单轴运动平台电器接线图报告

1、北京工业大学机电接口技术期末作业-单轴运动平台电器接线图 姜鑫 S201201174 岳丽花 S201201190 安亚群 S201201172 王翠 S201201167指导老师：崔晶 日期：2012年12月19日PMAC运动控制卡接线原理图+电源接线原理图姜鑫 S201201174一控制系统总体流程图驱动器PMAC运动控制卡电机上位机 用户控制命令信号 模拟差分信号 由读数头反馈的脉冲信号 电压信号读数头 PID 运算 功率放大首先，大家可以看出这是个闭环反馈控制系统，用户通过上位机传递的控制命令信号，以及由读数头反馈的脉冲信号输入到PMAC运动控制卡中，经过PID运算，输出模拟差分信号，

2、经过驱动器进行功率放大之后来控制电机的转向和转速。1 姜鑫S201201174主要负责PMAC运动控制卡整体接线图，包括控制卡的J3、J4、J12、TB1四个端口的接线情况。以及整个电源接线原理图。2 岳丽花S201201190主要负责的部分是：PMAC运动控制卡J3接口与读数头和驱动器的连接，实现的主要功能是：由读数头反馈的脉冲信号输入到PMAC卡中，经过PID运算，输出模拟差分信号进入到驱动器，进行功率放大。3 安亚群S201201172主要负责的部分是：驱动器和PMAC运动控制卡J3接口以及电机的连接，实现将模拟差分信号经过驱动器进行功率放大来控制电机的转向和转速。4 王翠S201201

3、167负责的主要部分是将读数头反馈的信号输入到运动控制卡中，实现一轴运动的单端双限位功能，在此部分我们在原有两轴设计的基础上提出了问题和原图的错误，我们按照自己的观点，加入两个电阻，此处是我们设计中的难点部分，也是我们的主要创新点。二PMAC运动控制卡PMAC 含义是 Programmable Multi-Axis Controller ，实际上PMAC是一台具有独立内存、独立运算操作能力的计算机。PMAC 有着广泛的应用场合, 从微小的精密控制到几百千瓦的功率控制。本设计采用的运动控制卡是 Turbo PMAC Clipper，又称Clipper。它是由Delta Tau设计制造的低成本多轴

4、运动控制器。Clipper在保持低价、整合的同时，提供了强大的控制性能。它采用Turbo PMAC2 CPU，提供4轴伺服或步进控制以及32个通用数字I/O点。此外，Clipper采用通用的以太网和RS232串行通讯方式，方便用户进行控制器与上位机的连接，并可以通过选择轴扩展卡对伺服通道及I/O端口进行扩展。1PMAC运动控制卡接线原理图PMAC运动控制卡接线原理图，如图1所示。本设计涉及到的PMAC的四个接口端子：TB1供电接口、J3设备接口(JMACH1)、J4设备接口(JMACH2)和J14以太网通讯接口。图1 PMAC运动控制卡接线原理图2TB1 -供电接口(JPWR) 该端口为供电接

5、口，1. 4针接线端子，间距0.150英寸。1针脚为公共端，与数字地相连接。2针脚主要功能是作为逻辑电源，为PMAC板所有额数字电路供电。Clipper电路板与其他附件卡正常工作状态下均需要1A5V直流供电，然而Clipper电路板的浪涌电流可能达到3A，所以建议使用6A5V供电电源。+5V及参考地应接到TB1端子，使用18AWG标准线缆。同时，在本设计中，2针脚也为标志位供电，Clipper每个通道均有5个专用的数字输入点，这些点可以在设备接口上找到，分别名为：PLIMn, MLIMn (正、负限位), HOMEn (回零标志), FAULTn (放大器错误), 以及USERn（用户输入）。

6、这些点对应的输入电路可以使用5到24V电源供电，电源及参考地同样可以引自TB1端子或是JMACH1接头。3、4针脚主要功能是为数模转换器DAC输出电路供电。DAC输出电路正常工作状态下的供电要求为：0.3A +12 到 +15V (4.5W) 、0.25A -12 到 -15V (3.8W)（8通道配置）。 DAC的12V以及参考地可以由TB1端子引入，也可以从JMACH1接头引入。在本设计中，DAC的12V以及参考地都由TB1端子引入。TB1的四个针脚排布如图2所示。TB1端子的针脚功能见表1。图2 TB1针脚排布图表1 TB1端子的针脚功表针脚号码标号功能描述注释1GND公共端数字地2+5

