CN103762909A - 一种模块组合式多通道交流驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块组合式多通道交流驱动器，包括若干整流模块、若干逆变模块、若干电流检测模块、辅助模块和识别模块。整流模块用于将交流电转换为直流母线电压；逆流模块用于将直流母线电压转换为交流电；电流检测模块用于通过辅助模块进行电流转换；识别模块通过I2C总线与控制器通讯。其中，整流模块的数量、逆变模块的数量和电流检测模块的数量是根据交流驱动器驱动的电机来确定的；并且，逆变模块和电流检测模块是配套使用的。本发明的交流驱动器可以同时驱动多个伺服电机，各个模块根据具体需要进行组合。本发明的交流驱动器体积小、精度高、成本低，且适用于多种应用，方便系统集成。

Description

一种模块组合式多通道交流驱动器

技术领域

本发明涉及一种运动控制领域的交流伺服驱动器，尤其涉及一种模块组合式多通道交流驱动器。

背景技术

交流驱动器广泛应用于数控机床、电子元器件封装、工业机器人、国防航空航天等领域。随着各个领域的发展，各种应用对交流伺服系统的要求也越来越高，对伺服系统设计的小型化、高性能、通用性等也都提出了新的挑战。传统的交流伺服驱动方式，往往是一个电机对应一个驱动器，不能够同时驱动多个电机，而且会重复包含整流电容、制动电阻等体积较大产热较多的元件，会造成元件的重复浪费、成本增加、占地空间较大等问题。

例如，中国专利申请号为200880013881.3，名称为“电机驱动器”的专利公开了一种可利用低电压电源进行驱动的驱动器，该驱动器仅适用于驱动一个电机的情况。因此，在需要同时驱动多个电机的情况时，便需要采用多个驱动器，未能解决同时驱动多电机问题。

当然，现在也有能够针对多轴的驱动器。大部分是针对特定应用而设计的，不能适应被控电机数目及功率的变化，通用性较差。例如，专利申请号为200610087190.0，名称为“三合一的交流伺服驱动器”的专利，公开了了一种可连接多台马达的驱动器。但该发明的交流伺服驱动器中没有采用智能功率器件，需要额外的制动单元释放电源总线上的能量，会产生额外的热量，并增加驱动器体积。并且该专利中的各个模块并不是组合式的，不能够针对不同应用快速替换或增加模块，通用性较差。

此外，专利申请号为200310116133.7，名称为“多轴数控处理系统”的专利中，还公开了一种具有多块驱动线路板的数字控制处理系统，但该系统中采用的是霍尔传感器对电流进行检测，因此该系统体积较大，检测精度较低，不适合高性能伺服场合。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种多通道交流驱动器，采用模块组合式设计，针对不同电机的数目和功率，同时驱动多个电机。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种采用模块组合式设计的多通道交流驱动器，同时驱动可自由变更数目和功率的电机。

为实现上述目的，本发明提供了一种模块组合式多通道交流驱动器，其特征在于，包括若干整流模块、若干逆变模块、若干电路检测模块、辅助模块和识别模块；

所述辅助模块包括ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换)电路、芯片低压供电电路和控制器接口电路；所述ADC电路将电路检测模块发出的模拟信号转换为数字信号，所述芯片低压电路用于给各个芯片供电。所述ADC电路与所述整流模块和所述电流检测模块连接；所述控制器接口电路传输信号至控制器；所述辅助模块还与所述识别模块连接；

所述整流模块用于将单相或三相交流电转换为直流母线电压，所述整流模块与所述辅助模块的所述ADC电路相连，所述整流模块带动若干所述逆变模块；

所述逆变模块用于将直流母线电压转换为交流电，所述逆变模块与所述辅助模块相连；所述逆变模块与所述电流检测模块配对使用，并且彼此配对的所述逆变模块和所述电流检测模块相互连接；

