CN103248285A - 直流电机专用驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机专用驱动器，包括：Motionnet网络模块，与DSP控制模块及反馈检测模块连接连接，负责该DSP控制模块与多个电机的状态反馈检测模块的快速通信；DSP控制模块，用于处理从该网络模块传来的数据，产生控制电机所需的相对应的PWM波，驱动功率驱动模块精确控制电机的运动；功率驱动模块，用于产生控制该电机所需的驱动电压；以及反馈检测模块，与该Motionnet网络模块及该电机连接，用于检测该电机的状态信息并将检测结果通过Motionnet网络反馈给DSP控制模块，通过本发明，可以提高系统稳定性，加快动态响应，优化动态性能，提高直线电机伺服专用驱动器的性能。

Description

直流电机专用驱动器

技术领域

本发明关于一种直流电机专用驱动器，特别是关于一种基于Motionnet的直线电机专用驱动器。

背景技术

随着大功率电力半导体技术的发展和计算机技术的发展，控制器件和控制原则的不断更新和完善，特别是PWM调制技术的广泛应用，使得采用三环结构(位置环、速度环和电流环)的位置伺服系统的控制理论和技术日臻成熟，在实现快速、准确定位等方面已达到相当高的水准。但随着高速和超高速精密加工技术的迅速发展，要求数控机床有一个反应快速灵敏、高速轻便的进给驱动系统。而传统的驱动方式所能达到的最高进给速度与超高速切削要求相差甚远。为适应现代加工技术发展的需要，采用直线伺服电动机直接驱动工作台来替代“旋转电动机+滚珠丝杠”模式，从而消除中间变换环节的直线进给伺服驱动新技术应运而生。

直线电机能直接将电能转换成直线运动，在快速响应能力和精度等方面都具有普通伺服驱动机构难以匹敌的优势，采用直线电机直接驱动进给系统已成为高速精密机床新的技术发展方向之一。在整个直线电机系统中，电机是执行部分，直线电机运动时的要实现精确定位、速度调节等控制都离不开电机伺服驱动系统，也即直线电机驱动器。

然而，目前的直线电机驱动器普遍存在如下缺点：系统稳定性较差，无法快速动态响应，因此，实有必要提出一种技术手段以解决上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种直线电机专用驱动器，其可以提高系统稳定性，加快动态响应，优化动态性能，提高直线电机伺服专用驱动器的性能。

为达上述及其它目的，本发明提出了一种直线电机专用驱动器，至少包括：

Motionnet网络模块，与DSP控制模块及反馈检测模块连接，负责该DSP控制模块与多个直线电机的状态反馈检测模块的快速通信；

DSP控制模块，用于处理从该网络模块传来的数据，产生控制直流电机所需的相对应的PWM波，并使PWM输出波形的占空比随着程序控制不断改变，从而改变输出PWM波形的占空比，驱动功率驱动模块精确控制该直线电机的运动；

功率驱动模块，与该DSP控制模块及该直线电机连接，用于产生控制该直流电机所需的驱动电压；以及

反馈检测模块，与该Motionnet网络模块及该直线电机连接，用于检测该直线电机的状态信息并将检测结果通过该Motionnet网络模块反馈给DSP控制模块。

进一步地，该DSP控制模块采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制芯片，该控制芯片从该Motionnet网络模块中读取数据，产生控制电机所需的相对应的PWM波，并使PWM输出波形的占空比随着程序控制不断改变，从而改变输出PWM波形的占空比，驱动该功率驱动模块精确控制直线电机的运动。

进一步地，该功率驱动模块包括保护电路、隔离整流模块、三相逆变电路以及光耦隔离电路，单相220V电压通过该保护电路、该隔离整流模块后进入该三相逆变电路，该DSP控制模块产生的PWM信号通过该光耦隔离电路驱动该三相逆变电路产生相应的控制电压，驱动直线电机运转。

进一步地，该功率驱动模块还包括一降压模块，该降压模块采用反激式开关电源，输出独立四组+15V电压供该三相逆变电路使用，+24V电压供继电器使用，+3.3V电压供DSP控制模块使用，±15V电压供霍尔传感器以及运放电路使用。

进一步地，该三相逆变电路主体为智能功率模块，该智能功率模块把功率开关器件和驱动电路集成在一起

进一步地，该光耦隔离电路使用高速光耦，实现DSP弱电部分与智能功率模块强电部分的连接。

进一步地，该反馈检测模块通过霍尔传感器，采集直流电机其中一相的电压、电流信息，并由光栅尺通过该Motionnet网络模块反馈给该DSP控制模块当前电机所在位置、当前电机速度以及当前电机加速度的信息。

