CN104300870A - 一种直线电机驱动器 - Google Patents

Abstract

一种直线电机驱动器，包括TMS320F28335处理器、整流滤波模块、IPM模块、驱动模块、故障检测与保护模块、电流反馈单元、位置和速度反馈单元、电源模块、通信模块、状态指示单元、24V数字I/O接口、三相380V交流电源以及24V直流供电电源，所述24V直流供电电源的输出端与电源模块连接；TMS320F28335处理器的输出端与故障检测与保护模块、驱动模块、24V数字I/O接口、通信模块双向连接，与状态指示单元连接单向连接。本发明具有丰富的定位控制功能，支持脉冲、USB、RS232及现场总线多种控制方式，可以实现对直线电机精准的位置控制，适用于工业环境下的系统集成。

Description

一种直线电机驱动器

技术领域

本发明属于电机驱动技术领域，特别是涉及到一种直线电机驱动器。

背景技术

近年来，随着超高速切削、超精密加工等先进制造技术的发展，对机床各项性能指标提出了越来越高的要求。同时也对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动力、快速进给速度和极高的快速定位精度。高速度、高加速度和高精度是现代数控伺服驱动的要求及发展趋势。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置，具有高精度、高速度和“零传动”特性，配合直线电机驱动器可以实现精准的位置控制及丰富的定位控制，因此直线电机及其驱动系统正在成为高档数控机床的重要功能部件，是高端数控设备未来的发展趋势，但是我国目前自主研制的直线电机驱动器在控制精度、响应速度方面与国外著名企业存在较大差距，且已成为制约我国发展高精度数控系统产业的瓶颈问题。传统的直线电机驱动器控制板采用DSP和CPLD两个芯片，DSP主要完成矢量变换、PID控制算法，CPLD主要完成逻辑处理，电路过于复杂导致驱动器控制板成本高、结构布局与走线难度大。TMS320F28335是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点数字信号处理器。与以往的定点DSP相比，该器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、A/D转换更精确快速等特点，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC，与前代DSP相比，平均性能提高50％，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。但是将TMS320F28335作为电机驱动主芯片的设计目前还并未完善。因此，现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种直线电机驱动器，具有丰富的定位控制功能，支持脉冲、USB、RS232及现场总线多种控制方式，可以实现对直线电机精准的位置控制，并支持CAN总线和Ether-CAT总线，适用于工业环境下的系统集成。

一种直线电机驱动器，包括TMS320F28335处理器、整流滤波模块、IPM模块、驱动模块、故障检测与保护模块、电流反馈单元、位置和速度反馈单元、电源模块、通信模块、状态指示单元、24V数字I/O接口、三相380V交流电源以及24V直流供电电源，所述24V直流供电电源的输出端与电源模块连接；所述电源模块的输出端与TMS320F28335处理器连接；所述TMS320F28335处理器的输出端与故障检测与保护模块、驱动模块、24V数字I/O接口、通信模块双向连接，与状态指示单元连接单向连接；所述三相380V交流电源的输出端与整流滤波模块连接，整流滤波模块的输出端与IPM模块连接，所述IPM模块的输出端与直线电机和电流反馈单元连接，IPM模块与驱动模块双向连接，所述驱动模块与故障检测与保护模块双向连接；所述电流反馈单元的输出端与TMS320F28335处理器连接；所述直线电机的输出端与位置和速度反馈单元连接，所述位置和速度反馈单元的输出端与TMS320F28335处理器连接；

所述TMS320F28335处理器包括电源电路、复位电路、JTAG调试电路、外部扩展16位存储空间为512KB的静态随机存储器SRAM、外部扩展1MB的Flash，所述外部扩展16位存储空间为512KB的静态随机存储器SRAM直接与TMS320F28335处理器的地址总线和数据总线连接；

所述整流滤波模块将三相380V交流电整流成540V直流电并滤除杂波，为IPM模块提供大功率直流电源；

所述IPM模块将整流滤波模块提供的540V直流电逆变成直线电机需要的电压幅值和频率都可变的三相交流电，IPM的输出是由驱动模块的控制信号控制的，内部集成有过电压、过电流和过热故障检测电路，并可将检测信号送到CPU，它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏；

