CN100511962C - 三合一的交流伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
一种三合一的交流伺服驱动器，其包括主控制器、控制模块、电源模块及多个伺服马达，单纯提供一台驱动器可以连接多台马达，将多台马达所需的电源模块及控制模块放在同一个模块里，对于控制单元部分可以节省重复部分，如通信接口、显示单元、输入/输出单元，电源模块上的IGBT模块的总线电容量也可共享而减少，体积也可因此较原本多台的总体积更得小，并可有效节省成本、配线及安装时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流伺服驱动器，特别涉及一种三合一的交流伺服驱动器。
背景技术
目前多轴运动控制的系统架构属于集中式控制，也就是都包含主控制器，通过传统式配线或高速通信等方式，以控制伺服驱动器来实现伺服马达的直线/圆弧等多轴补间运动。
交流伺服马达常用于三轴以上的加工机或是多轴的工作系统，目前的设计大都是一台驱动器接一台马达。即使是目前一对多的设计可以连接多台的马达，在设计上也是属于扩充型态的模块设计，也就是要接更多台马达，则扩充用以驱动马达的电源模块。这样在效能、成本及体积上的节省上也不会产生太大的效果，并且没有实质上节省配线及安装时间。
发明内容
为了克服上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种三合一的交流伺服驱动器，其包括主控制器、控制模块、电源模块及多个伺服马达。其中，该控制模块包括：
通信接口，用以与该主控制器双向传输命令及数据；
输入/输出单元，用以与该主控器双向传输数字/模拟的输入/输出信号；
电流检测器，用以接收分别对应于伺服马达的多个电流信号，并转换为数字电流信号输出；
现场可程序化闸极阵列，用以检测伺服马达的旋转位置及速度，以输出旋转位置数字信号及旋转速度数字信号，并根据脉冲宽度调制量位信号以产生分别对应于伺服马达的电流的脉冲宽度调制信号；以及
数字信号处理器，用以接收经由该通信接口而由该主控制器所送出的速度命令、位置命令及扭矩命令，接收该输入/输出单元所送出数字/模拟的输入/输出信号，接收该电流检测器所输出的数字电流信号，接收该现场可程序化闸极阵列所输出的旋转位置数字信号及旋转速度数字信号，以运算出分别对应伺服马达的电流的脉冲宽度调制量位信号，并输出至该现场可程序化闸极阵列，经由该传输接口传送各个伺服马达的操作状态；以及
该电源模块包括：
转换器，用以将交流电源转换为直流电源；
电源总线，用以提供该转换器所转换的直流电源；
电容，用以稳压该电源总线上的直流电源；
多个换流器，用以将该电源总线上的直流电源转换为交流电源，并根据该现场可程序化闸极阵列所输出的脉冲宽度调制信号分别产生输出给相对应的伺服马达的交流电压及电流；以及
多个电流传感器，用以分别感测换流器供应给伺服马达的电流，并输出所感测的电流信号至该电流检测器。
具有上述结构的本发明，单纯提供一台驱动器就可以连接数台马达，将数台马达所需的电源模块及控制模块放在同一个模块里，对于控制单元部分可以节省重复部分，如通信接口、显示单元、输入/输出单元，电源模块上的IGBT模块的总线电容量也可共享而减少，体积也可因此较原本数台的总体积要小，并可有效节省成本、减少配线及安装时间，实现具成本竞争力的交流伺服驱动器。
附图说明
图1是本发明三合一的交流伺服驱动器的电路框图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
10 三合一的交流伺服驱动器
12 主控制器 14 控制模块
16 电源模块 18 伺服马达
20 通信接口 22 输入/输出单元
24 电流检测器 26 现场可程序化闸极阵列
28 数字信号处理器 30 显示单元
32 位置/速度检测器 34 脉冲宽度调制控制器
36 转换器 38 电源总线
40 电容 42 制动单元
44 换流器 46 电流传感器
48 三相交流电源
具体实施方式
以下参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
