CN1267846A - 可控制多轴转动位置的集成电路 - Google Patents

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Abstract

一种可控制多轴转动位置的集成电路,包括:数个模拟/数字界面电路;数个数字/模拟界面电路;数个数字差动分析器,接收来自一总线的位置命令,将其转换为脉冲信号;数个编码器的计数器,连接外部伺服驱动器及电动机中所设置的编码器,记录电动机转动的位置,并将计数结果传送至总线;数个位置控制回路,用以接受来自编码器的计数器的回路脉冲及接受来自于数字差动分析器的指令脉冲,经由增益调整后输出至数字/模拟界面电路。

Description

可控制多轴转动位置的集成电路
本发明有关于一种集成电路，特别是一种组合式的可控制多轴转动位置的集成电路，主要是根据自动化系统的动作位置制作一组合型的模组，以提高系统的可靠性。
随着半导体制造技术的发展，使自动控制系统所需求的特殊运用集成电路(ASIC)，陆续被开发出来，其中的主控制集成电路，如微控制器，多工处理器或内嵌式微处理器等技术开发成熟，使得特殊应用的单片集成电路能被广泛地使用。
然而，由于目前自动化系统的位置控制方式，必须藉由不同的控制电路分别进行控制，无法同时藉由单一控制电路系统进行控制。而对于使用多组编码器或是手摇轮的相关控制时，往往无法将不同控制标的加以连接，这样，不仅增加电路成本，并且降低了整个控制系统的可靠性。另一方面，若有电路故障时，将会大大增加维修费用，有待加以改进。
本发明的主要目的在于提供一能够同时控制多组不同伺服电动机及多组输出入接点的可控制多轴转动位置的集成电路。
本发明的次要目的在于提供一可靠性强的组合式可控制多轴转动位置的集成电路，能够同时控制多组编码器与手轮机。
为达到上述目的，本发明采取如下措施：
本发明主要包括有数组数字差动分析器，配合其脉波输出电路，可将位置命令转换为脉波形式，以及包括有数组伺服电动机位置回路控制电路，同时配合有数个电动机编码器的计数器，藉以针对电动机的转速或运动位置做精确控制，将整个位置控制功能组合于单片集成电路中。亦即本发明是以位置控制的单一集成电路为核心，更可以进一步扩展组合运动位置控制于一个模组之中。
本发明采取如下具体结构：
本发明的可控制多轴转动位置的集成电路，包括：
至少二个模拟/数字界面电路，用以控制模拟/数字转换电路与接收模拟输入讯号，进而转换为数字讯号；
至少二个数字/模拟界面电路，将来自系统的数字输出指令转换为数字/模拟转换电路的输入讯号；
其特征在于：还包括：
至少二个数字差动分析器，接收来自一总线的位置命令，将其转换为脉冲信号；
至少二个编码器的计数器，用以连接外部伺服驱动器及电动机中所设置的编码器，记录电动机转动的位置，并将编码器讯号所计数的结果，传送至总线；
至少二个位置控制回路，用以接受来自编码器的计数器的回路脉冲，以及接受来自于数字差动分析器的指令脉冲，经由增益调整后输出至数字/模拟界面电路。
其中，所述模拟/数字界面电路经一总线连接至一电脑系统。
其中，所述数字差动分析器，连接有一控制电路，控制电路包括：
一控制器，用以控制数字差动分析器的控制流程；
一数字差动分析计数器，连接控制器，用以计数数字差动分析器的运算次数；
一数字差动分析时脉分频器，与数字差动分析计数器连接，提供分频后的时脉信号，并传送给数字差动分析计数器。
其中，所述数字差动分析器还包括：
一先进先出堆叠器，包括至少二组数字元的先进先出堆叠器，用以储存运动指令；
一数字差动分析均匀输出电路，将所述运动命令，作均匀脉波输出；
一脉波输出波形修整器，与数字差动分析均匀输出电路连接，将所欲输出的波形作进一步修整，使脉波输出形式为使用者所需的格式。
其中，所述编码器的计数器包括：
至少二个滤波器，连接电动机的编码器；
一输入解码器，连接滤波器，用以对输入讯号解码；
一上/下数计数器，连接输入解码器，负责执行讯号计数动作；
第一及第二栓锁电路，当一次讯号发生时，第二栓锁电路将上/下数计数器加以栓锁，当所连接的电脑中央处理单元欲读取上/下数计数器的数据时，第一栓锁电路执行栓锁。