所述驱动模块将数字信号TMS320F28335处理器输出3.3V的PWM信号转换为驱动IPM模块的控制信号所需要的电平；

所述故障检测与保证模块的功能是检测过压、欠压、过流、超速、制动异常、位置超差、IPM过热及编码器故障，在检测到这些故障时向TMS320F28335处理器反馈故障信号，并启动驱动器保护机制；

所述电流反馈单元提供电流传感器接口。通过检测电流传感器的信号实时检测驱动器输出电流大小并反馈到TMS320F28335处理器的A/D转换接口，TMS320F28335处理器将输入的模拟信号转换成数字信号并进行矢量变换和电流环控制；

所述位置和速度反馈单元采集到直线电机的实时位置和速度信号，并传递给TMS320F28335处理器进行位置和速度控制；

所述电源模块为所述各个模块提供直流电源，提供电源的电压等级为15V、5V、7.2V、3.3V、1.9V和2.048V。

所述位置和速度反馈单元包括SSI编码器接口电路、正余弦编码器接口电路以及编码器电源电路，所述正余弦编码器接口电路与TMS320F28335处理器的ADC引脚联通，正余弦编码器接口采用差分放大输入电路，SSI编码器接口使用TMS320F28335的多通道串行接口通过软件配置的SSI协议接口。

所述通信模块包括控制器局域网络CAN、Ether-CAT网络协议、RS232接口以及USB2.0接口，所述CAN总线通信具有高性能和高可靠性，实现分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据通信；所述Ether-CAT网络协议实现系统的实时信号传输和精确位置控制。

所述状态指示单元上设置有5个颜色各不相同的LED指示灯。

所述24V数字I/O接口包括6通道数字输入接口和4通道数字输出接口。

所述24V数字I/O接口内部设置有光耦隔离器。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种直线电机驱动器，具有丰富的定位控制功能，支持脉冲、USB、RS232及现场总线多种控制方式，可以实现对直线电机精准的位置控制，并支持CAN总线和Ether-CAT总线，适用于工业环境下的系统集成。通信模块内置的Ether-CAT网络协议运动控制总线及先进伺服驱动器所具备的智能保护功能，包括过压保护、欠压保护、过流保护、超速保护、过载保护、制动异常提示、位置超差及编码器故障提示功，Ether-CAT通讯规范的设计与多种运动控制器完美结合，体现机械自动化领域高速同步的应用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种直线电机驱动器总体系统流程示意图。

图2为本发明位置和速度反馈单元正余弦磁栅尺差分输入电路图。

图3为本发明直流母线电压检测电路图。

图4为本发明编码器电源电路图。

图5为本发明TMS320F28335处理器最小系统电路图。

图6为本发明USB接口电路图。

图7为本发明Ether-CAT通信接口电路图。

图8为本发明24V数字I/O接口电路图。

其中1-TMS320F28335处理器、2-整流滤波模块、3-IPM模块、4-驱动模块、5-故障检测与保护模块、6-电流反馈单元、7-位置和速度反馈单元、8-电源模块、9-通信模块、10-状态指示单元、11-24V数字I/O接口、12-三相380V交流电源、13-24V直流供电电源、14-直线电机。

具体实施方式

本发明是一种直线电机驱动器，本发明公开的直线电机驱动器主要由TMS320F28335处理器(1)、整流滤波模块(2)、IPM模块(3)、驱动模块(4)、故障检测与保护模块(5)、电流反馈单元(6)、位置和速度反馈单元(7)、电源模块(8)、通信模块(9)、状态指示单元(10)和24V数字I/O接口(11)组成，为使本发明的结构特点、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，为本发明的总体系统框图，本发明的驱动器的核心控制处理器为TMS320F28335处理器(1)，TMS320F28335处理器(1)接收电流反馈单元(6)和位置和速度反馈单元(7)提供的的电流、位置、速度数据通过矢量变换和PID闭环控制，然后提供控制信号给驱动模块(4)，驱动模块(4)将控制信号放大后驱动IPM模块(3)输出直线电机所需的电压和电流，同时TMS320F28335(1)可以通过故障检测与保护模块(5)传送回来的信号判断驱动器工作是否正常并通过状态指示单元(10)显示，若发生故障可立即关断IPM模块(3)输出，可以避免驱动器各模块收到损坏，TMS320F28335(1)还与通信模块(9)连接可以实现与上位机通信，TMS320F28335(1)还扩展了24V数字I/O接口(11)，用于脉冲控制。在使用时IPM模块(3)输出连接到直线电机(14)，电源供电需要三相380V交流电(12)和24V直流供电电源(13)。

