CN102801379A

CN102801379A - 通用全数字直流电机伺服驱动器

Info

Publication number: CN102801379A
Application number: CN2012102810540A
Authority: CN
Inventors: 李洪文; 邓永停; 王建立
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明涉及一种通用全数字直流电机伺服驱动器，该驱动器的可编程逻辑处理单元通过差分信号转换电路接收电机编码器的脉冲信号并进行计数，通过霍尔信号接口电路捕捉电机霍尔传感器接口信号并进行换向处理；微型控制器单元通过人机接口单元接收上位机的控制指令，并根据控制指令和编码器计数值计算数字控制量，可编程逻辑处理单元根据读取的数字控制量产生PWM控制信号；PWM控制信号经过磁耦隔离放大单元输出到驱动智能IPM功率驱动单元从而调节加在电机两端的电压大小，实现直流电机的闭环控制。本发明能够适用于有刷直流电机和无刷直流电机的控制场合，实现了伺服控制的全数字化，具有集成度高、通用性强、控制灵活的特点。

Description

通用全数字直流电机伺服驱动器

技术领域

本发明涉及一种通用全数字直流电机伺服驱动器，特别涉及一种适用于有刷直流电机和无刷直流电机控制的通用全数字直流电机伺服驱动器。

背景技术

随着现代伺服控制技术的发展，电机伺服控制系统对直流电机伺服驱动器的设计要求越来越高，在设计伺服驱动器时不仅要求高集成度、高控制精度、高可靠性、小体积，同时兼顾系统设计的数字化和经济成本。传统的全数字直流电机驱动器设计具有单一性，需要根据被控对象分别设计有刷直流电机驱动器和无刷直流电机驱动器，这就使得伺服驱动器的通用性降低，限制了伺服驱动器的应用场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够同时满足有刷直流电机和无刷直流电机应用场合控制需要的通用全数字直流电机伺服驱动器。

为了解决上述技术问题，本发明的通用全数字直流电机伺服驱动器包括控制器模块和功率驱动模块；所述控制器模块包括微型控制器单元、可编程逻辑处理单元、人机接口单元和第一反馈信号接收单元；第一反馈信号接收单元包括差分信号转换电路和霍尔信号接口电路；功率驱动模块包括磁耦隔离放大单元和智能IPM功率驱动单元；可编程逻辑处理单元通过差分信号转换电路与有刷直流电机或无刷直流电机的编码器信号接口连接，通过霍尔信号接口电路与无刷直流电机的霍尔传感器连接；差分信号转换电路将电机编码器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-6路差分信号转换为A、B、Z三路脉冲信号；可编程逻辑处理单元接收A、B、Z三路脉冲信号并进行计数，通过霍尔信号接口电路捕捉来自无刷直流电机霍尔传感器接口的信号并进行换向处理；微型控制器单元通过人机接口单元接收来自上位机的控制指令，并根据控制指令和来自可编程逻辑处理单元的编码器计数值计算数字控制量，可编程逻辑处理单元读取微型控制器单元的数字控制量并比较产生PWM控制信号；智能IPM功率驱动单元具有U、V、W三个接线端子；可编程逻辑处理单元产生的PWM控制信号经过磁耦隔离放大单元输出，驱动智能IPM功率驱动单元上、下桥臂的开关信号，从而调节加在电机两端的电压大小，实现直流电机的闭环控制。

本发明中可编程逻辑处理单元可通过霍尔信号接口电路与无刷直流电机的霍尔传感器连接，进行换向处理；智能IPM功率驱动单元具有U、V、W三个接线端子，可以通过U、V两个接线端子与有刷直流电机连接，也可以通过U、V、W三个接线端子与无刷直流电机连接，因而能够适用于有刷直流电机和无刷直流电机的控制场合，实现了伺服控制的全数字化，具有集成度高、通用性强、控制灵活的特点。

所述人机接口单元包括串口扩展芯片、RS232接口电路和RS422接口电路；微型控制器单元与串口扩展芯片连接，串口扩展芯片通过RS232接口电路、RS422接口电路与上位机连接，为微型控制器单元与上位机的全双工通信提供通道。