7、V输入逻辑电源为PMAC所有数字电源供电3+12V输入DAC供电参考为数字地4-12V输入DAC供电参考为数字地3. J3 -设备接口(JMACH1) JMACH1为主要的设备接口，在PMAC上标志为J3。JMACH1包含了四个通道的设备I/O：模拟量输出、增量式编码器输入、放大器错误及使能信号以及供电接口。1. 50针母头扁平电缆接口T&B Ansley P/N 609-5041 2. 标准50线扁平电缆T&B Ansley P/N 171-50 3. Phoenix端子型号FLKM 50 (公头) P/N 22 81 08 9 在本设计中，J3端子通过接口板与一个读数头和一个Trust线性

8、放大器相连接。从读数头的输出的电信号进入PMAC板，输出一路模拟量指令通过线性放大器来驱动和控制电机。4. J4 -设备接口(JMACH2) 该设备接口在PMAC上的标识为JMACH2或J4。包含4个通道的设备I/O：限位输入标志、回零标志、脉冲&方向输出信号，另外B_WDO输出允许显示看门狗的状态。1. 34针母头扁平电缆连接T&B Ansley P/N 609-3441 2. 标准34线扁平电缆T&B Ansley P/N 171-34 3. Phoenix端子型号FLKM 34 (male pins) P/N 22 81 06 3 J4端子与读数头相连接，主要功能是实现轴的单端双限位控制

9、，正限位以及负限位控制。5. J14 -以太网通讯接口该端口提供了以太网接口，通过网线与上位机相连。PMAC运动控制卡以太网接口电脑端上位机软件在这个接口部分，我们对照PMAC控制卡的相关说明书，指出我们参考的二轴运动的接线图中的错误，其中原图中为J12，在我们设计中更正为J14.三电源接线原理图1. 电源接线原理图综述在整个电源接线原理图中，用到了2个36V电源，1个24V电源，2个12V电源，和一个5V电源。如图所示首先由一组总的220V电源，引出一条火线和一条零线，通过一个接线排，分成两组分路，通过两个组空气自动开关，继续接两组接线排，分别与两组36V，一组24V，两组12V和一组5V电

10、源变压器相连，通过接线排与线性放大器和PMAC卡TB1供电端口相连。1组24V电源是给Trust线性放大器供电，即给输入到放大器中的弱点供电；2组36V电源给电机供电，即给从放大器输出的强电供电；2组12V电源为数模转换器DAC输出电路供电；5V为PMAC运动控制卡的所有数字电路供电。电源接线原理图如图3所示。图3 电源接线原理图2. 接线排为了方便将220V电源的总电路的火线和零线分成各个分支电路，以及便于与各个设备连接在一起，这里我们用到了接线排，接线排的结构如图4所示。最上方的两条线是总电路的火线和零线，左边的接线排的各个端子短接，编号为1、3、5、7，从这里引出的是分支电路的火线；同样

11、，右边接线排的各个端子也是短接在一起的，编号为2、4、6、8等，从这边引出的是分支电路的零线。当我们需要一组火线和零线的时候，就从左边的1端口引出一条火线，右边的2端口引出一条零线，与相应的设备连接。图4 接线排结构示意图3. 自动空气开关在我们设计中用了两组自动空气开关，图2 电源接线原理图所示。自动空气开关又称自动空气断路器，是低压配电网络中非常重要的一种电器，它集控制和保护功能于一身。除了能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载等进行保护。4. 线性放大器供电部分在整个电源接线原理图中，用到了2个36V电源，1个24V电源。1组24V电源是给Trust线性放大器供

12、电，即给输入到放大器中的弱点供电；2组36V电源给电机供电，即给从放大器输出的强电供电。线性放大器接线原理图中的电源供电部分如图6所示。图6 线性放大器接线原理图5. PMAC卡供电部分同时，在整个电源接线原理图中，也用到了 2组12V电源，和一组5V电源。2组12V电源为数模转换器DAC输出电路供电；5V为PMAC运动控制卡的所有数字电路供电。PMAC运动控制卡接线原理图如图1所示。动器TA330接线原理部分安亚群 S201201172一、 放大器的功能以及组成：1.放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控