TMS320F28335处理器(1)是本发明的核心处理器，图5为TMS320F28335处理器(1)的最小系统电路图，包括电源电路、复位电路、JTAG调试电路、外部扩展16位存储空间为512KB的SRAM、外部扩展1MB的Flash，电源电路、复位电路和JTAG调试电路是TMS320F28335工作时必需电路，外部扩展16位存储空间为512KB的SRAM是因为本发明的算法复杂、程序量大，外部扩展SRAM可以保证程序有足够的运行空间，本电路外部扩展的SRAM直接与TMS320F28335处理器(1)的地址总线和数据总线连接，访问速度快，外部扩展1MB的Flash是为了存储驱动器的配置参数和用户程序。

故障检测与保护模块(5)包括过压、欠压保护电路部分、过流和IPM过热检测部分，以及超速、制动异常、位置超差、及编码器故障处理部分，过压、欠压保护电路部分是通过检测直流母线电压判断直流母线电压是否在正常工作范围内，当电压过高时启动制动电阻降低直流母线电压，当电压过低时报警并关闭驱动输出，如图3所示为直流母线电压检测电路图，过流和IPM过热检测部分通过检测IPM的过流和过热反馈信号判断是否过流或过热，超速、制动异常、位置超差、及编码器故障属于软件部分，在程序执行过程中可以对超速、制动异常、位置超差、及编码器故障进行判断并报警。

位置和速度反馈单元(7)包括SSI编码器接口、正余弦编码器接口和编码器电源电路，TMS320F28335处理器(1)的多通道串行接口可以兼容SSI协议，SSI编码器电路直接连接到TMS320F28335处理器(1)的多通道串行接口上实现对支持SSI协议的编码器，如图2所示，正余弦编码器接口通过差分电路将正余弦差分信号采集并传送到TMS320F28335处理器(1)的ADC引脚，图4所示为编码器电源电路，通过此电源电路可以为编码器提供稳定的5V直流电源。

通信模块(9)提供CAN、Ether-CAT、RS232和USB2.0四种通讯接口，因为TMS320F28335处理器(1)内部支持CAN协议，因此只要在TMS320F28335处理器(1)的CAN协议引脚添加CAN总线收发器芯片皆可实现CAN总线通信，同时TMS320F28335具有串行接口，通过TMS320F28335处理器(1)的串行接口连接RS232转换芯片MAX3232即可实现RS232通信，图6所示为USB2.0接口电路，USB2.0接口通过中间转换芯片完成USB2.0协议通信，图7所示为Ether-CAT通信接口电路，采用倍福公司的Ether-CAT控制板，通过TMS320F28335处理器(1)的数据总线和地址总线与倍福公司的Ether-CAT控制板连接实现对Ether-CAT协议的支持。

如图8所示为24V数字I/O接口电路(11)，包括6通道数字输入接口和4通道数字输出接口，本发明所提供的24V数字I/O接口电路(11)均有有光耦隔离，提高了系统的抗干扰能力，并且以为TMS320F28335处理器(1)的I/O接口资源有限，本方案采用I2C总线扩展I/O的方法，大大节省了TMS320F28335处理器(1)的资源。