其中，所述数字/模拟界面电路，包括：
一栓锁电路，用以栓锁欲执行数字/模拟转换的输入数据；
一串行数字/模拟界面电路，连接于栓锁电路，用以执行界面数据的转换，以输出给外界的数字/模拟转换器。
其中，所述模拟/数字界面电路，包括：
一串行模拟/数字界面电路，连接外界所连接的模拟/数字转换器，作界面转换处理；
一栓锁阵列电路，连接串行模拟/数字界面电路的输出端，用以将输入讯号加以栓锁。
其中，所述位置控制回路包括：一控制电路、至少二个比例暂存器、至少二个误差计数器、输出暂存器及一乘法器；
控制电路，用以协调各电路动作；
比例暂存器为益控制回路的输入端之一，其输出端连接乘法器，用于记录所控制的各轴的位置回路增益值；
误差计数器的输出端连接乘法器，用来计数位置控制回路所连接的指令脉冲与回授脉冲两讯号间的误差；
乘法器的输出端连接输出暂存器的输入端，用以根据误差计数器与比例暂存器的数据进行计算；
输出暂存器，用以记录各个运动位置控制轴的误差补偿结果而加暂存。
附图简要说明：
图1：本发明实施例的电路方块图。
图2：本发明实施例中数字差动分析器的电路方块图。
图3：本发明实施例中位置控制回路的电路方块图。
图4：本发明实施例中编码器的计数器电路方块图。
图5：本发明实施例中数字/模拟界面电路及模拟/数字界面电路的电路方块图。
图6：本发明实施例可控制多轴转动位置的集成电路所附加电路的方块图。
图7：本发明实施例与外部设备的连接示意图。
结合附图及实施例对本发明详细说明如下：
本发明的集成电路，主要是将自动化系统的运动位置控制作一高组合型的模组化设计，克服以往同时操作数组伺服电动机、编码器、手轮或周边输出入装置的控制动作时，需藉由不同控制系统分别执行的缺点，不仅可有效降低成本，并可以提高控制系统的可靠性以及简化电路设计。
如图1所示，其为本发明实施例的电路方块图，其中主要为单片多轴立置控制的集成电路(IC)10，用以精确执行电动机的位置或速度控制。集成电路10，为一高组合性的特殊应用集成电路(ASIC)，其能够有效实现对伺服电动机的运动位置控制。此外，必须强调的是，图1中所示的集成电路10，其本身可以配合连接有其他电路而组成模组化电路，关于此点则需配合图7进行说明。
如图1、7所示，本发明的实施例中，多轴位置控制的集成电路10包括有八个模拟/数字界面电路11(ADC Interface×8)，用以连接及控制模拟/数字转换电路25，以便将外部连接的感测器24及其它模拟输入装置26的模拟讯号(如图7所示)，进而转换为数字讯号，以做进一步处理，或是可将数字讯号传送至工业标准总线22(ISABUS)(如图7)，供电脑系统使用。另外，集成电路10中亦包括有八个数字/模拟界面电路12、15(DAC Interface)，数字/模拟界面电路15(DAC Interface)，可将来自位置控制回路14(PositionControl Loop；PCL)的输出信号传送给数字/模拟转换电路32，转换为控制伺服驱动器所需的模拟讯号。其余二个可将总线22(IASBUS)的输出指令传送给数字/模拟转换电路27，转换后的模拟讯号可用于控制如主轴装置28之类的外部装置。此外，集成电路10中亦包括有数字差动分析器13(Digital Differential Analyzer；DDA)，其主要接受来自于工业标准总线22(ISA BUS)的位置命令，并且把该命令转换为脉冲(Pulse Type)的波形输出，传送给位置控制回路14(PCL)。
关于位置控制回路14(Position Control Loop；PCL)，用以接受来自于编码器的计数器16(Encoder Counter)的回授脉冲，以及接受来自于数字差动分析器13(DDA)的指令脉冲，经由增益调整后即输出至数字/模拟界面电路15(DAC Interface)。对于编码器的计数器16(Encoder Counter)，其主要功能为连接伺服电动机的编码器(图7所示中并无表示)所输出的编码器讯号(EncoderSignals)，加以正确记录电动机转动的位置，并将此编码器讯号(Encoder Signals)所计数的结果，传送至总线22(ISA BUS)以及位置控制回路14(PCL)，做为进一步控制的依据。
