多軸多用途運動控制卡的製作方法

2023-06-22 23:36:41 1

專利名稱：多軸多用途運動控制卡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及數控技術領域，尤其涉及帶反饋環路的運動控制器的技術改進與創新。
背景技術：
當前，數控技術中運動控制技術方興未艾，運動控制器以其特有的靈活性和優秀的運動軌跡控制能力使許多工業生產設備煥發出勃勃生機，可以說只要有電機應用的場合就離不開運動控制器。但目前的運動控制器，雖然可以作到一卡同時控制四個電機的運動軌跡，但卻要求所有的電機或為交/直流電機、或為步進電機，即或者是閉環/半閉環控制模式、或者是開環控制模式，不能作到一卡通用閉、開環兩種控制模式即開環控制系統用於步進電機，不帶反饋；而閉環反饋控制系統用於交/直流電機。由於上述不同，因此，①傳統的運動控制器需要分別設計不同的軟體、硬體，從而使開發周期增長、開發成本增加，提高了用戶掌握和使用運動控制器的難度；②在步進電機的開環運動控制器中，常採用一些專用的中大規模集成電路如8253、8254等控制脈衝輸出頻率和脈衝輸出數以實現步進電機的速度和位置定位，但往往存在脈衝不夠均勻或脈衝數不準確、微處理器所需周邊器件較多以致影響整個系統的穩定性和可靠性；③開環系統中不能採用伺服濾波器來提高系統性能。

發明內容
本實用新型所要解決的技術問題，是要提供一種可對交、直流及步進電機都能作精確位置和速度控制、集成度高、製造使用方便的多軸多用途運動控制卡。
為此，本實用新型的技術方案是一種多軸多用途運動控制卡，是由微處理器，通過總線接口與有關單元電路如下連接形成的反饋環路即總線接口→信號控制單元電路→電機驅動器→電機→光電跟蹤器→運動反饋單元電路→總線接口，其特徵在於所述的運動反饋單元電路，是由位置反饋處理電路與信號控制單元電路的反饋旁路通過選擇開關與位置計數器相連接而構成，即所述位置反饋處理電路的輸入端連接交/直流電機的光電跟蹤器的輸出電路並接收位置方波信號，輸出端連接選擇開關的受選端並輸出轉換脈衝信號；所述信號控制單元電路的反饋旁路連接選擇開關的另一受選端並直接輸出電機控制脈衝信號；所述位置計數器的輸入端連接選擇開關主選端並接收脈衝信號，通過輸出端輸出計數信號。
所述的總線接口包括數據選擇電路、地址解碼器，其中數據選擇電路入口接各個位置計數器的輸出端，出口接微處理器的數據總線；地址解碼器入口接微處理器的地址及控制總線，出口接各個信號控制單元電路的選通端及數據選擇電路的受控口。
所述的信號控制單元電路是脈衝信號發生器，其輸入端連接微處理器的數據總線並接收伺服信號，其選通端連接總線接口的地址解碼器出口並接收選址信號，其輸出端連接所述反饋旁路且連接電機驅動器並輸出電機控制脈衝信號。
所述的信號控制單元電路、運動反饋單元電路、總線接口的數據選擇電路、地址解碼器均是由可編程邏輯電路組合而成；其中，每路信號控制單元電路及運動反饋單元電路各連接一臺電機，所述的各個選擇開關還與一外部選擇開關相連接。
所述的信號控制單元電路、運動反饋單元電路、總線接口的數據選擇電路、地址解碼器是在兩片型號為ispLSI3256的系統內可編程大規模邏輯電路晶片(ISP)內部燒結固化而成，其中，所述外部選擇開關及總線接口的數據選擇電路、地址解碼器均連接四路信號控制單元電路及運動反饋單元電路。
所述的微處理器，是一片型號為TMS320的數位訊號處理器晶片(DSP)，包括四個功能模塊其中參數存儲塊、軌跡規劃塊、伺服控制塊循序連接形成環路，並分別與中斷管理塊連接構成。
所述的多軸多用途運動控制卡包括信號控制單元電路、運動反饋單元電路、總線接口、微處理器等組件均集中安裝在半長卡(122mm×185mm)電路板上。
