本發(fā)明涉及直流電機驅(qū)動器領(lǐng)域，特別是涉及三軸直流電機伺服驅(qū)動器。

背景技術(shù)：

伺服控制元件與線路是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞無疑在很大程度上影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和精度，決定整個系統(tǒng)的工作。在設(shè)計系統(tǒng)的時候，要根據(jù)構(gòu)成什么樣的系統(tǒng)才能實現(xiàn)給定的控制目的來選擇伺服控制元件和線路。隨著機械電子技術(shù)的發(fā)展，各種伺服控制元件和線路發(fā)生了巨大的變革，其總趨勢是向著便于數(shù)字控制的方向發(fā)展。位置測量常采用光電編碼器、感應(yīng)式編碼器，適用于與計算機連接的旋轉(zhuǎn)變壓器（并稱解算器或分解器）、自整角機（同步機），它們的線路趨于大規(guī)模集成化；測速元件在廣泛應(yīng)用直流測速發(fā)電機的基礎(chǔ)上，數(shù)字式測速機有取代直流測速機的趨勢，而且系統(tǒng)中越來越多的采用數(shù)字電路。

電動機的控制是電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中最主要的部分。在當代，電動機廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。由于直流電動機的調(diào)速性能好，運行效率高等優(yōu)點，使其在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中最先得到了應(yīng)用。直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，具有響應(yīng)快速、有較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能等特點。無刷直流電機是在傳統(tǒng)直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以它很好的繼承了其優(yōu)點。而且由于它的無電刷的結(jié)構(gòu)特點，它不會產(chǎn)生火花，安全性能得到了很大的提高。于20 世紀70 年代初期，我國開始了對無刷直流電機的研制，主要集中在科研院所和高等院校。但由于設(shè)備和制造水平的限制，我國無刷直流電機的綜合水平仍處于落后階段。因此對無刷直流電機的進一步研發(fā)是刻不容緩的。

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)在早期的時候一般采用的都是專用的硬件控制設(shè)備。與此同時，為了滿足不同控制對象的需要，我們需要設(shè)計專用的控制芯片和其他的硬件電路。正是因為這種封閉式的結(jié)構(gòu)，使電機驅(qū)動控制系統(tǒng)易用性、可靠性、可擴展性很差，同時開發(fā)成本很高，開發(fā)周期長，體積大，升級困難。

隨著當代科學技術(shù)的不斷進步，傳統(tǒng)的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需要和要求。在當代，人們希望電機驅(qū)動控制系統(tǒng)可以在很大程度上的減少系統(tǒng)維護費用，并且能夠根據(jù)不用的應(yīng)用需要，高效地構(gòu)建出面向客戶的控制系統(tǒng)，改變早期封閉式的設(shè)計理念，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便有效。應(yīng)這一要求，當代的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)正向著實用性、易用性、開放性的方向發(fā)展。

直流電動機的調(diào)速性能好，運行效率高等優(yōu)點，使其在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中最先得到了應(yīng)用。直流電動機是依靠直流工作電壓運行的電動機，具有響應(yīng)快速、有較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能等特點。近年來，數(shù)字控制系統(tǒng)對直流電機系統(tǒng)的性能的要求愈來愈高，對使用條件的要求愈來愈高，對直流電機驅(qū)動器的要求也愈來愈高。這就需要不斷的研制出性能高、可靠性高、集成化高、價位較低的直流電機伺服驅(qū)動器，來滿足日益增長的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種性能高、可靠性高、集成化高、價位較低的三軸直流電機伺服驅(qū)動器。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

三軸直流電機伺服驅(qū)動器，由外部控制信號輸入模塊、邏輯控制模塊、電源電路模塊、電機狀態(tài)指示模塊、控制信號光耦隔離模塊、輸出信號反饋模塊、電機驅(qū)動模塊構(gòu)成；所述外部控制信號輸入模塊連接控制信號光耦隔離模塊，通過控制信號光耦隔離模塊連接邏輯控制模塊，邏輯控制模塊連接控制電源電路模塊、電機狀態(tài)指示模塊、控制信號光耦隔離模塊；控制信號光耦隔離模塊連接輸出信號反饋模塊、電機驅(qū)動模塊。

所述外部控制信號輸入模塊由外部速度/轉(zhuǎn)角控制信號輸入模塊、外部啟停模塊、轉(zhuǎn)向控制信號輸入模塊構(gòu)成。

控制信號光耦隔離模塊包括前控制信號光耦隔離模塊、后控制信號光耦隔離模塊，前控制信號光耦隔離模塊連接外部控制信號輸入模塊，外部控制信號輸入模塊通過前控制信號光耦隔離模塊連接邏輯控制模塊；后控制信號光耦隔離模塊連接邏輯控制模塊，邏輯控制模塊通過后控制信號光耦隔離模塊連接輸出信號反饋模塊、電機驅(qū)動模塊。