图1为本发明三合一的交流伺服驱动器的电路框图。在图1中，三合一的交流伺服驱动器10包括主控制器12、控制模块14、电源模块16及多个伺服马达18。
控制模块14包括通信接口(Communication Interface)20、输入/输出单元22、电流检测器24、现场可程序化闸极阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)26、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)28及显示单元30。其中，现场可程序化闸极阵列26具有位置/速度检测器32及脉冲宽度调制控制器(Phase Width Modulation，PWM)34。
电源模块16包括转换器(Converter)36、电源总线38、电容40、制动单元42、多个换流器(Inverter)44及多个电流传感器46。
通信接口20与主控制器12双向传输命令及数据，例如主控制器12送出速度命令、位置命令及扭矩命令至通信接口20，通信接口20送出由数字信号处理器28所输出的各个伺服马达18的操作状态。其中，通信接口20可以为RS-485、RS232、Modbus及CAN-open。
输入/输出单元22与主控器12双向传输数字/模拟的输入/输出信号，该输入/输出单元22具有模拟/数字转换及数字/模拟转换的功能，并具有数字输入/输出(DI/DO)的功能。
电流检测器24接收分别对应于伺服马达18的多个电流信号，并转换为数字电流信号以输出至数字信号处理器28。其中，电流传感器46分别感测换流器44供应给伺服马达的电流，并输出所感测的电流信号至电流检测器24。
现场可程序化闸极阵列26的位置/速度检测器32检测伺服马达18的旋转位置及速度，以输出旋转位置数字信号及旋转速度数字信号至数字信号处理器28。现场可程序化闸极阵列26的脉冲宽度调制控制器34根据由数字信号处理器28所输出的脉冲宽度调制量位信号以产生分别对应于伺服马达18的电流的脉冲宽度调制信号。
数字信号处理器28接收经由通信接口20而由主控制器12所送出的速度命令、位置命令及扭矩命令，接收输入/输出单元22所送出模拟/数字的输入/输出信号，接收电流检测器24所输出的数字电流信号，接收现场可程序化闸极阵列26的位置/速度检测器32所输出的旋转位置数字信号及旋转速度数字信号，根据该些信号，以使用高速运算能力的数字信号处理器28来运算出分别对应伺服马达18的电流的脉冲宽度调制量位信号，并输出至现场可程序化闸极阵列26的脉冲宽度调制控制器34。数字信号处理器28经由传输接口20传送各个伺服马达18的操作状态至主控器12。
显示单元30接收数字信号处理器28的数据，显示各个伺服马达18的电压、电流、位置、速度及错误信息等。其中，显示单元30可以是七段显示器。
转换器36将三相交流电源48转换为直流电源。电源总线38提供转换器36所转换的直流电源。电容40用以对电源总线38上的直流电源进行稳压，以降低电源总线38上的电压脉动(Ripple)。其中，转换器36为桥式整流器，其将三相交流电源48转换为直流电源。
换流器44将电源总线38上的直流电源转换为交流电源，并根据现场可程序化闸极阵列26的脉冲宽度调制控制器34所输出的脉冲宽度调制信号分别产生输出给相对应的伺服马达18的交流电压及电流。其中，换流器44为全桥式三相换流器，其将电源总线38上的直流电源转换为具有变频及变幅电压的三相交流电压及电流。使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块中的六桥换流器44，就是通过六桥换流器将电源总线38上的直流电压以切换(switching)方式输出想要的变频及变幅电压，其是一种大电压及大电流的直流转换为交流的装置，由图1可看出，推动这三轴伺服马达18的三组六桥换流器44可以共享同一组的直流电压源，以及当电源总线38电压过高时可使用的制动单元42释放电源总线38上的能量，如此电源模块16就可以比原先1对1驱动器可以省掉共享的部分了。
