CN1458555A

CN1458555A - 一种基于网络的直流电机伺服驱动***

Info

Publication number: CN1458555A
Application number: CN03130639A
Authority: CN
Inventors: 王田苗; 魏洪兴; 黄荣瑛; 张玉茹; 孙恺; 刘敬猛
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2003-11-26
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: CN1198188C

Abstract

本发明公开了一种基于网络的直流电机伺服驱动***，包括控制模块、驱动模块和网络接口模块，三者通过两个40针的插座连接成一体。本发明的伺服驱动***通过RS485和CAN总线接口，建立单个或多个伺服驱动装置与PC机或其它的控制设备连接的网络控制***，由串行网络控制方式实现对多轴机构的驱动与控制。DSP从网络接口获得运动指令和运动参数，通过软件控制程序对电机码盘信号或电机电枢电流的采样数据进行运动伺服计算，产生PWM输出信号，并由PWM信号实现对电机驱动回路的输出控制及对多轴驱动的串行协调控制。本装置适用于机器人、数控机床、生产流水线的驱动及控制。

Description

一种基于网络的直流电机伺服驱动***

技术领域

本发明涉及一种电机驱动装置，特别是指一种基于网络的直流电机伺服驱动***，该***适用于机器人、数控机床、生产流水线等各类需要电机驱动的运动控制。

背景技术

传统的高精度电机运动控制一直是按照控制器和驱动器分离的道路相互独立发展的。传统的电机驱动器最早采用模拟电路控制的方法，随着微电子技术的发展，出现了数字、模拟控制，然后随着DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)技术的发展和大规模应用环境，出现了全数字控制电机驱动器，并且出现了电机控制专用DSP。电机控制专用DSP的出现为全数字电机控制提供广阔的发展空间。电机控制专用DSP内部带有完善的电机控制所需要的各类信号的产生和检测单元，大大减轻了DSP内部的CPU(Center Processor Unit，中央处理单元)的负担。同时随着现场总线技术的发展，RS485、CAN(Controller Area Network设备监测及控制的一种网络)等现场总线得到了广泛的应用。这些技术的发展为网络化的集控制与驱动一体的电机控制设备提供了技术条件。同时，随着机械加工业和机器人、生产流水线的变革，对电机驱动与控制***灵活性要求越来越高，以满足产品和工作流程快速变化的需要。因此，传统的控制和驱动分离的方式由于结构繁锁、连线繁多，已不能适应现代产品发展的需要。

现在的直流电机的驱动有两种情况，一种是应用模拟电路驱动电机，另一种应用单片机技术驱动电机。模拟电路驱动电机由四部分组成：三角波发生电路、脉冲调制电路、PWM产生电路及功能放大电路，单片机驱动技术由单片机驱动与运动控制器组成电机驱动***，整个***也由四部分组成：单片机进行软件编程及控制信号传递，通过I/O接口与控制处理器连接，控制处理模块可产生PWM脉冲控制；光码盘和位置反馈实现电机转角位移测试。这种驱动电路与本申请专利的区别在于控制器与单片机分离，通过I/O接口相连接，使其数据传递的速度慢、而且信息通道少(8位)、无组网功能，存储器与总线扩展困难，不便于实现多轴电机驱动***的联合控制。

发明内容

本发明提供一种控制与驱动为一体的电机伺服驱动***，利用了电机控制专用DSP的丰富硬件性能和计算时间资源，将现场总线融合于其中，实现了单一装置的控制和驱动，适应了现代机器人、数控机床、生产流水线作业的发展需要。是一种集成网络技术、运动轨迹控制和电机驱动控制为一体的电机伺服驱动装置。

本发明是一种基于网络的直流电机伺服驱动***，包括PC机、直流电机与码盘，还包括伺服驱动***、CAN总线接口、RS485接口，所述的伺服驱动***由控制模块、驱动模块和网络接口模块组成，三者通过两个40针的插座连接成一体，在遵守RS485通信协议的基础上，通过CAN总线接口，实现PC机与多轴驱动机构的单线串行通信与串行组网连接。

所述的多轴伺服驱动***通过RS485的组网方式为一主多从，即PC机为主模块，伺服驱动***均为从模块，主从关系不允许改变。

所述的通信接口电路通过电机专用芯片TMS320F240型DSP与通信接口片MAX491及2个9头插座连接构成，DSP共有132端，接口片MAX491共有14端，DSP的43、44、63端分别与IC4的2、5、4端相连，IC4的3、6、7端接地，14端接电源，1、8、13端悬空，11、12端接J1插座的6、7端，IC4的9、10端接J1插座8、9，由此连接在2个插座J1、J2的第4端上分别产生485P与485N连接信号，在串行组网时485P为输入端，与前一个控制板的485N相连，485N为输出端，与后一个控制板的485P相连，485P与485N依次连接实现多轴多电机的串行组网连接。

