塊的功能用于通過物 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)議解析模塊，結(jié)合伺服驅(qū)動控 制其功能、功率驅(qū)動模塊、位置數(shù)據(jù)反饋模塊(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)議解析模塊與PLC 1/0模塊實現(xiàn)PLC的輸入輸出功 能。而兩個總線協(xié)議模塊以及PLC I/O模塊都有一個片上集成系統(tǒng)FPGA實現(xiàn) (如圖4)。優(yōu)選方式下，伺服驅(qū)動控制模塊由DSP實現(xiàn)，也可利用FPGA實現(xiàn)。圖4 中，伺服驅(qū)動控制才莫塊具體說就是由內(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)，可以采用最新的工作于150MHz、流水線指令操作具有 32位字長的電機控制專用定點DSP芯片，運算功能強大，位置環(huán)的部分運算可 以在伺服系統(tǒng)中實現(xiàn)。而且該模塊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 控制模塊之間交互數(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模 塊都用一片現(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。本實用新型的總線式智能電機可用于本申請人于2007年1月15日提交的 中國專利申請200710010062.0 "—種總線式數(shù)控系統(tǒng)及其控制方法"，其中，主 設(shè)備和從設(shè)備之間采用超5類雙絞線相連，釆用工業(yè)以太網(wǎng)物理層做物理層協(xié) 議傳輸，傳輸速率可達100Mbps。該申請200710010062.0通過引用結(jié)合與本文。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)，4艮據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(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、一種總線式智能電機，包括集成為一體的電機(2)、伺服驅(qū)動器(1)、編碼器以及散熱器；所述電機(2)包括殼體、轉(zhuǎn)子、定子、輸出軸；其特征在于， 所述伺服驅(qū)動器包括功率單元、電源單元以及控制及PLC電路單元；其中，所述控制及PLC電路單元包括用于完成基本伺服控制功能的第一總線協(xié)議解析模塊、伺服驅(qū)動控制模塊、功率驅(qū)動模塊、位置數(shù)據(jù)反饋模塊；第二總線協(xié)議解析模塊和PLC接口模塊，第二總線協(xié)議解析模塊通過數(shù)據(jù)寄存器與所述PLC接口模塊之間交互數(shù)據(jù)；以及一個編碼器/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)動控制模塊之間交互數(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)；上述兩個總線協(xié)議解析模塊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)置一個接收數(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接口模塊用于完成PLC控制的輸入、輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的總線式智能電機，其特征在于，所述物理層接口 選用以太網(wǎng)物理層接口，傳輸介質(zhì)選用超5類雙絞線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的總線式智能電機，其特征在于，構(gòu)成所述伺服驅(qū) 動器的所述功率單元、所述電源單元以及所述控制及PLC電路單元分別設(shè)置于 獨立的集成電路板，所述電源單元以及所述控制及PLC電路單元的電路板分別固定于所述電機(2)后方殼體的兩側(cè)；所述功率單元電路板在相對所述電機(2) 的反向端部設(shè)置，所述功率單元電路板后端設(shè)置散熱片及風機。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的總線式智能電機，其特征在于，所述第 一總線協(xié)議解析模塊、第二總線協(xié)議解析模塊、所述PLC接口模塊、所述編碼 器/光柵尺處理模塊由片上集成系統(tǒng)FPGA實現(xiàn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的總線式智能電機，其特征在于，所述伺 服驅(qū)動控制器模塊由DSP或FPGA實現(xiàn)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的總線式智能電機，其特征在于，所述PLC 接口模塊包括24輸入、16輸出的PLC I/O接口 。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的總線式智能電機，其特征在于，所述編 碼器為增量式和絕對值式編碼器。
專利摘要本實用新型公開了一種總線式智能電機，包括集成為一體的電機、伺服驅(qū)動器、編碼器以及散熱器。伺服驅(qū)動器包括功率單元、電源單元以及控制及PLC電路單元。其中，控制及PLC電路單元包括用于完成基本伺服控制功能的第一總線協(xié)議解析模塊、伺服驅(qū)動控制模塊、功率驅(qū)動模塊、位置數(shù)據(jù)反饋模塊；第二總線協(xié)議解析模塊和PLC接口模塊；以及一個編碼器(增量式和絕對值式)/光柵尺處理模塊。兩個總線協(xié)議解析模塊均通過一個物理層控制模塊與上位機交互信息。本實用新型的電機基于總線式傳輸方式，將伺服驅(qū)動器與電機結(jié)合為一體。并采用PLC、伺服驅(qū)動器、伺服電機一體化設(shè)計，可以有效的提高系統(tǒng)的可靠性，減小系統(tǒng)體積，降低生產(chǎn)成本，降低設(shè)計安裝的復(fù)雜度。
文檔編號G05B19/418GK201118372SQ20072001574
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者于德海, 任志輝, 吉 馮, 馮兆冰, 包義雙, 超 吳, 張文峰, 張贊秋, 李文慶, 王慶鵬 申請人:大連光洋科技工程有限公司