所述电流检测模块用于根据其所需驱动的电机，通过所述辅助模块进行电流的转换，所述电流检测模块与所述辅助模块的所述ADC电路相连；

所述识别模块与所述辅助模块相连，所述识别模块通过I2C总线与所述控制器通讯。

进一步地，所述整流模块的数量根据所述交流驱动器驱动的电机的总功率确定；所述逆变模块的数量和所述电流检测模块的数量一样，且所述逆变模块的数量和所述电流检测模块的数量根据所述交流驱动器驱动的电机数量确定。

进一步地，所述控制器接口电路的传输信号包括PWM（Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制）信号、I2C（Inter-Integrated Circuit）信号、过流报警信号、低电压直流电源。

进一步地，所述整流模块包括母线分压电阻和光电耦合放大器，所述整流模块通过所述母线分压电阻和所述光电耦合放大器对母线电压进行采集并发送至所述辅助模块的所述ADC电路。

进一步地，所述逆变模块包括智能功率器件、自举电路和PWM输入电路；所述智能功率器件具有栅极驱动、短路保护和过流过热保护电路。

进一步地，所述电流检测模块包括三组功率电阻和光电耦合放大器；所述功率电阻是可更换的，且所述功率电阻与所述交流驱动器驱动电机的电流相匹配。并且，所述整流模块的所述光电耦合放大器和所述电流检测模块的所述光电耦合放大器均采用线性光电耦合放大器。

进一步地，所述电流检测模块还包括电压比较电路，用于实现过流报警。

进一步地，所述识别模块包括I2C总线扩展芯片，所述I2C总线扩展芯片根据所述交流驱动器驱动的电机数目和电机功率进行编码。I2C总线扩展芯片通过跳线将各I/O（Input/Output输入输出）口设置为高电平或低电平输出以进行编码，编码是根据当前驱动器可驱动轴数及电机功率而定的，这样识别模块便可以通过I2C总线与控制器通讯，将控制器需要控制的电机信息通过辅助模块上的控制器接口发送至控制器上。

进一步地，所述交流驱动器还包括外壳，以起到对交流驱动器保护和散热的作用。

在本发明的一个较佳实施例中，为了使交流驱动器的散热效果更好，所述外壳采用铝合金制造，且配有风扇。

本发明的一种模块组合式多通道交流驱动器可以同时驱动多个电机，并且电机的数目和功率可以自由变更，通用性较好，节约了成本，节省了占地面积，方便系统的集成。其次，相较于传统的交流伺服驱动器，通常重复包含大电容、制动电阻等体积较大、产热较多的元件，而本发明公开的一种模块组合式多通道交流驱动器，采用模块组合式设计，整合了传统方式中可以公用的元器件，避免了重复浪费。并且，本发明采用了智能功率元件和线性光电耦合放大器等体积小、精度高的元器件，这样能够有效减小交流驱动器的体积，提高交流驱动器的性能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种模块组合式多通道交流驱动器的一个较佳实施例结构示意图；

图2是本发明的一种模块组合式多通道交流驱动器的逆变模块的结构示意图；

图3是本发明的一种模块组合式多通道交流驱动器的电流检测模块的结构示意图；

图4是本发明的一种模块组合式多通道交流驱动器的识别模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的一种模块组合式多通道交流驱动器具体如图1所示，包括若干整流模块、若干逆变模块、若干电路检测模块、辅助模块4和识别模块5。在本实施例中，整流模块为两个，分别是整流模块11和整流模块12；每一个整流模块可以带动四个逆变模块。逆变模块包括两组，分别是逆变模块211至214和逆变模块221至224。电路检测模块和逆变模块配套使用，也包括两组：电流检测模块311至314和电流检测模块321至324。此外，交流驱动器还包含用于散热和保护的外壳6。