所述的串行组网的地址自动配置电路：地址自动配置电路由DSP、GAL22V10、SJA1000、PCA82C250器件组成，其中：PC机把组网地址以数据帧的方式发送给DSP，DSP与GAL22V10译码器连接，其后，再与SJA1000连接。DSP的配置地址经控制器SJA1000使能GAL22V10后译码，在SJA1000上产生地址选通信号，选通信号经收发器PCA82C250作电平转换后，发送给CAN总线，在总线插座上就得到控制模块选通的高、低电平。电路接法为：DSP的116、117、118端接译码器GAL22V10的4、3、2端，DSP的35、41、130、1、132、53、40端分别与译码器GAL22V10的5、6、7、8、9、18、15端相连，译码器GAL22V10的13、14端悬空，12端接地，1端接时钟脉冲，24端接电源，在U1芯片10、20、21、22、23端上产生输出信号，并连接在组网控制芯片SJA1000上，GAL22V10的22、23、21、20、10端分别与U2 SJA1000的4、3、5、6、16端相连，U2的23、24、25、26、27、28、1、2端接DSP的D0～D7端上，U2的11、22、18、12端接电源VCC，U2的8、21、15端接地，U2的7、1端悬空，17端接滤波电容C1，U2的9、10端接晶振管Y1，U2的13、19、20端接U3收发器PCA82C250的1、4、5端，U3 PCA82C250的8端经电阻R3接地，6、7端输出端接插座J，3端接电源，2端接地；J插座的1、6、7、12端悬空，2、8端接U3的7端，输出CAN总线的高电位，4、10端接U3的6端，输出CAN总线的低电位。

所述的驱动电路由DSP、2片晶体管IR2104、4片功率MOSFET管IRFP150N构成，DSP产生PWM信号送给IR2104转变为12V的高低电平，通过4片IRFP150N组成的驱动桥电路驱动电机按控制信号转动；光栅码盘与转轴同轴安装，因此，反馈回路由电枢电流反馈与码盘信号反馈电路构成，电流反馈实现电机的电流监测，码盘信号反馈实现电机转角位移的监测，并根据监测信号调整PWM控制信号，实现多轴机构的实时控制，其中2片IR2104组成桥驱动电路，4片分立元件IRFP150N组成H桥电路。

本发明的伺服驱动***可通过RS485与CAN总线接口，能建立单个或至多32个伺服驱动机构与PC机连接。

本发明的一种基于网络的直流电机伺服驱动***，有如下的特点：

1、集控制与驱动于一体，通过电流反馈与码盘信号反馈、能实时调整电机的PWM控制信号，实现多轴***的协调控制。

2、对多轴多机***实行串行通信与串行组网方式，通过数据帧传送数据，帧采用不定长格式，使其宜应用于大***伺服控制。同时，当控制对象庞大时，串行通信的通信连线少，结构简单，减少与省去了为安装与支撑通信连线的机械结构与辅助设备。

3、本发明的控制、驱动、接口三个模块采用三块电路板实现，三块电路板通过两个40针插座连接成一体，其中一个插座用于传输DSP的外部存储器接口信号，有16根数据线、8根数据线及中断、复位、读写等逻辑。另一个插座传输控制驱动板的控制信号，包括PWM、码盘信号、A/D模拟量、数字I/O信号。整个控制***模块化特点突出，易应用与维护，检测方便。

4、通过控制板与接口板电路，把串行组网时上、下模块的连接，即485N-485P的配对连接转变为控制板插座J1与J2的链形连接，使组网简便，通过组网地址自动配置电路与程序，最多可达32个电机的联合组网，其组网能力比现有***大得多。

5、驱动板除驱动与控制功能之外，还具有电源电平转换与电压、电流的保护功能，当出现欠、过电流与电压时，保护电路能自动切断驱动***的全部输出。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图。