以上所述是本发明的优选实时方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明原理的前提下可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种直线电机驱动器，其特征是：包括TMS320F28335处理器(1)、整流滤波模块(2)、IPM模块(3)、驱动模块(4)、故障检测与保护模块(5)、电流反馈单元(6)、位置和速度反馈单元(7)、电源模块(8)、通信模块(9)、状态指示单元(10)、24V数字I/O接口(11)、三相380V交流电源(12)以及24V直流供电电源(13)，所述24V直流供电电源(13)的输出端与电源模块(8)连接；所述电源模块(8)的输出端与TMS320F28335处理器(1)连接；所述TMS320F28335处理器(1)的输出端与故障检测与保护模块(5)、驱动模块(4)、24V数字I/O接口(11)、通信模块(9)双向连接，与状态指示单元(10)连接单向连接；所述三相380V交流电源(12)的输出端与整流滤波模块(2)连接，整流滤波模块(2)的输出端与IPM模块(3)连接，所述IPM模块(3)的输出端与直线电机(14)和电流反馈单元(6)连接，IPM模块(3)与驱动模块(4)双向连接，所述驱动模块(4)与故障检测与保护模块(5)双向连接；所述电流反馈单元(6)的输出端与TMS320F28335处理器(1)连接；所述直线电机(14)的输出端与位置和速度反馈单元(7)连接，所述位置和速度反馈单元(7)的输出端与TMS320F28335处理器(1)连接；

所述TMS320F28335处理器(1)包括电源电路、复位电路、JTAG调试电路、外部扩展16位存储空间为512KB的静态随机存储器SRAM、外部扩展1MB的Flash，所述外部扩展16位存储空间为512KB的静态随机存储器SRAM直接与TMS320F28335处理器(1)的地址总线和数据总线连接；

所述整流滤波模块(2)将三相380V交流电整流成540V直流电并滤除杂波，为IPM模块(3)提供大功率直流电源；

所述IPM模块(3)将整流滤波模块(2)提供的540V直流电逆变成直线电机需要的电压幅值和频率都可变的三相交流电，IPM的输出是由驱动模块的控制信号控制的，内部集成有过电压、过电流和过热故障检测电路，并可将检测信号送到CPU，它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏；

所述驱动模块(4)将数字信号TMS320F28335处理器(1)输出3.3V的PWM信号转换为驱动IPM模块(3)的控制信号所需要的电平；

所述故障检测与保证模块(5)的功能是检测过压、欠压、过流、超速、制动异常、位置超差、IPM过热及编码器故障，在检测到这些故障时向TMS320F28335处理器(1)反馈故障信号，并启动驱动器保护机制；

所述电流反馈单元(6)提供电流传感器接口。通过检测电流传感器的信号实时检测驱动器输出电流大小并反馈到TMS320F28335处理器(1)的A/D转换接口，TMS320F28335处理器(1)将输入的模拟信号转换成数字信号并进行矢量变换和电流环控制；

所述位置和速度反馈单元(7)采集到直线电机(14)的实时位置和速度信号，并传递给TMS320F28335处理器(1)进行位置和速度控制；

所述电源模块(8)为所述各个模块提供直流电源，提供电源的电压等级为15V、5V、7.2V、3.3V、1.9V和2.048V。

2.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动器，其特征是：所述位置和速度反馈单元(6)包括SSI编码器接口电路、正余弦编码器接口电路以及编码器电源电路，所述正余弦编码器接口电路与TMS320F28335处理器(1)的ADC引脚联通，正余弦编码器接口采用差分放大输入电路，SSI编码器接口使用TMS320F28335的多通道串行接口通过软件配置的SSI协议接口。

3.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动器，其特征是：所述通信模块(9)包括控制器局域网络CAN、Ether-CAT网络协议、RS232接口以及USB2.0接口，所述CAN总线通信具有高性能和高可靠性，实现分布式控制系统各节点之间实时、可靠的数据通信；所述Ether-CAT网络协议实现系统的实时信号传输和精确位置控制。

4.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动器，其特征是：所述状态指示单元(10)上设置有5个颜色各不相同的LED指示灯。

5.根据权利要求1所述的一种直线电机驱动器，其特征是：所述24V数字I/O接口(11)包括6通道数字输入接口和4通道数字输出接口。

6.根据权利要求1、5所述的一种直线电机驱动器，其特征是：所述24V数字I/O接口(11)内部设置有光耦隔离器。