所述控制器模块还包括液晶显示屏；液晶显示屏与微型控制器单元连接，用于实时显示伺服控制系统当前的角位置、角速度以及系统运行状态等控制信息；

所述控制器模块还包括编码器接口，微型控制器单元通过编码器接口与电机编码器计数电路连接，微型控制器单元根据接收的来自编码器计数电路的码值反馈信号和来自上位机的控制指令计算数字控制量。因此本发明不仅适用于带有编码器计数电路的电机控制，也适用于自身不带有编码器计数电路的电机控制。

所述控制器模块还包括电流传感器单元和电流检测单元；电流传感器单元由两个电流转电压检测传感器LEM组成，两个电流转电压检测传感器LEM检测智能IPM功率驱动单元输出的两相电流信号并转换为电压信号，电流检测单元将两个电流转电压检测传感器LEM输出的电压信号转换为微型控制器单元AD模块可以采集的0~5V电压；微型控制器单元利用电流检测单元检测到的电流采样值、读取的编码器计数值和来自上位机的控制指令执行控制器算法并输出数字控制量到可编程逻辑处理单元。

所述控制器模块还包括故障检测电路；智能IPM功率驱动单元通过故障检测电路将检测故障信号反馈到可编程逻辑处理单元，由可编程逻辑处理单元进行故障处理。

微型控制器单元通过数据总线、地址总线和控制总线读取可编程逻辑处理单元的编码器计数值，利用电流检测单元检测到的电流采样值、读取的编码器计数值和来自上位机的控制指令执行控制器算法并通过上述总线输出数字控制量到可编程逻辑处理单元，可编程逻辑处理单元根据读取的数字控制量比较产生PWM控制信号。

所述功率驱动模块还包括电源输入单元；电源输入单元包括直流输入接口、单相交流输入接口、整流滤波电路，直流输入接口直流电压的正极性端接智能IPM功率驱动单元的P端，负极性端接智能IPM功率驱动单元的N端；单相交流输入接口通过整流滤波电路连接到智能IPM功率驱动单元。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的通用全数字直流电机伺服驱动器的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的通用全数字直流电机伺服驱动器由控制器模块和功率驱动模块两大部分组成。控制器模块包括微型控制器单元、可编程逻辑处理单元、人机接口单元、液晶显示屏、第一反馈信号接收单元、第二反馈信号接收单元以及电流传感器单元、电流检测单元和故障检测电路。功率驱动模块包括磁耦隔离放大单元、智能IPM功率驱动单元和电源输入单元。

控制器模块的微型控制器单元是全数字伺服控制器的核心，与液晶显示屏、第二反馈信号接收单元、人机接口单元、可编程逻辑处理单元、电流检测单元相连接。它通过第二反馈信号接收单元接收来自直流电机编码器的计数码值反馈信号，通过人机接口单元接收来自上位机的控制指令，并控制液晶显示屏实时显示控制信息，同时通过AD接口采集来自电流检测单元的电流，完成控制算法的计算和向可编程逻辑处理单元输出数字控制量。

液晶显示屏实时显示电机伺服控制系统当前的角位置、角速度以及系统运行状态等控制信息。

第二反馈信号接收单元包括两个编码器接口，微型控制器单元通过两个编码器接口与直流电机的编码器计数电路连接，接收来自直流电机编码器的计数码值反馈信号。

控制器模块的人机接口单元包括串口扩展芯片、RS232接口电路和RS422接口电路。微型控制器单元与串口扩展芯片连接，串口扩展芯片通过RS232接口电路和RS422接口电路与上位机连接；扩展的串口为微型控制器与上位机的全双工通信提供了通道。

控制器模块的可编程逻辑处理单元与第一反馈信号接收单元、故障检测电路、磁耦隔离放大单元相连接，它主要负责协同微型控制器单元进行通信并完成PWM控制信号的产生和输出，通过第二反馈信号接收单元接收来自直流电机（包括有刷直流电机和无刷直流电机）编码器信号接口的脉冲信号并进行计数，捕捉来自直流电机霍尔传感器接口的信号并进行换向处理，检测来自智能IPM功率驱动单元的故障信号并进行及时的故障处理。

第二反馈信号接收单元包括差分信号转换电路和霍尔信号接口电路；差分信号转换电路将直流电机编码器输出的差分信号转换为A、B、Z三路脉冲信号，并送给可编程逻辑处理单元；霍尔信号接口电路检测无刷直流电机换向信号并将其送给可编程逻辑处理单元，由可编程逻辑处理单元进行换向处理。