图2是本发明的多轴组网结构框图。

图3是本发明的组网通信接口图。

图4是本发明的组网地址配置图。

图5是本发明的驱动单元结构框图。

图6是本发明的DSP芯片接口图。

图7是本发明的组网通信电路图。

图8是本发明的组网通信接口插座连接图。

图9是本发明的译码器接口图。

图10是本发明的组网地址配置电路与连接接口。

图11是本发明的电源电平转换图。

图12是本发明的驱动电路图。

图13是本发明的驱动接口。

图14是本发明的插座连接图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于网络的直流电机伺服驱动***，包括PC机、伺服驱动***、直流电机与码盘。本伺服驱动***主要由控制模块、驱动模块和网络接口模块组成，三个模块通过两个40针的插座连接成一体。在遵守RS485通信协议的基础上，通过CAN总线接口，实现PC机与多轴驱动机构的单线串行通信与串行组网连接。对多轴***的组网方式为一主多从，即只有一个控制模块为主模块，主模块就是连接PC机的控制模块，其余模块均为从模块，主从关系不能随意改变(如图2所示)。本发明的串行组网与通信功能主要通过通信接口电路与串行组网地址自动配置电路实现。驱动模块实现对电机驱动、电流监控与位置监控及运动协调控制。

通信接口电路：通过电机专用芯片TMS320F240型DSP与通信接口片MAX491及2个9头插座连接构成(如图3所示)。DSP共有132端(如图6所示)，接口片MAX491共有14端(如图7所示)，DSP的43、44、63端分别与IC4的2、5、4端相连，IC4的3、6、7端接地，14端接电源，1、8、13端悬空，11、12端接J1插座的6、7端，IC4的9、10端接J1插座8、9，由此连接在2个插座J1、J2的第4端上分别产生485P与485N连接信号。在串行组网时485P为输入端与前一个控制板的485N相连，485N为输出端与后一个控制板的485P相连，485P与485N依次连接实现多轴多电机的串行组网连接(如图4所示)。

串行组网的地址自动配置电路(如图4、9、10所示)：地址自动配置电路由DSP、GAL22V10、SJA1000、PCA82C250器件组成，其中：PC机把组网地址以数据帧的方式发送给DSP(如图4所示)，DSP与GAL22V10译码器连接，其后，再与SJA1000连接。DSP的配置地址经控制器SJA1000使能GAL22V10后译码，在SJA1000上产生地址选通信号，选通信号经收发器PCA82C250作电平转换后，发送给CAN总线，在总线插座上就得到控制模块选通的高、低电平。电路接法如下：

DSP的116、117、118端接译码器GAL22V10的4、3、2端，DSP的35、41、130、1、132、53、40端分别与译码器GAL22V10的5、6、7、8、9、18、15端相连，译码器GAL22V10的13、14端悬空，12端接地，1端接时钟脉冲，24端接电源，在U1芯片10、20、21、22、23端上产生输出信号，并连接在组网控制芯片SJA1000上，GAL22V10的22、23、21、20、10端分别与U2 SJA1000的4、3、5、6、16端相连，U2的23、24、25、26、27、28、1、2端接DSP的D0～D7端上，U2的11、22、18、12端接电源VCC，U2的8、21、15端接地，U2的7、1端悬空，17端接滤波电容C1，U2的9、10端接晶振管Y1，U2的13、19、20端接U3收发器PCA82C250的1、4、5端，U3PCA82C250的8端经R3电阻接地，6、7端输出端接插座J，3端接电源，2端接地。

J插座的1、6、7、12端悬空，2、8端接U3的7端，输出CAN总线的高电位，4、10端接U3的6端，输出CAN总线的低电位。

PC机把组网地址以数据帧的方式发送给DSP，以数据帧为通信的基本单位，为扩展需要，采用不定帧长，长度由帧内特定数据指定。

长度：包括发送方组地址+发送方地址+目标方组地址+目标方地址+指令码+数据块，不得超过0xFF。

组地址：目前定义：主机的固定为0x00，驱动器模块的为0x01-0xFE，0xFE代表所有组的驱动器模块，0xFF代表未分配地址的驱动器。

地址：0x00：主机；0x01-0xFD：驱动器模块；0xFE：组内所有驱动器模块；0xFF：未分配地址的驱动器模块。

指令码：0x00-07F：电机控制指令；0x80-0xFF：网络***操作指令。

数据块：具体含义由指令码解释。

校验码：对从长度到数据块的所有数据的CRC16校验结果，16位。

如图5、12所示，驱动电路由DSP、2片晶体管IR2104、4片功率MOSFET管IRFP150N构成，DSP产生PWM信号送给IR2104转变为12V的高低电平，通过4片IRFP150N组成的驱动桥电路驱动电机按控制信号转动。光栅码盘与转轴同轴安装，因此，反馈回路由电枢电流反馈与码盘信号反馈电路构成。电流反馈实现电机的电流监测，码盘信号反馈实现电机转角位移的监测，并根据监测信号调整PWM控制信号，实现多轴机构的实时控制。其中2片IR2104组成桥驱动电路，4片分立元件IRFP150N组成H桥电路。图11由LM2575构成的电平转换电路向桥驱动电路提供电源。