由上述的架构可明显看出，通过共享相同的转换器36(即桥式整流器)、电源总线38及电容40上的电压，可以大幅降低重复使用了的组件如制动单元42、电容40、转换器36，使用在转换器36上的散热片(图中未示出)的体积也可缩小。这些情况也同样可以在控制模块14上发现，如显示单元30、通信接口20、输入/输出单元22等重复组件也可大幅减少。高速运算的数字信号处理器(Hi-Speed DSP)即使选用较高等级的DSP也比三颗一般运算速度的DSP总和更具有成本竞争力，所以此产品在需要多轴的系统上如三轴以上加工机所展现的竞争力(成本、体积)都大幅提高。
本发明的优点在于单纯提供一台驱动器就可以连接数台马达，将数台马达所需的电源模块及控制模块放在同一个模块里，对于控制单元部分可以节省重复部分，如通信接口、显示单元、输入/输出单元，电源模块上的IGBT模块的总线电容量也可共享而减少，体积也可因此较原本数台的总合体积要来得小，并可有效节省成本、降低配线及安装时间，实现具有成本竞争力的交流伺服驱动器。
虽然，以上已参照优选的具体实施例及例示性的附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于此。本领域的普通技术人员应该理解，本发明的形态及具体实施例的内容可以进行各种修改、省略及变化，这些修改、省略及变化均属于本发明的范围。
Claims (5)
1.一种三合一的交流伺服驱动器，包括主控制器、控制模块、电源模块及多个伺服马达，
所述控制模块包括：
通信接口，用以与所述主控制器双向传输命令及数据；
输入/输出单元，用以与所述主控器双向传输数字/模拟的输入/输出信号；
电流检测器，用以接收分别对应于所述伺服马达的多个电流信号，并转换为数字电流信号输出；
现场可程序化闸极阵列，用以检测所述伺服马达的旋转位置及速度，以输出旋转位置数字信号及旋转速度数字信号，并根据脉冲宽度调制量位信号以产生分别对应于所述伺服马达的电流的脉冲宽度调制信号；以及
数字信号处理器，用以接收经由所述通信接口而由所述主控制器所送出的速度命令、位置命令及扭矩命令，接收所述输入/输出单元所送出数字/模拟的输出信号，接收所述电流检测器所输出的数字电流信号，接收所述现场可程序化闸极阵列所输出的旋转位置数字信号及旋转速度数字信号，以运算出分别对应所述伺服马达的电流的脉冲宽度调制量位信号，并输出至所述现场可程序化闸极阵列，经由所述通信接口传送各个伺服马达的操作状态；以及
所述电源模块包括：
转换器，用以将交流电源转换为直流电源；
电源总线，用以提供所述转换器所转换的直流电源；
电容，用以稳压所述电源总线上的直流电源；
多个换流器，用以将所述电源总线上的直流电源转换为交流电源，并根据所述现场可程序化闸极阵列所输出的脉冲宽度调制信号分别产生输出给相对应的伺服马达的交流电压及电流；
多个电流传感器，用以分别感测换流器供应给伺服马达的电流，并将所感测的电流信号输出至所述电流检测器以及
制动单元，用以当所述电源总线的电压过高时以释放能量。
2.如权利要求1所述的三合一的交流伺服驱动器，其中，所述通信接口为RS-485、RS232、Modbus及CAN-open的任一种。
3.如权利要求1所述的三合一的交流伺服驱动器，其中，所述控制模块还包括显示器，用以接收所述数字信号处理器的数据，显示所述各个伺服马达的电压、电流、位置、速度及错误信息。
4.如权利要求1所述的三合一的交流伺服驱动器，其中，所述现场可程序化闸极阵列包括：
位置/速度检测器，用以检测所述伺服马达的旋转位置及速度，以将旋转位置数字信号及旋转速度数字信号输出至所述数字信号处理器；以及
脉冲宽度调制控制器，用以根据由所述数字信号处理器所输出的脉冲宽度调制量位信号以产生分别对应于所述伺服马达的电流的脉冲宽度调制信号。
5.如权利要求1所述的三合一的交流伺服驱动器，其中，所述转换器为桥式整流器，其将三相交流电源转换为直流电源，所述换流器为全桥式三相换流器，其将直流电源转换为具有变频及变幅电压的三相交流电压及电流。
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