所述電源電路模塊中，采用ZUS62405將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓；采用MEW1021將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓；采用ZUS32412將24V轉(zhuǎn)變?yōu)?2V電壓；選用SPX29150T-L-1-8將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V；選用SPX1587AT-L-3-3將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓。

所述邏輯控制模塊采用是XC2C384-10TQG144C芯片。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的三軸直流電機伺服驅(qū)動器，性能高、可靠性高、集成化高、價位較低，在使用時，輸入轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)角信號，PID控制器由CPLD編程實現(xiàn)，將傳感器加在電機上，測出轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角輸出信號，并反饋到輸入端，與給定輸入比較，由誤差信號E調(diào)整電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角大小。誤差很大時不需要細分，誤差小時需要細分，細分數(shù)由誤差大小決定（一定誤差對應(yīng)一定的細分數(shù)）。當輸入為轉(zhuǎn)速信號時，系統(tǒng)輸出跟隨給定輸入，最終按給定所要求的轉(zhuǎn)速運行。若要讓電機停止，則需要加外部啟停信號EN使電機停止。當輸入為轉(zhuǎn)角信號時，通過計傳感器輸入的脈沖個數(shù)以及其對應(yīng)的角度，用程序使電機停止，而不需要加外部啟停信號。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是XC2C384-10TQG144C芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖3是CPLD邏輯控制模塊原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1

如圖1所示，三軸直流電機伺服驅(qū)動器，由外部控制信號輸入模塊、邏輯控制模塊、電源電路模塊、電機狀態(tài)指示模塊、控制信號光耦隔離模塊、輸出信號反饋模塊、電機驅(qū)動模塊構(gòu)成；所述外部控制信號輸入模塊連接控制信號光耦隔離模塊，通過控制信號光耦隔離模塊連接邏輯控制模塊，邏輯控制模塊連接控制電源電路模塊、電機狀態(tài)指示模塊、控制信號光耦隔離模塊；控制信號光耦隔離模塊連接輸出信號反饋模塊、電機驅(qū)動模塊。

所述外部控制信號輸入模塊由外部速度/轉(zhuǎn)角控制信號輸入模塊、外部啟停模塊、轉(zhuǎn)向控制信號輸入模塊構(gòu)成。

控制信號光耦隔離模塊包括前控制信號光耦隔離模塊、后控制信號光耦隔離模塊，前控制信號光耦隔離模塊連接外部控制信號輸入模塊，外部控制信號輸入模塊通過前控制信號光耦隔離模塊連接邏輯控制模塊；后控制信號光耦隔離模塊連接邏輯控制模塊，邏輯控制模塊通過后控制信號光耦隔離模塊連接輸出信號反饋模塊、電機驅(qū)動模塊。

所述電源電路模塊中，采用ZUS62405將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓；采用MEW1021將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓；采用ZUS32412將24V轉(zhuǎn)變?yōu)?2V電壓；選用SPX29150T-L-1-8將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V；選用SPX1587AT-L-3-3將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓。

所述邏輯控制模塊采用是XC2C384-10TQG144C芯片。

實施例2

如圖2、圖3所示， XC2C384-10TQG144C是優(yōu)化1.8V系統(tǒng)的芯片，它是業(yè)內(nèi)最快的低功耗產(chǎn)品，具有32個到512個單元密度。XC2C384-10TQG144C芯片還是業(yè)內(nèi)最佳的0.18微米芯片，可以對優(yōu)化的架構(gòu)進行有效的邏輯綜合，并且是多電壓I/O操作，工作電壓為1.5V至3.3V。XC2C384-10TQG144C具有先進的系統(tǒng)功能。首先，最快的在系統(tǒng)編程，即在1.8V ISP使用IEEE 1532（JTAG）接口；然后可在即時重新配置（OTF）；XC2C384-10TQG144C可IEEE1149.1 JTAG邊界掃描測試，具有可選的施密特觸發(fā)器輸入（每針）；XC2C384-10TQG144C在所有設(shè)備上的多個I/O組，具有無與倫比的低功耗電源管理，可以實現(xiàn)外部的DataGate信號控制；XC2C384-10TQG144C具有靈活的時鐘模式，即可選雙邊沿觸發(fā)寄存器，具有時鐘分頻器和CoolCLOCK；XC2C384-10TQG144C具有宏蜂窩控制全局信號選項，每相可選擇多個全局時鐘，具有多個全局輸出使和全方位置位/復(fù)位；XC2C384-10TQG144C具有豐富的產(chǎn)品長期時鐘，輸出使能和設(shè)置/復(fù)位每個宏單元和共享跨越功能塊；XC2C384-10TQG144C具有先進的設(shè)計安全性，漏極開路用于線或與LED驅(qū)動輸出選項；XC2C384-10TQG144C混合I / O電壓1.5V，1.8V，2.5V，3.3V和邏輯電平上的所有部件兼容；XC2C384-10TQG144C具有SSTL2_1，SSTL3_1和HSTL_1128宏蜂窩和更密集的設(shè)備，可熱插拔；XC2C384具有PLA架構(gòu)，可高級引出線保留，并且100 ％跨功能塊乘積項可路由；XC2C384采用業(yè)界領(lǐng)先的非易失0.18微米CMOS工藝，可保證1000編程/擦除周期并且保證20年數(shù)據(jù)保留。CPLD邏輯控制模塊原理圖如圖3所示，XC2C384具有速度快，低功耗的特點，其底層架構(gòu)由傳統(tǒng)的宏功能塊（FB）互連的路由矩陣和賽靈思高級互連矩陣（AIM）相結(jié)合構(gòu)成的。該功能化模塊使用可編程邏輯陣列，它允許所有乘積項進行路由和眾功能塊之間的共享。當CoolRunner-II軟件部分設(shè)計完成后芯片可以很高效的與外部設(shè)備進行連接應(yīng)用，可以快速的應(yīng)用到系統(tǒng)中，使利用設(shè)備資源的比例非常高。芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓使用者可以根據(jù)自身需要，設(shè)計芯片程序部分，達到使用者的預(yù)期目標，使芯片的應(yīng)用范圍更加廣泛。其中先進的互連矩陣（ AIM ）是高級互連矩陣，是一個高度連接的低功耗快速轉(zhuǎn)換矩陣。AIM具有很多作用，其中最為人們熟悉的是它的最大限度地減少傳輸延遲的功用。