如图2所示，图2为本发明实施例中数字差动分析器13的电路方块图，数字差动分析器13(DDA)的内部电路及与控制电路133的连接关系如下：控制电路133包括有一控制器130(Controller)，用以控制数字差动分析器13(DD)的电路控制流程。其连接有一数字差动分析计数器131(DDA Counter)，用以对数字差动分析器13(DDA)运算的次数计数。另有一数字差动分析时脉分频器132(DDAClock Divider)与数字差动分析计数器131(DDA Counter)相连接，其主要功能为提供一经分频后的时脉信号给数字差动分析器13(DDA)。
其中，数字差动分析器13(DDA)，包括有一个64组16位元(16bits)的先进先出堆叠器134，其可预存64组位置命令。先进先出堆叠器134(FIFO)的输出端连接有一数字差动分析均匀输出电路136(DDA Engine)其主要功效为将数字差动分析器13(DDA)所欲输出的命令，作均匀脉波的输出，当所连接的电脑系统的中央处理单元(CPU)写入一笔数据(或命令)于堆叠器134(FIFO)中时，数字差动分析均匀输出电路136(DDA Engine)即会将该命令转换成均匀的脉波链(Pulse train)而输出。之后，该均匀输出的脉波再传输至一脉波输出波形修整器138(Pulse Output Reshaper)，将所欲输出的波形作进一步修饰，使得该脉波输出形式符合CW/CCW、PULSE/DIR、A/B phase以及inhibit的格式。
如图2所示，本发明实施例中，先进先出堆叠器134连接数字差动分析均匀输出电路136，再与脉波输出波形修整器138等三者的连接共组合成六组，即本发明实施例整体有六组数字差动分析器13(DDA)，六组电路中分别由控制电路133的控制器130连接数字差动分析计数器131，以及数字差动分析时脉分频器132的连接组合而加以控制。
如图3所示，其为本发明实施例中位置控制回路(亦即伺服定位回路控制)的电路方块图，其表示集成电路10中的位置控制回路14的进一步电路方块图。位置控制回路14主要用于伺服电动机位置的回路控制，本发明实施例中，可同时控制六轴伺服电动机的运动位置。
如图3所示，位置控制回路14的控制电路140，用以协调位置控制回路14内各个电路的动作；其中，比例暂存器142用于记录所控制的各轴的位置回路增益，其为位置控制回路14的输入端之一，本实施例中总共使用有六组比例暂存器142；误差计数器144，用来计数位置控制回路14所连接的指令脉冲与回授脉冲两讯号之间的误差，本实施例中总共使用有六组误差计数器144。
另外，比例暂存器142及误差计数器144的输出端再连接一乘法器146，乘法器146用以根据误差计数器144与比例暂存器142的输出进行计算；乘法器146的输出端连接于一输出暂存器148；输出暂存器148用以记录各个运动位置控制轴的误差补偿结果，本实施例中同样使用有六组输出暂存器148。最后，将输出传送给数字/模拟界面电路15加以处理。
如图4所示，其为集成电路10中编码器的计数器16的电路方块图，其包括有第一滤波器161及第二滤波器162，其用以对电动机的编码器(Encoder，图中无标示，仅显示有编码器讯号)的讯号InA、InB以及InC等等，经由第一、第二滤波器161、162的数字滤波，将滤过后的讯号InA、InB提供给一输入解码器163(InputDecoder；X1，X2，X4，X0)进行解码，输入解码器162用以将输入讯号InA、InB作X1，X2，X4，X0的解码输出，其输出信号再传送至一上/下数计数器164。另外，滤波的的一个次讯号(InC)，则作为第二栓锁电路(Second Latch)166的触发讯号。