由於採用了上述改進，本實用新型具有如下優點由於從信號控制單元電路中分流一支反饋旁路連接到位置計數器輸入端，來自電機驅動器接頭的控制脈衝通過內部反饋，與來自交/直流電機的光電跟蹤器的方波信號一樣，均可進入反饋閉環系統，使廠家無須針對開環與閉環控制分別設計軟、硬體，而可按照統一的閉環控制系統設計軟、硬體，從而縮短了開發周期、降低了開發成本；上述在開環系統引入內部位置反饋的電路結構，使用戶可以根據需要，通過外部選擇開關的切換實現同一控制器通用於閉環控制和傳統的開環控制兩種情況，可以控制多種伺服電機，擴展了運動控制器的功能，且方便用戶掌握和使用運動控制器；可以統一採用閉環伺服濾波和控制電路，省去了開環控制中的一些繁雜多餘的集成電路和周邊器件，且提高了系統的控制性能，伺服控制周期可達0.05ms/軸，信號輸出周期誤差僅0.1us，最大輸出脈衝頻率可達1MHz；可在系統編程，開放性、互換性、可移植性和擴展性強可通過在PC機上經簡單編程而實現運動控制，不一定需要專門的數控軟體，還可從軟體上進行完善的軌跡插補，能方便地建立高層應用程式對機器人、工具機等設備的控制連接，實現高性能暨小型化；運動控制器硬體採用DSP、ISP相結合的具體方案，具有外圍器件少、硬體結構簡單、系統集成度和柔性度高、具有多種規劃模式(T型、S曲線、單速、電齒、直輸等模式)配合PID+前饋伺服算法等優點，可在半長卡(122mm×185mm)電路板上集成三類(交/直流、步進)四臺或更多電機的運動控制電路，且電機的類型可任意組合採用；以上述結構為基礎，根據不同需要，也可以將本實用新型的多軸多用途運動控制卡連接構成ISA或PCI總線式、並口式、串行網絡式運動控制器。


以下結合附圖對本實用新型作出說明圖1為本實用新型實施例的電路原理框圖。
圖2為本實用新型實施例的兩片ISP晶片的內部電路接線圖。
圖3為本實用新型實施例的微處理器DSP晶片的功能模塊框圖。
具體實施方式
如圖1所示一種多軸多用途運動控制卡，是由微處理器μ，通過總線接口2與有關單元電路如下連接形成的反饋環路即總線接口2→信號控制單元電路3→電機驅動器5→電機6→光電跟蹤器7→運動反饋單元電路4→總線接口2，其特徵在於所述的運動反饋單元電路4，是由位置反饋處理電路4-1與信號控制單元電路3的反饋旁路3-1通過選擇開關4-2與位置計數器4-3相連接而構成，即所述位置反饋處理電路4-1的輸入端連接交/直流電機的光電跟蹤器7的輸出電路並接收位置方波信號，輸出端連接選擇開關4-2的受選端並輸出轉換脈衝信號；所述信號控制單元電路3的反饋旁路3-1連接選擇開關4-2的另一受選端並直接輸出電機控制脈衝信號；所述位置計數器4-3的輸入端連接選擇開關4-2的主選端並接收脈衝信號，通過輸出端輸出計數信號。
所述的總線接口包括數據選擇電路2-1、地址解碼器2-2，其中數據選擇電路2-1入口接各個位置計數器4-3的輸出端，出口接微處理器1的數據總線DD；地址解碼器2-2入口接微處理器1的地址總線DA及控制總線DC，地址解碼器2-2出口接各個信號控制單元電路3的選通端及數據選擇電路2-1的受控口。
所述的信號控制單元電路3是脈衝信號發生器，其輸入端連接微處理器1的數據總線DD並接收伺服信號，其選通端接總線接口2的地址解碼器2-2的出口並接收選址信號，其輸出端連接所述反饋旁路3-1且連接電機驅動器5並輸出電機控制脈衝信號。
所述的信號控制單元電路3、運動反饋單元電路4、總線接口2的數據選擇電路2-1、地址解碼器2-2均是由可編程邏輯電路組合而成；其中，每臺電機6各連接一路信號控制單元電路3及運動反饋單元電路4，所述的各個選擇開關4-2還與一外部選擇開關8相連接。
