CN103558784A

CN103558784A - 一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器

Info

Publication number: CN103558784A
Application number: CN201310516151.8A
Authority: CN
Inventors: 黄建; 张新华; 王晓林; 王顺伟; 陈峣
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明属于一种高功率密度智能驱动器，具体涉及一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器。它包括基于DSP的智能控制及处理单元，数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元和下位机CAN总线通讯网络连接，下位机CAN总线通讯网络连接与CAN总线通讯网络连接，CAN总线通讯网络与上位机CAN总线通讯单元连接，上位机CAN总线通讯单元与系统参数设置单元连接。其优点是，采用先进处理器和先进信号处理技术实现对直流无刷电机的可靠运行，驱动负载能力强，功率密度高，体积小，系统实时性好，响应快，输出电压0～80V，额定输出电流达30A；自动化程度高，具有多种控制模式和多种控制方式。

Description

一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器

技术领域

本发明属于一种高功率密度智能驱动器，具体涉及一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器。

背景技术

直流伺服系统发展历史悠久，一直以来以其能在大范围内实现精密的速度和位置控制以及高质高效的平滑运转特性在传动领域占有重要的地位。而直流伺服驱动器作为整个直流伺服系统的核心部分，也随着新型半导体技术和数字控制器的发展而飞速发展。

直流伺服电机分为有刷电机和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，但需要维护（换碳刷），对环境有要求。有刷驱动器在导航系统、雷达天线、数控机床、加工中心、机器人、打印机、复印机、磁纪录仪、磁盘驱动器、自动洗衣机等领域得到广泛应用。

目前，一些单位正在开展智能化驱动器的设计工作，该类型具有高度的智能化和集成化，集伺服电机驱动、运动控制和PLC功能于一体，采用了全数字化分布式解决方案的新一代智能伺服驱动。分布式网络化的系统结构和运动控制与驱动集成一体的特性为运动控制系统的构建和实施带来了诸多方便，可靠性和系统整体响应也大大提高，但是该类型驱动器只适用于低功率驱动，不适用于高功率密度驱动等特定应用场合。

随着便携设备和轻量设备的发展，对驱动器的质量和功率提出了越来越高的要求。目前国内多采用分立IGTB功率管或MOSFET功率管搭制H桥，实现大电流直流电机驱动。由于分立器件各个元件的特性不同，使得驱动器的特性具有一定的离散性，同时由于功率管的开关电阻较大，导致功耗也很大，需要加大功率的散热片，这无疑加大了驱动器的体积和重量。目前，国内外生产的直流电机驱动器功率密度低且智能化程度低，尤其是在高功率密度比的驱动场合显得无能无力。

针对以上问题，提出了一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器设计技术。该系统采用了DSP+高速AD+PC的体系结构，集采集、计量、智能控制、通讯、系统参数设置功能于一体，实时精确控制电机运行，采用先进信号处理技术及算法提取特征技术，并结合系统设定参数实现智能控制功能。为提高系统的实时性和抗干扰能力，采用CAN总线通讯技术与上位机通信，在上位机实现驱动器电机电气参数及控制参数自动识别和手动设定。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器，它采用了DSP+高速AD+PC的体系结构，集采集、计量、智能控制、通讯、系统参数设置功能于一体，实时驱动直流有刷伺服电机，结合系统信息实现电机最优控制，并采用CAN总线通讯技术和串口通信技术实现与主控制计算机通信或多驱动器协同通信。

本发明是这样实现的，一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器，它包括基于DSP的智能控制及处理单元，数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元和下位机CAN总线通讯网络连接，下位机CAN总线通讯网络连接与CAN总线通讯网络连接，CAN总线通讯网络与上位机CAN总线通讯单元连接，上位机CAN总线通讯单元与系统参数设置单元连接。

本发明的优点是，采用先进处理器和先进信号处理技术实现对直流无刷电机的可靠运行，驱动负载能力强，功率密度高，体积小，系统实时性好，响应快，输出电压0～80V,额定输出电流达30A；自动化程度高，具有多种控制模式和多种控制方式，控制模式主要包括转矩控制模式、位置控制模式、速度控制模式、放大器控制模式；控制方式包括脉冲控制、PWM控制、串口通信控制、CAN总线通讯控制、模拟量控制等，转速反馈能输入差分编码器信号、单极编码器信号、电位计信号等；采用智能高功率驱动模块芯片，具有体积小、散热快、转换效率高、系统响应速度快、抗干扰能力强的特点；具备一套完整的参数设置与监测系统，操作方便，能通过设定电机电气和机械参数，自动生成PID参数，也可通过手动设置PID参数，电机驱动方式灵活；可以通过CAN总线网络组网，可以实现多机协同的通讯方式，CAN总线通讯方式数据传输速率高，传输距离远，比较适合于抗干扰比较强的场合；该驱动器接线简单，安装方便，占地空间小，具有高可靠、长寿命、强抗电磁干扰能力。