输入解码器163连接有一上/下数计数器164，负责作讯号计数。上/下数计数器164连接有第二栓锁电路166(Second Latch)，第二栓锁电路166当发生InC讯号时，上/下数计数器164加以栓锁住。第一栓锁电路165(First Latch)的作用，是当所连接的电脑中央处理单元(CPU)欲读取上/下数计数器164的数据时，才会执行栓锁。本发明实施例中包括九个编码器的计数器16，可连接控制九组电动机的编码器或是手轮机。
如图5所示，其为本发明实施例的集成电路10的数字/模拟界面电路12及模拟/数字界面电路11的电路连接方块示意图，其中数字/模拟界面电路12包括有一栓锁电路122(Latch)，用以栓锁欲执行数字/模拟转换的数据，其连接有一串行数字/模拟界面电路124(Serial DAC I/F)，用以执行界面数据的转换，本发明实施例中以两组数字/模拟界面电路12、15为例，第一组数字/模拟界面电路12由两个数字/模拟界面电路(DAC×2)所组成，可用以执行主轴电动机的速度或位置控制，第二组数字/模拟界面电路15为六个数字/模拟界面电路(DAC×6)，可用以执行伺服电动机的位置回路控制。
另一方面，图5中还包括有模拟/数字转换器的界面电路11，其主要包括有一串行模拟/数字界面电路112，用以连接外界的的模拟信号而作界面转换的处理，界面电路112连接有一栓锁阵列电路114(Latch Array)，其用以执行将已转换的讯号加以栓锁。本发明实施例包括八组数字/模拟界面电路11，可连接八组模拟感测器。
如图6所示，其为本发明实施例的集成电路10所附加的电路方块示意图，其中包括有一总线界面102，其作为与所连接电脑的中央处理单元(CPU)间，进行相关数据传输的界面。另包括有一中断控制器104，用以执行中央处理单元(CPU)的中断向量控制，以及一等待状态产生器106，主要可设定中央处理单元(CPU)存取集成电路10的等待时间，另包括有一地址解码器108，负责中央处理单元(CPU)与集成电路10间的所有地址的解码工作。
如图7所示，其为本发明实施例与外部设备的连接示意图，其中，集成电路10藉由工业标准总线22(ISA BUS)与其他电脑相连接，并可同时控制数轴的伺服驱动器及电动机30(Servo Driver andMotors)，如开回路控制，由数字差动分析器13连接，如闭回路控制由数字/模拟转换电路32输出，并由编码器的计数器16回授电动机的位置信号；本实施列中以控制六个伺服驱动器及电动机30为例。集成电路10可以连接有数个编码器(Encoder)，或与数个手轮34(Hand Wheel)。
图7中，集成电路10可藉由模拟/数字转换器25连接感测器24(Sensors)与一般的模拟输入装置26，用以接受模拟输入讯号(即为一感测讯号)，便于执行位置运动的检测。此外，集成电路10中，数字/模拟转换电路27另连接有一主轴装置28，两者间的连接讯号，为主轴装置28的控制讯号，藉由集成电路10的作用，能控制主轴装置28执行适当运转操作；另外，主轴装置28连接多轴位置控制的集成电路10的一输出端。
与现有技术相比，本发明具有如下效果：
综上所述，本发明的多轴位置控制的集成电路能对数组伺服电动机进行运动位置控制，其为一组合式的特殊运用的集成电路，更可进行远端输出入的控制作用，其控制简易，控制的可靠性高，以及可降低电路及维修成本，实用性强。
以上叙述是借较佳实施例来说明本发明的结构特征，并非用于限制本发明的保护范围。

Claims (13)

1、一种可控制多轴转动位置的集成电路，包括：
至少二个模拟/数字界面电路，用以控制模拟/数字转换电路与接收模拟输入讯号，进而转换为数字讯号；
至少二个数字/模拟界面电路，将来自系统的数字输出指令转换为数字/模拟转换电路的输入讯号；
其特征在于：还包括：
至少二个数字差动分析器，接收来自一总线的位置命令，将其转换为脉冲信号；
至少二个编码器的计数器，用以连接外部伺服驱动器及电动机中所设置的编码器，记录电动机转动的位置，并将编码器讯号所计数的结果，传送至总线；
至少二个位置控制回路，用以接受来自编码器的计数器的回路脉冲，以及接受来自于数字差动分析器的指令脉冲，经由增益调整后输出至数字/模拟界面电路。