控制器模块的电流传感器单元的输入接智能IPM功率驱动单元的U、V两个接线端子，输出接电流检测单元的输入，电流检测单元的输出接微型控制器单元的AD采样接口；智能IPM功率驱动单元的输出接故障检测电路的输入，故障检测电路的输出接可编程逻辑处理单元的引脚。智能IPM功率驱动单元输出的电流值经电流传感器单元和电流检测单元反馈给微型控制器单元，用于完成电流信号的调理；故障检测电路检测故障信号并将其反馈到可编程逻辑处理单元，由可编程逻辑处理单元进行及时的故障处理。

功率驱动模块的磁耦隔离放大单元的输入与编程逻辑处理单元的PWM输出相连接，它的输出连接到智能IPM功率驱动单元的控制信号端。

功率驱动模块的智能IPM功率驱动单元内部集成了过压、欠压、短路、过热等故障检测电路，简化了外围电路设计和增强了系统的可靠性。

电流传感器单元由两个电流转电压检测传感器LEM组成，无论是有刷直流电机还是无刷直流电机，只需检测其中的两相电压即可。

本发明用于驱动有刷直流电机时，智能IPM功率驱动单元通过U、V两个接线端子与有刷直流电机连接；用于驱动无刷直流电机时，智能IPM功率驱动单元通过U、V、W三个接线端子与无刷直流电机连接。

功率驱动模块的电源输入单元由直流输入接口、单相交流输入接口、整流滤波电路组成，直流电压的正极性端接智能IPM功率驱动单元的P端，负极性端接智能IPM功率驱动单元的N端。单相交流输入接口通过整流滤波电路连接到智能IPM功率驱动单元。可以根据电机的型号选择电源输入的类型。

有刷直流电机不用霍尔信号接口；无刷直流电机U、V、W三个接线端子需要电子换向，在可编程逻辑处理单元中通过逻辑处理实现换向。有刷直流电机不需要换向，只需要调压调速，因此不需要霍尔信号接口。

所述的控制器模块的微型控制器单元主要是由单片机芯片C8051F120组成，它通过自身的两路串口UART0、UART1接收来自电机编码器计数板的码值；利用GPIO7端口扩展的两路UART实现与上位机的通信；通过GPIO5、GPIO6端口控制液晶显示屏实时显示控制信息；采用GPIO1、GPIO2、GPIO3端口实现与可编程逻辑处理单元（CPLD）的通信，同时控制系统的算法也在单片机内实现。

所述的控制器模块的可编程逻辑处理单元是由CPLD芯片EPM570T100C5组成，利用CPLD的强大逻辑处理能力可以完成控制信号PWM的产生，检测来自故障检测电路的故障信号从而对PWM输出进行锁存，接收来自电机编码器的脉冲信号并进行计数等功能。

所述控制器模块的两个编码器接口采用MAX3074/SO电平转换芯片，微型控制器单元通过MAX3074/SO电平转换芯片实现RS422通信，接收电机编码器计数电路的码值。液晶显示屏采用160×160全图形点阵式液晶显示模块，用于显示角位置、角速度、系统运行状态等参数；串口扩展芯片采用TL16C752芯片，用于扩展两路串口通信，实现微型控制器单元与上位机的全双工通信。

所述差分信号转换电路采用SP489芯片，将来自电机编码器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-6路差分信号转换为A、B、Z三路信号，以便CPLD进行脉冲计数。

所述的功率驱动模块的智能IPM功率驱动单元采用了智能PS21A79功率模块，该模块内部封装了6个IGBT，内部集成了过压、欠压、短路、过热等故障检测电路，模块的容量达到600V/50A，可满足大多数应用场合。

所述的功率驱动模块的电流传感器单元采用两个多极电流传感器LTS25-NP，用于高精度的检测电机电流。

所述的功率驱动模块的电源输入单元由交流输入和直流输入两部分组成，交流输入由整流、滤波环节组成，可为大功率直流电机提供电源；直流输入是由外部电源直接提供的。直流电压的正极性端接智能IPM功率驱动单元的P端，负极性端接智能IPM功率驱动单元的N端。

所述的功率驱动模块的电机接口单元由有刷直流电机接口和无刷直流电机接口组成，有刷直流电机接口的两个端子分别接IPM功率输出模块的U相和V相，无刷直流电机接口的三个端子分别接IPM功率输出的U相、V相和W相。