附图说明

图1为本发明所提供的一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器示意图；

图2为数据采集单元示意图；

图3为采集信号电路示意图；

图4为数据存储单元示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细介绍：

一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器，基于DSP的智能控制及处理单元是驱动器硬件的核心，它控制数据采集单元采集电气状态信息，并将采集数据存入数据存储单元；然后，该单元调用数据存储单元中的数据完成电气参数的计算，并结合系统信息实现驱动控制功能，使它具有智能控制等能力。基于DSP的智能控制及处理单元由TMS320F28335芯片和PS767D301电源芯片构成。其之间的关系是：PS767D301电源芯片提供3.3V和1.9V电压给TMS320F28335芯片。TMS320F28335与数据存储单元以数据和地址总线方式实现通信。它是驱动器部分的核心，负责控制整个驱动流程及数据处理，并能将监测结果到上位机系统参数设置中心。

如图1所示，一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器它包括基于DSP的智能控制及处理单元，数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元和下位机CAN总线通讯网络连接，下位机CAN总线通讯网络连接与CAN总线通讯网络连接，CAN总线通讯网络与上位机CAN总线通讯单元连接，上位机CAN总线通讯单元与系统参数设置单元连接。下面分别就每个单元做详细说明。

数据采集单元由AD7606模数转换器、数字I/O（输入输出接口）接口、数字信号调理电路及模拟信号调理电路组成。该驱动器可接三种形式的编码器，分别为模拟式电位器、增量式差分编码器、非差分编码器。其之间的关系是：数字传感器输出信号经过数字信号调理电路实现电平转换，并将结果输出至数字I/O接口；模拟传感器输出信号经过模拟信号调理电路进行信号调理和滤波，并将结果输出至AD7606模数转换器进行电压转换；其结构如图2所示。模拟量数据采集是传感器调理后的模拟信号，数字量数据采集是传感器调理后的数字信号。

采集信号电路结构如图3所示，这种采集结构实现直流电机信号的实时采集。其工作原理为：基于DSP的智能控制及处理单元不断从电机电枢端采集电气参数信息和从各传感器接收传感器信息。AD7606芯片为8路16位精度的模数转换芯片，该芯片个模拟通道的转换频率为200kSPS，它通过总线接口方式与DSP处理器相连。

所述数据存储单元由SDRAM（同步动态随机存取存储器）和FLASH（闪存）两种存储器组成，它们之间的位置连接关系是：通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。SDRAM采用2片HY57561620SDRAM芯片，存储容量达到64兆位，用来存储数据和实现上电后的应用程序加载。FLASH采用K9F1208FLASH芯片，存储容量达到64兆位，用来固化bootloader引导程序和应用程序。两片HY57561620SDRAM芯片和一片K9F1208FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接。基于DSP的智能控制及处理单元通过外部存储器接口实现与数据存储单元数据的读写，其存储操作结构如图4所示。

智能控制输出单元是基于DSP的智能控制及处理单元执行逻辑推理的输出结果，它由PWM输出接口和光电隔离电路组成，其之间的关系是：DSP处理器输出PWM数字信号，该数字信号经光电隔离电路将3.3V电压值转换为电机智能驱动模块需要的标准电压值。PWM输出电平信号经过光电隔离电路接电机智能驱动模块控制电机运行，避免了电机驱动时产生的干扰对系统的影响，从而提高系统稳定运行的可靠性。

智能驱动模块是指SA03直流有刷智能模块驱动芯片，该芯片具有驱动功率大、体积小、转换效率高、系统响应速度快、内置多种保护、外部引线简洁、抗干扰能力强的特点，该电路模块采用TTL电平控制正反转，并具有温度补偿和堵转保护功能，非常适用于高功率密度比驱动装置中。

CAN总线通讯单元由驱动器CAN通信单元和CAN发送器组成，负责控制器数据的发送和接受。CAN通讯主要包括多台驱动器之间的通信以及主机与驱动器之间的通讯。

上位机单元是采用普通计算机，它用来设计驱动器参数，主要包括设置控制器PID参数、电机转速、额定电压、电机阻抗等。同时，该系统能实时监测电机电枢电压、电流、位置、转速等信息。

整个装置的工作过程是：

当登录上位机的软件后，根据电机的类型，手动或自动设定驱动器控制PID参数、驱动器运行模式等。设定各项参数后，驱动器就能依据主控制器发送的指令参数自动运行，从而驱动直流有刷电机。如果是多驱动器协同工作，可以分别设定各驱动器主从模式，实现电机网络化控制。

Claims

1.一种面向直流有刷伺服电机的高功率密度智能驱动器，其特征在于：它包括基于DSP的智能控制及处理单元，数据采集单元、智能控制输出单元、数据存储单元和下位机CAN总线通讯网络连接，下位机CAN总线通讯网络连接与CAN总线通讯网络连接，CAN总线通讯网络与上位机CAN总线通讯单元连接，上位机CAN总线通讯单元与系统参数设置单元连接。