进一步地，该霍尔传感器采集到的模拟量经光栅尺后还需经过采样并A/D转换，以数字信息的形式反馈给该DSP控制模块。

与现有技术相比，本发明一种直线电机专用驱动器通过采用TMS320F2812芯片控制，实现了数字化的控制方式，满足高速加工的动态响应快、动态跟踪精度高、抗干扰能力强和鲁棒性好的技术要求，同时利用DSP串口通信模块可以方便地将直线电机组入Motionnet网络，它能有效的把各种控制整合在一起，形成一个有机的整体。

附图说明

图1为本发明一种直线电机专用驱动器的系统架构图；

图2为本发明较佳实施例中Motionnet网络模块的网络构建示意图；

图3为本发明较佳实施例中DSP控制模块的控制原理框图；

图4为本发明较佳实施例中功率驱动模块的功率驱动原理框图；

图5为本发明较佳实施例中反馈检测模块的检测原理框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种直线电机专用驱动器的系统架构图。如图1所示，本发明一种直线电机专用驱动器的系统架构图，至少包括：Motionnet网络模块10、DSP控制模块11、功率驱动模块12以及反馈检测模块13。

其中Motionnet网络模块10与DSP控制模块11和反馈检测模块13连接，用于负责DSP模块与多个直线电机状态反馈检测模块的快速通信；DSP控制模块11是核心控制系统，用于处理从网络模块10传来的数据，产生控制电机所需的相对应的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)波，并使PWM输出波形的占空比随着程序控制不断改变，从而改变输出PWM波形的占空比，驱动功率驱动模块12精确控制直线电机的运动；功率驱动模块12，与DSP控制模块11及直线电机连接，用于产生电机控制所需的驱动电压；反馈检测模块13，与Motionnet网络模块10及直线电机连接，用于检测直线电机的状态信息并将检测结果通过Motionnet网络模块10反馈给DSP控制模块11。

在本发明较佳实施例中，Motionnet为FA(工厂自动化)领域专门提供的一种现场总线。它是建立在G9000系列芯片的基础上，通信速度达20Mbit/s的串行通信，除了可进行FA领域所要求的输入、输出控制及电机控制外，也能够对CPU高速仿真，对通信ASIC(专用集成电路)进行远程控制。通过Motionnet网络的构建，实现了DSP与多个直线电机状态反馈检测模块的快速通信，电机状态反馈检测模块负责电机位置信息的测量和反馈，替代了现有技术的多机通信，在主从系统中，大大减少了人工构建网络的成本，提高了系统的可靠性，其网络构建如图2所示。

图3为本发明较佳实施例中DSP控制模块的控制原理框图。如图3所示，DSP控制模块11除包含中央处理单元、电源、晶振、复位、存储、外设等模块，还包括与Motionnet网络模块进行通信的Motionnet通信接口以及与功率驱动模块12连接的功率驱动接口，在本发明较佳实施例中，DSP控制模块11采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812为核心控制芯片，DSP芯片作为驱动器的核心控制部分，主要负责接收并处理来自Motionnet驱动器端的控制信号，并转化为功率驱动模块12可执行的控制信号，控制芯片TMS320F2812从Motionnet网络模块中读取数据，产生控制电机所需的相对应的PWM(脉冲宽度调制)波，并使PWM输出波形的占空比随着程序控制不断改变，从而改变输出PWM波形的占空比，驱动功率驱动模块精确控制直流电机的运动。

图4为本发明较佳实施例中功率驱动模块的功率驱动原理框图。如图5所示，功率驱动模块12包括保护电路120、隔离整流模块121、三相逆变电路122、光耦隔离123以及降压模块124，以用于产生电机控制所需的驱动电压。单相220V电压通过保护电路120、隔离整流模块121后进入三相逆变电路122，DSP控制模块11产生的PWM信号通过光耦隔离123驱动三相逆变电路122(智能功率模块IPM)产生相应的控制电压，驱动直线电机运转。在本发明较佳实施例中，光耦隔离模块使用高速光耦，实现DSP弱电部分与IPM强电部分的连接，能减少干扰增大系统的稳定性，并且能够将DSP输出的微弱的控制信号放大，增大驱动能力。