所述的微處理器1，包括四個功能模塊其中參數存儲塊1-1、軌跡規劃塊1-2、伺服控制塊1-3循序連接形成環路，再分別與中斷管理塊1-4連接構成；所述的多軸多用途運動控制卡包括信號控制單元電路3、運動反饋單元電路4、總線接口2、微處理器1等組件均集中安裝在半長卡(122mm×185mm)電路板上。
如圖2所示所述的脈衝信號發生器3、運動反饋單元電路4、總線接口2的數據選擇電路2-1、地址解碼器2-2是在兩片型號為ispLSI3256的系統內可編程大規模邏輯電路晶片(ISP)內部燒結固化而成，其中，所述外部選擇開關8通過1、3、5、7腳分別連接四個選擇開關4-2的SO腳(圖中僅畫出其中一個選擇開關)，以實施一個外部開關7控制切換四個選擇開關4-2；總線接口2的數據選擇電路2-1通過A、B、C、D腳分別連接四個位置計數器4-3的D腳(圖中僅畫出其中一個位置計數器)，以同時處理四路位置計數信號；地址解碼器2-2通過PULSE1、2、3、4腳分別連接四路脈衝信號發生器3的WR腳以傳輸選址信號(圖中僅畫出其中一路脈衝信號發生器)、通過COUNTER1、2、3、4、腳連接數據選擇電路2-1的S0、S1、S2、S3腳以傳輸控制信號。
所述的運動反饋單元電路4，是由位置反饋處理電路4-1及脈衝信號發生器3的反饋旁路3-1分別與選擇開關4-2相連接，而選擇開關4-2再與位置計數器4-3連接構成，其中所述位置反饋處理電路4-1的輸入端A、B、Z腳連接交/直流電機6的光電跟蹤器7的輸出電路A1、B1、Z1腳，並接收位置方波信號，輸出端PULSE、UP/DN腳連接選擇開關4-2的受選端BO、B1腳並輸出轉換脈衝信號(四臺電機連接四個光電跟蹤器7及四個位置反饋處理電路4-1，圖中均各畫出其中之一路)；所述脈衝信號發生器3的反饋旁路3-1的PULSE、DIR腳連接選擇開關4-2的另一受選端AO、A1腳並直接輸出電機控制脈衝信號；所述位置計數器4-3的輸入端UP/DN、PULSE腳連接選擇開關4-2主選端ZO、Z1腳並接收脈衝信號，通過輸出端D腳輸出計數信號。
所述的總線接口2包括數據選擇電路2-1、地址解碼器2-2，其中數據選擇電路2-1入口A、B、C、D接四個位置計數器4-3的輸出端D，出口DD接微處理器1的數據總線DD；地址解碼器2-2入口DA及RD、WR腳接微處理器1的地址總線DA及控制總線DC。
所述的脈衝信號發生器3，其輸入端DD腳連接微處理器1的數據總線DD並接收伺服信號，其選通端WR腳接總線接口2的地址解碼器2-2的出口並接收選址信號；其輸出端PULSE、DIR腳連接所述反饋旁路3-1，且通過接頭J1、J2連接電機驅動器5(共四個電機驅動器5，圖中僅畫出其中之一)並輸出電機控制脈衝信號。
如圖3所示所述的微處理器1，是一片型號為TMS320的數位訊號處理器(DSP)晶片，包括四個功能模塊其中參數存儲塊1-1、軌跡規劃塊1-2、伺服控制塊1-3循序連接形成環路，再分別與中斷管理塊1-4連接構成；其數據總線DD、地址總線DA、與控制總線DC分別與總線接口2的地址解碼器2-2及數據選擇電路2-1對應連接(參圖2)。
現結合上述附圖進一步說明本實用新型的工作過程在所述的半長卡電路板的四路電機驅動器的接頭JI、J2…J8上，分別接通四臺交、直流或步進電機6，並按照各路上實際所接的電機類型設定外部選擇開關8為閉環或內部閉環(對應步進電機)的位置，啟動電源後，微處理器1即按照事先設定的軌跡規劃和伺服控制模式，通過總線接口2分別從四路運動反饋單元電路4拾取反饋信號、並分別向各路信號控制單元電路3發出控制命令，以實現一卡同時對三類(交/直流、步進)四臺電機作精確、高效的運動控制。