如图1所示***控制单元的CPU采用TI的TMS320F240型电机控制专用DSP，10MHz外部晶震，内部CPU速度20MHz。外扩两片SRAM-IS61C1024、128K×8Bit共同组成程序(调试使用)和数据传输的16位外部存储器。通信接口为RS232/RS485，当使用RS485时具有多轴机构组网功能。

电机伺服控制驱动单元由电源部分、桥驱动部分、驱动桥电路和保护电路组成。电源部分实现24V～12V、24V～5V的转换。桥驱动把来自CPU单元的PWM信号转变为可以驱动H桥的电压。驱动桥的输出用来驱动电机。保护电路由硬件结构实现，通过对电机电流的采样，与设定值比较，发出控制信号，当出现过、欠电压、电流时，自动关断控制开关。

TMS320F240由‘C2xxCPU核、内部存储器、外部存储器接口、时间管理单元、锁频环(PLL)、A/D转换器、异步串口(SCI)、同步串口(SPI)、看门狗、数字I/O、JTAG接口等几部分构成。除了‘C2xxCPU核和外部存储器接口外，其余各部份都被称为片内外设，他们的控制寄存器全部都被影射到CPU的数据或I/O空间。同步串口没有使用，其管脚作为数字I/O用于跳线设置(也可以作为SPI使用)。

外部晶震为10MHz，经过DSP内部的PLL单元，产生CPU和外部存储器接口所需的20MHz时钟信号、A/D转换器所需的时钟、看门狗所需的时钟。而片内其余部分均使用10MHz的时钟。

DSP的外部存储器接口提供了寻址64K程序、64K数据、64KI/O所需要的信号。如附图1所示：在控制单元上外扩两片SRAM-IS61C1024、128K×8Bit共同组成程序(调试使用)和数据使用的16位的外部存储器。他们的最高位地址线A16接DSP的PS(程序存储器选择)信号，从而实现了程序、数据共用一片存储器。

时间管理单元主要由PWM产生和信号捕捉两部分组成。输出的PWM信号用于控制电机，而信号捕捉部分则用于码盘产生的正交编码信号的鉴别和计数。

A/D转换器由两个10位精度独立转换器和16(每个独立的转换器使用8个)个切换通道组成。除了由于采样电机的电流外，还用于采样驱动单元上的点位器输出电压和作为用户使用A/D。

外接MAX491或MAX233-SO，与数字I/O信号配合用于与主控制器实现通信。波特率支持最高至19200(20MHz)。

RS232或RS485根据跳线设置，可以使用RS232或RS485中的任意一种。当使用RS232时，DSP的SCI单元的信号连接到MAX233-SO上。此时不具备联网功能，只能作为点对点控制。当使用RS485时，DSP的SCI单元的信号连接到MAX491上，同时DSP的一根I/O管脚连接到MAX491的输出使能。此时具备联网功能，网络中最多可有32个结点。而且，RS232和RS485共用两个控制单元上的DB9插座。可分别连接网络中的上一个结点和下一个结点。

CAN使用SJA1000作为CAN控制器，PCA82C250作为收发器。如附图5所示：GAL22V10用作地址译码，使用了一直双6芯的插头，前6个和后6个的对应管脚完全连在一起，这样可以在多个伺服驱动装置之间使用链形连接方式。

驱动***包括电源、桥驱动、H驱动桥和保护电路组成，主要有功率器件组成。

电源电路的核心是两块LM2575，实现24V/12V、24V/5V的转换，额定电流1A。5V输出用于控制单元，12V输出用于桥驱动芯片使用。

桥驱动由两片IR2104和启动电容、限流电阻组成。实现将来自控制单元的PWM信号转变为控制MOSFET开关的电压信号。注意：由于IR2104特殊的工作原理，PWM信号的占空比不能为0％和100％，否则IR2104将不能正常工作。

H驱动桥如附图11所示：由4块N沟道型IRFP150N的MOSFET管构成，该型MOSFET管最大电压100V，最大电流41A。每个IRFP150N配置一个散热片。

保护电路由采样电阻、比较电位器、LM243和逻辑判断电路构成。LM243将采样电阻送来的电压信号与比较电位器输出的电压信号进行比较，输出相应的控制逻辑。然后该逻辑再与控制单元输出的电机刹车信号进行逻辑运算，确定IR2104刹车信号的控制。