在本发明较佳实施例中，三相逆变电路即三相桥式逆变电路，该电路设计简单、电源效率高，三相逆变电路主体是智能功率模块IPM，本发明中使用的是三菱第5代15A IPM驱动，具有过流、过热、欠压、过压、输出电流检测等完整的保护措施，功耗更低，效率更高，额定输出功率为0.75KW，智能功率模块把功率开关器件和驱动电路集成在一起，即由高速低工耗的管芯IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成，其中，IGBT是GTR(大功率晶体管)和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)的复合，由MOSFET驱动GTR。IPM内藏有过电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理，即使发生负载事故或使用不当，也可以IPM自身不受损坏。

降压模块124采用反激式开关电源，输出独立四组+15V电压供智能功率模块IPM自用，+24V电压供继电器使用，+3.3V电压供DSP控制模块11使用，±15V电压供反馈检测电路的霍尔传感器以及运放电路使用。

图5为本发明较佳实施例中反馈检测模块的检测原理框图。如图5所示，反馈检测模块13主要检测直线电机的电压信号、电流信号以及位置信号。通过霍尔电压传感器、霍尔电流传感器，采集电机其中一相的电压、电流信息，由光栅尺通过Motionnet网络模块反馈给DSP控制模块当前电机所在位置、当前电机速度以及当前电机加速度等信息，需要说明的是，霍尔电压传感器、霍尔电流传感器采集到的模拟量还需经过采样并A/D转换，以数字信息的形式反馈给DSP。

可见，本发明一种直线电机专用驱动器通过采用TMS320F2812芯片控制，实现了数字化的控制方式，满足高速加工的动态响应快、动态跟踪精度高、抗干扰能力强和鲁棒性好的技术要求，同时利用DSP串口通信模块可以方便地将直线电机组入Motionnet网络，它能有效的把各种控制整合在一起，形成一个有机的整体。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种直线电机专用驱动器，至少包括：

Motionnet网络模块，与DSP控制模块及反馈检测模块连接，负责该DSP控制模块与多个直线电机的状态反馈检测模块的快速通信；

DSP控制模块，用于处理从该网络模块传来的数据，产生控制直流电机所需的相对应的PWM波，并使PWM输出波形的占空比随着程序控制不断改变，从而改变输出PWM波形的占空比，驱动功率驱动模块精确控制该直线电机的运动；

功率驱动模块，与该DSP控制模块及该直线电机用于产生控制该直流电机所需的驱动电压；以及

反馈检测模块，与该Motionnet网络模块及该直线电机连接，用于检测该直线电机的状态信息并将检测结果通过该Motionnet网络模块反馈给DSP控制模块。

2.如权利要求1所述的一种直线电机专用驱动器，其特征在于：该DSP控制模块采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制芯片，该控制芯片从该Motionnet网络模块中读取数据，产生控制电机所需的相对应的PWM波，并使PWM输出波形的占空比随着程序控制不断改变，从而改变输出PWM波形的占空比，驱动该功率驱动模块精确控制直线电机的运动。

3.如权利要求2所述的直线电机专用驱动器，其特征在于：该功率驱动模块包括保护电路、隔离整流模块、三相逆变电路以及光耦隔离电路，单相220V电压通过该保护电路、该隔离整流模块后进入该三相逆变电路，该DSP控制模块产生的PWM信号通过该光耦隔离电路驱动该三相逆变电路产生相应的控制电压，驱动直线电机运转。

4.如权利要求3所述的直线电机专用驱动器，其特征在于：该功率驱动模块还包括一降压模块，该降压模块采用反激式开关电源，输出独立四组+15V电压供该三相逆变电路使用，+24V电压供继电器使用，+3.3V电压供DSP控制模块使用，±15V电压供霍尔传感器以及运放电路使用。

5.如权利要求4所述的直线电机专用驱动器，其特征在于：该三相逆变电路主体为智能功率模块，该智能功率模块把功率开关器件和驱动电路集成在一起

6.如权利要求5所述的直线电机专用驱动器，其特征在于：该光耦隔离电路使用高速光耦，实现DSP弱电部分与智能功率模块强电部分的连接。

7.如权利要求1所述的直线电机专用驱动器，其特征在于：该反馈检测模块通过霍尔传感器，采集直流电机其中一相的电压、电流信息，并由光栅尺通过该Motionnet网络模块反馈给该DSP控制模块当前电机所在位置、当前电机速度以及当前电机加速度的信息。

8.如权利要求7所述的直线电机专用驱动器，其特征在于：该霍尔传感器采集到的模拟量经光栅尺后还需经过采样并A/D转换，以数字信息的形式反馈给该DSP控制模块。

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