13、制等各种装置中。增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。对于线性放大器，输出就是输入信号的复现和增强。对于非线性放大器，输出则与输入信号成一定函数关系。2.放大器电路使用两种信号种类：电流和电压。作为输入、输出，导致4种类型的放大器。输入输出相依电源放大器类型IICCCS（电流控制电流源）current controlled current source电流放大器IVCCVS（电流控制电压源）current controlled voltage source转阻放大器VIVCCS（电压控制电流源）voltage controlled current source转导放

14、大器VVVCVS（电压控制电压源）voltage controlled voltage source电压放大器二、 线性放大器TA330此处，我们选用的线性放大器TA330，是属于第三种转导放大器，它具有较低的电器噪音、使霍尔传感器转矩波动最小、没有交越失真、能获得较大的增益等优点。1、失真：一个理想的放大器，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的。但是，在实际放大器中，由于种种原因，输出信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象叫做失真。2、增益：一个放大器的输入输出关系常常表示为一个与输入频率相关的函数，这个关系称为放大器的传输函

15、数，同时这个传输函数的系数定义为增益。增益是指放大器能在多大程度上增大信号的幅值。该参数常用分贝（dB）来度量。 用数学语言来说，增益等于输出幅值除以输入幅值。三、TA330接线图如下：四、Trust线性放大器由以下模块构成：J1：供电端口（给放大器本身供电）J6：供电端口（给电机供电）J5：电机信号J3: 命令信号S1：电机类型设置J2：监测口（TTL to USB）J4：霍尔传感器J2口连接上位机，监测放大器内部工作状况，J4端口连接电机上的霍尔传感器，此处接线用到J1、J6、J5、J3、S1端口，我们选用的TA330是基于三极管的功率放大原理，将PMAC板传输来的微小信号经过调制转换成强

16、电信号驱动电机，通过电流的大小、方向来控制电机的转速、转向。J1：1、2针脚连接一个外部24V电源，给放大器供电，相当于给弱电信号供电J6：1、2、3针脚连接两个外部36V电源，给电机供电，相当于给强点信号供电J5：2、4针脚连接电机J3：命令信号，接收PMAC板发来的命令信号端口连接方式如下：J3 PMAC J3接口板1（A+） 29（DAC1 P）2（A-） 31（DAC1 N）7（ENABLE） 33（ANEA1）8（FAULT） 35（FAULT1）9（GND） 3（GND）S1：电机类型设置（音圈电机）五、DAC输出此处PMAC J3板的29、31针脚输出了一路模拟量指令来控制电机。

17、该路模拟量可以是单端或差分信号，这取决于所用的驱动器。在这里我们使用的是差分指令。差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的是逻辑0还是逻辑1。差分信号是用一个数值来表示两个物理量之间的差异。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少，单端输入时, 是判断信号与 GND 的电压差.信号受干扰时，差分输入时, 是判断两个信号线的电压差. 信号受干扰时, 差分的两线会同时受影响, 但电压差变化不大(抗干扰性较佳) 。因为干扰信号一般是以共模信号的形式存在，所以差分信号

18、的应用极大地提高了放大器系统的信噪比。而单端输入的一线变化时, GND 不变, 所以电压差变化较大. (抗干扰性较差) 六、放大器使能信号(AENAn/DIRn)大多数驱动器具有使能/禁用信号输入接口，允许控制器在需要时完全禁止驱动器输出，PMAC的AENA引脚便对应此功能。AENA1位于第33脚，信号为OC门输出，可使用3.3k外部上拉电阻。输入为低电平时，右面二极管导通，输出被下拉为地，输入为高电平时，二极管不导通，输出被上拉为+5V。我们可以自定义输出端电平为高或低来触发放大器工作。七、放大器错误信号(FAULT-)PMAC可以接收驱动器的错误报警信号以便知晓驱动器工作是否正常，是否需要