如图1所示，辅助模块4包括ADC电路41、控制器接口电路42和芯片低压供电电路43。ADC电路41用于将电路检测模块发出的模拟信号转换为数字信号；芯片低压供电电路43负责给各个芯片供电；控制器接口电路42用于传输PWM信号、I2C信号、过流报警信号以及低压电源。在本实施例中，ADC电路41采用芯片ADC78H89，该芯片有7通道，可以根据轴数选用1片、2片或3片。芯片低压供电电路43的电压，如+5V或+24V，可以直接从控制板上引出；对供电给逆变模块的智能功率器件的+15V的隔离电源，采用隔离开关的方法获得。

如图1所示，单相或三相交流电输入至整流模块11和12当中，整流模块11的输出分为两路，一路输出至逆变模块211、…、逆变模块214；另一路输出至辅助模块4的ADC电路41；整流模块12的输出也分为两路，一路输出至逆变模块221、…、逆变模块224；另一路输出至辅助模块4的ADC电路41。逆变模块与电流检测模块相互配对使用，每一个逆变模块分别与对应的电流检测模块以及辅助模块4相连。每一个电流检测模块与对应的逆变模块以及辅助模块4的ADC电路41相连。辅助模块4的控制器接口电路42与控制器连接。识别模块5与辅助模块4连接。

整流模块的输入为单相或三相交流电，经过桥式整流后，交流电转换为相应的直流电，且整流模块包括母线分压电阻和光电耦合放大器，以用于实现对直流母线电压的检测。在具体的实施方式当中，根据功率需要和电机数目来确定整流模块的使用数量。在本实施例中，整流模块11可以带动4个逆变模块，即逆变模块211、…、逆变模块214；同样地，整流模块12也可以带动4个逆变模块，即逆变模块221、…、逆变模块224。

逆变模块用于将直流电转换为电机所需要的交流电，具体如图2所示，包括PWM输入电路、智能功率器件、自举电路和其它辅助电路。在本实施例中，逆变模块采用型号为IRAMX20UP60A的智能功率器件，该智能功率器件集成了开关元件、IR控制芯片和驱动电路等等。如图2所示，PWM信号经过光耦光电隔离输入至智能功率器件相应的引脚，并辅助自举电路和其它辅助电路，输出电机所需的交流电至电机。逆变模块的数目是根据系统需要驱动的电机数目来确定的。

电流检测模块包括三组功率电阻、光电耦合放大器和电压比较器。如图3所示，三组功率电阻分别串联在电机U、V和W相上：与电机U相串联的功率电阻为31a；与电机V相串联的功率电阻为32a；与电机W相串联的功率电阻为33a。三组功率电阻31a、32a和33a上的压降分别通过对应的光电耦合放大器，即31b、32b和33b，从而得到与电流成比例的电压值，所得的电压通过电压比较器34进行检测比较，一旦电流过大，则输出报警信号。此外，对于一个电机，只需要将U、V和W三相中的任意两相对应的电压输送至ADC电路41。在本实施例中，输送至ADC电路41的电压为U相和V相。并且，电流检测模块的光电耦合放大器31b、32b和33b采用HCPL7520，其中，HCPL7520的输入电压范围为-200mV至+200mV，输出电压范围为0至5V。电流检测模块的数目和类型根据系统需要驱动的电机数目和电流峰值来确定。

识别模块5如图4所示，包括I2C总线扩展芯片，通过跳线将各I/O口设置为高电平或低电平输出进行编码：跳线接VCC时，I/O口设置为高电平，编码为1；跳线接GND时，I/O口设置为低电平，编码为0。编码是根据当前驱动器可驱动的轴数及电机功率而定的。识别模块5通过I2C总线与控制器通讯，将控制器需要控制的电机信息通过辅助模块4上的控制器接口电路42发送至控制器上。在本实施例中，识别模块5采用型号为PCA9554的I2C输入输出扩展芯片，输入的高低电平通过跳线进行选择，通过输入的高低电平进行编码，控制器可以判断当前驱动器所能驱动轴数和各轴额定电流值，从而进行相应的控制。