權利要求1.一種多軸多用途運動控制卡，是由微處理器，通過總線接口與有關單元電路如下連接形成的反饋環路即總線接口→信號控制單元電路→電機驅動器→電機→光電跟蹤器→運動反饋單元電路→總線接口，其特徵在於所述的運動反饋單元電路，是由位置反饋處理電路與信號控制單元電路的反饋旁路通過選擇開關與位置計數器相連接而構成，即所述位置反饋處理電路的輸入端連接交/直流電機的光電跟蹤器的輸出電路並接收位置方波信號，輸出端連接選擇開關的受選端並輸出轉換脈衝信號；所述信號控制單元電路的反饋旁路連接選擇開關的另一受選端並直接輸出電機控制脈衝信號；所述位置計數器的輸入端連接選擇開關主選端並接收脈衝信號，通過輸出端輸出計數信號。
2.如權利要求1所述的多軸多用途運動控制卡，其特徵在於所述的總線接口包括數據選擇電路、地址解碼器，其中數據選擇電路入口接各個位置計數器的輸出端，出口接微處理器的數據總線；地址解碼器入口接微處理器的地址及控制總線，出口接各個信號控制單元電路的選通端及數據選擇電路的受控口。
3.如權利要求1或2所述的多軸多用途運動控制卡，其特徵在於所述的信號控制單元電路是脈衝信號發生器，其輸入端連接微處理器的數據總線並接收伺服信號，其選通端連接總線接口的地址解碼器出口並接收選址信號，其輸出端連接所述反饋旁路且連接電機驅動器並輸出電機控制脈衝信號。
4.如權利要求3所述的多軸多用途運動控制卡，其特徵在於所述的信號控制單元電路、運動反饋單元電路、總線接口的數據選擇電路、地址解碼器均是由可編程邏輯電路組合而成；其中，每路信號控制單元電路及運動反饋單元電路各連接一臺電機，所述的各個選擇開關還與一外部選擇開關相連接。
5.如權利要求4所述的多軸多用途運動控制卡，其特徵在於所述的信號控制單元電路、運動反饋單元電路、總線接口的數據選擇電路、地址解碼器是在兩片型號為ispLSI3256的系統內可編程大規模邏輯電路晶片(ISP)內部燒結固化而成，其中，所述外部選擇開關及總線接口的數據選擇電路、地址解碼器均連接四路信號控制單元電路及運動反饋單元電路。
6.如權利要求5所述的多軸多用途運動控制卡，其特徵在於所述的微處理器，是一片型號為TMS320的數位訊號處理器晶片(DSP)，包括四個功能模塊其中參數存儲塊、軌跡規劃塊、伺服控制塊循序連接形成環路，並分別與中斷管理塊連接構成。
7.如權利要求6所述的多軸多用途運動控制卡，其特徵在於所述的多軸多用途運動控制卡包括信號控制單元電路、運動反饋單元電路、總線接口、微處理器等組件均集中安裝在半長卡(122mm×185mm)電路板上。
專利摘要一種多軸多用途運動控制卡,是由微處理器,通過總線接口與有關單元電路連接形成的反饋環路,其特徵為:運動反饋單元電路是由位置反饋處理電路與信號控制單元電路的反饋旁路通過選擇開關與位置計數器相連接而構成;信號控制單元電路是脈衝信號發生器,其輸入端連接微處理器的數據總線,其選通端連接總線接口的地址解碼器出口,其輸出端除帶有反饋旁路且連接電機驅動器;所述電路是在兩片ispLSI3256的系統內可編程大規模邏輯電路晶片(ISP)內燒結固化而成,微處理器是一片TMS320的數位訊號處理器晶片(DSP),本實用新型的多軸多用途運動控制卡組件安裝在半長卡電路板上,可對交、直流及步進電機都能作精確位置和速度控制、集成度高、製造使用方便。
文檔編號G05D3/00GK2508271SQ0125745
公開日2002年8月28日 申請日期2001年12月3日 優先權日2001年12月3日
發明者龍佑喜, 範大鵬, 劉政華, 何漢輝, 龐新良 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學