2、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：所述模拟/数字界面电路经一总线连接至一电脑系统。
3、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：所述数字差动分析器，连接有一控制电路，控制电路包括：
一控制器，用以控制数字差动分析器的控制流程；
一数字差动分析计数器，连接控制器，用以计数数字差动分析器的运算次数；
一数字差动分析时脉分频器，与数字差动分析计数器连接，提供分频后的时脉信号，并传送给数字差动分析计数器。
4、根据权利要求3所述的集成电路，其特征在于：所述数字差动分析器还包括：
一先进先出堆叠器，包括至少二组数字元的先进先出堆叠器，用以储存运动指令；
一数字差动分析均匀输出电路，将所述运动命令，作均匀脉波输出；
一脉波输出波形修整器，与数字差动分析均匀输出电路连接，将所欲输出的波形作进一步修整，使脉波输出形式为使用者所需的格式。
5、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：所述编码器的计数器包括：
至少二个滤波器，连接电动机的编码器；
一输入解码器，连接滤波器，用以对输入讯号解码；
一上/下数计数器，连接输入解码器，负责执行讯号计数动作；
第一及第二栓锁电路，当一次讯号发生时，第二栓锁电路将上/下数计数器加以栓锁，当所连接的电脑中央处理单元欲读取上/下数计数器的数据时，第一栓锁电路执行栓锁。
6、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：所述数字/模拟界面电路，包括：
一栓锁电路，用以栓锁欲执行数字/模拟转换的输入数据；
一串行数字/模拟界面电路，连接于栓锁电路，用以执行界面数据的转换，以输出给外界的数字/模拟转换器。
7、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：所述模拟/数字界面电路，包括：
一串行模拟/数字界面电路，连接外界所连接的模拟/数字转换器，作界面转换处理；
一栓锁阵列电路，连接串行模拟/数字界面电路的输出端，用以将输入讯号加以栓锁。
8、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：所述位置控制回路包括：一控制电路、至少二个比例暂存器、至少二个误差计数器、输出暂存器及一乘法器；
控制电路，用以协调各电路动作；
比例暂存器为益控制回路的输入端之一，其输出端连接乘法器，用于记录所控制的各轴的位置回路增益值；
误差计数器的输出端连接乘法器，用来计数位置控制回路所连接的指令脉冲与回授脉冲两讯号间的误差；
乘法器的输出端连接输出暂存器的输入端，用以根据误差计数器与比例暂存器的数据进行计算；
输出暂存器，用以记录各个运动位置控制轴的误差补偿结果而加暂存。
9、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，还包括：
一总线界面，连接所述电脑的中央处理单元，进行数据传输；
一中断控制器，用以执行中央处理单元的中断向量控制；
一等待状态产生器，用于设定等待时间；
一地址解码器，对所有信号地址解码。
10、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：外部连接电路，包括有电脑。
11、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：外部连接电路，连接有被控制的伺服驱动器及电动机。
12、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：外部连接电路，连接有感测器与模拟输入装置。
13、根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于：外部连接电路，连接有一被控制的主轴装置。
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