在本实施例中，负责保护和散热作用的外壳6采用铝合金制作，并且，根据散热的需要，外壳6上还配有+24V供电的风扇。

在采用本实施例的交流驱动器驱动最大电流为10A的两个电机，交流驱动器选用一个整流模块、两个逆变模块、两个电流检测模块、一个辅助模块和一个识别模块。整流模块根据电机的具体功率进行配置；电流检测模块中的功率电阻选用0.02Ω，以保证HCPL7520的输入范围在-200mV至+200mV之间；识别模块的编码定义为0-1位为1，其余2-7位为0，这样通过I2C总线控制器可以得到需要控制的轴数和电流信息；辅助模块需要一个ADC电路对四路电流和一路母线电压进行转换，控制器接口电路需要两路PWM信号接口、两路报警信号接口和其它直流电源信号等。

在采用本实施例的交流驱动器驱动四轴伺服电机，其中两个最大电流为10A，另外两个最大电流为20A时，交流驱动器选用一个功率较大的整流模块、四个逆变模块、四个电流检测模块、一个辅助模块和一个识别模块。根据伺服电机的具体功率配置整流模块；四个电流检测模块当中，两个电流检测模块的功率电阻选用0.02Ω，两个个电流检测模块的功率电阻选用0.01Ω，这样保证了HCPL7520的输入范围在-200mV至+200mV之间；识别模块的编码定位为0-3位为1，其余4-7位为0，这样通过I2C总线控制器边可以得到需要控制的轴数和电流信息。辅助模块需要两个ADC电路对八路电流和一路母线电压进行转换，控制器接口电路需要四路PWM信号接口、四路报警信号接口和其它直流电源信号等。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模块组合式多通道交流驱动器，其特征在于，包括若干整流模块、若干逆变模块、若干电路检测模块、辅助模块和识别模块；

所述辅助模块包括ADC电路、芯片低压供电电路和控制器接口电路；所述芯片低压电路用于给各个芯片供电；所述ADC电路与所述整流模块和所述电流检测模块连接；所述控制器接口电路传输信号至控制器；所述辅助模块还与所述识别模块连接；

所述整流模块用于将单相或三相交流电转换为直流母线电压，所述整流模块与所述辅助模块的所述ADC电路相连，所述整流模块带动若干所述逆变模块；

所述逆变模块用于将直流母线电压转换为交流电，所述逆变模块与所述辅助模块相连；所述逆变模块与所述电流检测模块配对使用，并且彼此配对的所述逆变模块和所述电流检测模块相互连接；

所述电流检测模块用于通过所述辅助模块进行电流的转换，所述电流检测模块与所述辅助模块的所述ADC电路相连；

所述识别模块与所述辅助模块相连，所述识别模块通过I2C总线与所述控制器通讯。

2.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述整流模块的数量根据所述交流驱动器驱动的电机的总功率确定；所述逆变模块的数量和所述电流检测模块的数量一样，且所述逆变模块的数量和所述电流检测模块的数量根据所述交流驱动器驱动的电机数量确定。

3.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述控制器接口电路的传输信号包括PWM信号、I2C信号、过流报警信号、低电压直流电源。

4.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述整流模块包括母线分压电阻和光电耦合放大器，所述整流模块通过所述母线分压电阻和所述光电耦合放大器对母线电压进行采集并发送至所述辅助模块的所述ADC电路。

5.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述逆变模块包括智能功率器件、自举电路和PWM输入电路；所述智能功率器件具有栅极驱动、短路保护和过流过热保护电路。

6.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述电流检测模块包括三组功率电阻和光电耦合放大器；所述功率电阻是可更换的，且所述功率电阻与所述交流驱动器驱动电机的电流相匹配。

7.如权利要求6所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述电流检测模块还包括电压比较电路，用于实现过流报警。

8.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述识别模块包括I2C总线扩展芯片，所述I2C总线扩展芯片根据所述交流驱动器驱动的电机数目和电机功率进行编码。

9.如权利要求1所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述交流驱动器还包括外壳。

10.如权利要求9所述的模块组合式多通道交流驱动器，其中，所述外壳采用铝合金制造，且配有风扇。

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