***总线如附图14所示：由两个40针的插座传输。其中一个插座主要传输DSP的外部存储器接口信号，有16根数据线、8根数据线及中断、复位、读写等逻辑。另一个传输控制驱动单元的控制信号，包括PWM、码盘信号、A/D模拟量、数字I/O信号。

Claims

1、一种基于网络的直流电机伺服驱动***，包括PC机、直流电机与码盘，其特征在于还包括伺服驱动***、CAN总线接口、RS485接口，所述的伺服驱动***由控制模块、驱动模块和网络接口模块组成，三者通过两个40针的插座连接成一体，通过RS485/CAN总线接口，实现PC机与多轴驱动机构的串行通信与串行组网连接。

2、根据权利要求1所述的直流电机伺服驱动***，其特征在于：所述的多轴伺服驱动***的组网方式为一主多从，即PC机为主模块，伺服驱动***均为从模块，主从关系不允许改变。

3、根据权利要求1所述的直流电机伺服驱动***，其特征在于：所述的通信接口电路通过电机专用芯片TMS320F240型DSP与通信接口片MAX491及2个9头插座连接构成，DSP共有132端，接口片MAX491共有14端，DSP的43、44、63端分别与IC4的2、5、4端相连，IC4的3、6、7端接地，14端接电源，1、8、13端悬空，11、12端接J1插座的6、7端，IC4的9、10端接J1插座8、9，由此连接在2个插座J1、J2的第4端上分别产生485P与485N连接信号，在串行组网时485P为输入端与前一个控制板的485N相连，485N为输出端与后一个控制板的485P相连，485P与485N依次连接实现多轴多电机的串行组网连接。

4、根据权利要求1所述的直流电机伺服驱动***，其特征在于：所述的串行组网的地址自动配置电路：地址自动配置电路由DSP、GAL22V10、SJA1000、PCA82C250器件组成，其中：PC机把组网地址以数据帧的方式发送给DSP，DSP与GAL22V10译码器连接，其后，再与SJA1000连接；DSP的配置地址经控制器SJA1000使能GAL22V10后译码，在SJA1000上产生地址选通信号，选通信号经收发器PCA82C250作电平转换后，发送给CAN总线，在总线插座上就得到控制模块选通的高、低电平；电路接法为：DSP的116、117、118端接译码器GAL22V10的4、3、2端，DSP的35、41、130、1、132、53、40端分别与译码器GAL22V10的5、6、7、8、9、18、15端相连，译码器GAL22V10的13、14端悬空，12端接地，1端接时钟脉冲，24端接电源，在U1芯片10、20、21、22、23端上产生输出信号，并连接到组网控制芯片SJA1000上，GAL22V10的22、23、21、20、10端分别与U2 SJA1000的4、3、5、6、16端相连，U2的23、24、25、26、27、28、1、2端接DSP的D0～D7端上，U2的11、22、18、12端接电源VCC，U2的8、21、15端接地，U2的7、1端悬空，17端接滤波电容C1，U2的9、10端接晶振管Y1，U2的13、19、20端接U3收发器PCA82C250的1、4、5端，U3PCA82C250的8端经电阻R3接地，6、7为输出端接插座J，3端接电源，2端接地；J插座的1、6、7、12端悬空，2、8端接U3的7端，输出CAN总线的高电位，4、10端接U3的6端，输出CAN总线的低电位。

5、根据权利要求1所述的直流电机伺服驱动***，其特征在于：所述的电机伺服驱动由电源、桥驱动、驱动桥电路和保护电路组成，电源实现24V/12V、24V/5V的转换，桥驱动把来自CPU单元的PWM信号转变为可以驱动H桥的电压，驱动桥的输出用来驱动电机，保护电路由硬件结构实现，通过对电机电流的采样，与设定值比较，发出控制信号，当出现过、欠电压、电流时，自动关断控制开关。

6、根据权利要求1所述的直流电机伺服驱动***，其特征在于：驱动电路由DSP、2片晶体管IR2104、4片功率MOSFET管IRFP150N构成，DSP产生PWM信号送给IR2104转变为12V的高、低电平，通过4片IRFP150N组成的驱动桥电路驱动电机按控制信号转动；光栅码盘与转轴同轴安装，反馈回路由电枢电流反馈与码盘信号反馈电路构成，电流反馈实现电机的电流监测，码盘信号反馈实现电机转角位移的监测，并根据监测信号调整PWM控制信号，实现多轴机构的实时控制，其中2片IR2104组成桥驱动电路，4片分立元件IRFP150N组成H桥电路。

7、根据权利要求1所述的直流电机伺服驱动***，其特征在于：通过RS485与CAN总线接口，能建立单个或至多32个伺服驱动装置与PC机连接。