19、切断输入及使能。输入为低电平时，二极管导通，输出下拉到地，此时驱动器发出错误信号，输入为高电平时，二极管不导通，输出上拉为+5V，驱动器正常工作。八、S1电机类型设置根据SW1的不同状态，电机可大致分为以下几种类型SW1共有18个开关，各个功能如下：1使能触发2报错3、4数据传输系统的设置，主要设置的是放大器的增益和跨导率58电机类型设置此处我们选用第三种音圈电机，S1设置如下图所示：音圈电机是一种反应频率最快的直驱式电机，高频响、高精度，控制简单可靠，无需换相装置，寿命长，尤其适合短行程的闭环伺服控制。九、J3 -设备接口(JMACH1)JMACH1为主要的设备接口，在PMAC上标志为J3。

20、JMACH1包含了四个通道的设备I/O：模拟量输出、增量式编码器输入、放大器错误及使能信号以及供电接口。此处与放大器相连接的只有其中的三个通道。PMAC-J4接口接线原理部分王翠 S201201167一、RGH22读数头1、读数头的选择在选用读数头时，我们考虑了两种读数头，光栅尺和磁栅尺，光栅尺具有以下特点：小巧、坚固，采用内置细分电路，能够提供具有行业标准的模拟和数字输出非接触式设计提供高速、可靠的操作，摩擦和磨损均为零；内置LED安装指示灯使读数头便于安装；光学滤波系统在大多数开放式光栅都不适用的条件下，仍具有优异的信号稳定性；光学零位提供可重复的起始位置，而限位开关则指示轴行程的终点。磁

21、栅尺磁栅尺以耐水耐油污耐粉尘耐震动性见长，长度在2米以上性价比优势愈加明显，并且长度越长优势越明显。磁栅尺的量程可达30米。在大型金属切削机床如大的镗床、铣床，水下测量，木材石材加工机床（工作环境粉尘很重），金属板材压轧设备（大型成套设备）等应用方面有明显优势。我们设计的是单轴运动平台接线图，温度在室温下，设备小，同时考虑能查到的磁栅尺的资料特别比较少，对光栅尺比较熟悉，所以我们决定采用光栅尺（RGH22读数头）。2、读数头在PMAC-J4接口接线原理部分的作用RGH22读数头在PMAC-J4接口接线原理部分的作用是将输出的脉冲信号输入到PMAC控制卡中，实现单轴运动的限位功能。下面介绍读数头

22、的各个针脚如表格1： 表1：RGH22读数头接口 在这里我们只用到了仅有的几针，E+和Q。二、PMAC-J4接口J4 -设备接口(JMACH2)：该设备接口在PMAC上的标识为JMACH2或J4。包含4个通道的设备I/O：限位输入标志、回零标志、脉冲&方向输出信号，另外B_WDO输出允许显示看门狗的状态。1. 34针母头扁平电缆连接T&B Ansley P/N 609-34412. 标准34线扁平电缆T&B Ansley P/N 171-343. Phoenix端子型号FLKM 34 (male pins) P/N 22 81 06 3 下面介绍PMAC-J4接口各引脚的功能如表格2表2：PM

23、AC-J4接口在单轴控制中，PMAC_J4接口的作用是定位，单轴的运动有两个限位（正限位，负限位），正限位代表的是轴运动到右端极点的位置，负限位代表的是轴运动到左端极点的位置。三、 RGH22读数头与PMAC_J4接口的连线 这一部分是我们的难点，这一部分出现了很多错误，大部分的经历主要在设计这一部分，首先根据资料中的双轴接线图如图1:图1：双轴PMAC_J4接口的连线图同理：单轴类似于双轴运动，只是比双轴简单，因此只需要一个编码器（RGH22读数头1），同时我们在分析双轴过程中发现了这图有一些有一些错误： 1：这两个读数头标错了 2：采用的是双端输入，应该采用的是单端输入，两个限位等在上图中

24、RGH22读数头上的9针（E-）接到PMAC J4接口的11针（USER1)没有任何意义，不能完成任何功能，不需要采用双端输入，只要采用单端输入，因此，只需用到RGH22读数头上的两针：11（E+),10(Q), 针11（E+)代表报警，接PMAC J4接口的正限位（7针：PLIM1),实现单轴运动到右端点的定位，10(Q)代表限位开关，接PMAC J4接口的负限位（9针：MLIM1).根据这个分析我们起初设计的PMAC_J4接口图如图2：图2 起初设计的PMAC-J4接口接线原理图经老师给我们耐心的讲解，我们发现这样接线不对，因此我们回去把老师发给我们的关于RGH22读数头的资料再仔细研究了一下，我们发现我们画的