[0028]全数字伺服直流电机驱动器的具体工作原理：每隔一个采样周期单片机通过AD接口采集电流信号，同时通过数据总线、地址总线和控制总线读取CPLD的编码器计数值，利用电流采样值和读取的计数码值执行控制器算法并通过上述总线输出数字控制量到CPLD，CPLD根据读取的数字控制量比较产生PWM控制信号，然后控制信号经过磁耦隔离放大单元输出，驱动智能IPM功率驱动单元上、下桥臂的开关信号，从而调节加在电机两端的电压大小，实现直流电机的闭环控制。

本发明不限于上述实施方式，微型控制器单元、可编程逻辑处理单元、智能IPM功率驱动单元等还可以采用其他型号。

Claims

1.一种通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于包括控制器模块和功率驱动模块；所述控制器模块包括微型控制器单元、可编程逻辑处理单元、人机接口单元和第一反馈信号接收单元；第一反馈信号接收单元包括差分信号转换电路和霍尔信号接口电路；功率驱动模块包括磁耦隔离放大单元和智能IPM功率驱动单元；可编程逻辑处理单元通过差分信号转换电路与有刷直流电机或无刷直流电机的编码器信号接口连接，通过霍尔信号接口电路与无刷直流电机的霍尔传感器连接；差分信号转换电路将电机编码器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-6路差分信号转换为A、B、Z三路脉冲信号；可编程逻辑处理单元接收A、B、Z三路脉冲信号并进行计数，通过霍尔信号接口电路捕捉来自无刷直流电机霍尔传感器接口的信号并进行换向处理；微型控制器单元通过人机接口单元接收来自上位机的控制指令，并根据控制指令和来自可编程逻辑处理单元的编码器计数值计算数字控制量，可编程逻辑处理单元读取微型控制器单元的数字控制量并比较产生PWM控制信号；智能IPM功率驱动单元具有U、V、W三个接线端子；可编程逻辑处理单元产生的PWM控制信号经过磁耦隔离放大单元输出，驱动智能IPM功率驱动单元上、下桥臂的开关信号，从而调节加在电机两端的电压大小，实现直流电机的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述人机接口单元包括串口扩展芯片、RS232接口电路和RS422接口电路；微型控制器单元与串口扩展芯片连接，串口扩展芯片通过RS232接口电路、RS422接口电路与上位机连接。

3.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述控制器模块还包括液晶显示屏；液晶显示屏与微型控制器单元连接。

4.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述控制器模块还包括编码器接口，微型控制器单元通过编码器接口与电机编码器计数电路连接，微型控制器单元根据接收的来自编码器计数电路的码值反馈信号和来自上位机的控制指令计算数字控制量。

5.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述控制器模块还包括电流传感器单元和电流检测单元；电流传感器单元由两个电流转电压检测传感器LEM组成，两个电流转电压检测传感器LEM检测智能IPM功率驱动单元输出的两相电流信号并转换为电压信号，电流检测单元将两个电流转电压检测传感器LEM输出的电压信号转换为微型控制器单元AD模块可以采集的0~5V电压；微型控制器单元利用电流检测单元检测到的电流采样值、读取的编码器计数值和来自上位机的控制指令执行控制器算法并输出数字控制量到可编程逻辑处理单元。

6.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述控制器模块还包括故障检测电路；智能IPM功率驱动单元通过故障检测电路将检测故障信号反馈到可编程逻辑处理单元，由可编程逻辑处理单元进行故障处理。

7.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述功率驱动模块还包括电源输入单元；电源输入单元包括直流输入接口、单相交流输入接口、整流滤波电路，直流输入接口直流电压的正极性端接智能IPM功率驱动单元的P端，负极性端接智能IPM功率驱动单元的N端；单相交流输入接口通过整流滤波电路连接到智能IPM功率驱动单元。

8.根据权利要求1所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述微型控制器单元为单片机芯片C8051F120；可编程逻辑处理单元采用CPLD芯片EPM570T100C5。

9.根据权利要求2所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于所述串口扩展芯片采用TL16C752芯片。

10.根据权利要求2所述的通用全数字直流电机伺服驱动器，其特征在于智能IPM功率驱动单元采用智能PS21A79功率模块。