實施例4

外部控制信號輸入模塊：

轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角控制信號輸入

輸入V/F變換電路采用ADI公司的AD654。它是8腳封裝的電壓—頻率變換(VFC)式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它由輸入放大器、精密振蕩器系統(tǒng)和輸出驅(qū)動級組成。AD654在信號調(diào)制電路中，把輸入的信號Vin轉(zhuǎn)換為頻率與幅值對應(yīng)的調(diào)頻信號，它是一種輸出頻率與輸入信號成正比的電路。

輸入邏輯控制模塊的速度、轉(zhuǎn)角控制信號為頻率信號。這一頻率信號是由外部輸入的電流信號經(jīng)過設(shè)定電路轉(zhuǎn)換為電壓信號后，再經(jīng)過AD654芯片轉(zhuǎn)換而來的。這一頻率信號在輸入邏輯控制模塊之前經(jīng)過了一步光耦隔離，這樣做主要的目的是為了對電路起到一個保護作用。

輸入AD654的電壓信號并不是直接由外部輸入的，而是由外部輸入的電流信號經(jīng)過設(shè)定電路產(chǎn)生的。這樣做的主要原因是考慮到在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，當控制信號遠距離傳輸?shù)臅r候，電壓信號的抗干擾能力相比電流信號要差很多，如果直接輸入電壓信號，會影響系統(tǒng)的輸出結(jié)果并造成較大的偏差，影響設(shè)計效果。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，考慮這一實際應(yīng)用問題，采用電流信號作為輸入信號。

實施例5

光電隔離：

在本發(fā)明中，采用了很多光電耦合器，在應(yīng)用時主要分為兩大部分。第一部分應(yīng)用在外部控制信號輸入模塊和邏輯控制模塊之間；第二部分應(yīng)用在邏輯控制模塊和電機驅(qū)動電路之間。在這兩部分應(yīng)用光電耦合器都是出于同一目的，都是為了對電路起到一個保護作用。本系統(tǒng)中，在控制信號輸入電路、邏輯控制電路與驅(qū)動電路之間，均采用光電隔離電路進行隔離保護，使各電路之間只有光的聯(lián)系，而沒有電氣連接。

在控制信號輸入模塊部分，外部輸入的0mA至20mA的電流信號經(jīng)過AD654芯片轉(zhuǎn)換為了頻率信號。此頻率信號作為輸入信號輸入到了光電耦合器TLP2166A中，輸出的SPEED信號送到芯片中。TLP2166A中帶有施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器與普通的門電路只有一個閾值電壓電壓不同，它具有兩個閾值電壓。這種電路是閾值開關(guān)電路中的一種，可以阻止由于輸入電壓的變化從而引起輸出電壓的改變。當輸入電壓達到一個規(guī)定電壓值的時候輸出電壓發(fā)生突變，從而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，由此我們可以知道施密特觸發(fā)器特別適用于那種要求一定延遲的啟動電路。我們從傳感器得到的矩形脈沖通常在經(jīng)過傳輸后會發(fā)生畸變。傳輸線上的電容比較大時，我們發(fā)現(xiàn)波形的上升沿將明顯的變緩^[6]；因為脈沖信號影響產(chǎn)生噪聲；在遇到上述的幾種現(xiàn)象和問題的時候，我們都可以很好的利用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。

實施例6

電源電路模塊

在本發(fā)明中采用ZUS62405將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓；采用MEW1021將24V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓；采用ZUS32412將24V轉(zhuǎn)變?yōu)?2V電壓；選用SPX29150T-L-1-8將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V；選用SPX1587AT-L-3-3將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓。