CN106230342B - 一种板级驱动控制器 - Google Patents

Abstract

一种新型通用控制驱动电路板及驱动控制器，控制驱动电路板包括DSP芯片、给DSP芯片供电的电源芯片、电压电流位置检测电路、PWM输出及保护电路、通信转换模块、CPLD电路、旋变解码模块以及5个连接器K‑CRM1、K‑CRM3、K‑CRM4、K‑CRM5、K‑CRM6，其中K‑CRM3放在通用控制驱动电路板的一侧，K‑CRM5和K‑CRM6放在与K‑CRM3相对的另一侧，K‑CRM1放在与K‑CRM3垂直的一侧，K‑CRM4放在与K‑CRM1相对的另一侧；K‑CRM3接口作为28V、+12V、‑12V、+5V、+5V隔离电源的输入接口，将电源送至电源芯片。本发明将控制驱动器拆分为控制器和驱动器，控制器和驱动器均可产品级通用；通用控制驱动电路板通用性强，能满足多种型号需求，可板级通用。

Description

一种板级驱动控制器

技术领域

本发明涉及机电伺服领域，具体涉及直线式机电伺服机构。

背景技术

在箭载、战略、战术武器型号的飞行控制系统中，机电伺服系统调整飞行器姿态。机电伺服系统以体积小、简单可靠、使用维护方便、工艺性好、易于控制等优势获得越来越多人的关注和认可。

机电伺服系统主要包括电源、控制驱动器、永磁无刷电机、作动器，电源供给控制驱动器直流电，控制驱动器接收位置指令，同时将直流电逆变为三相交流电驱动永磁无刷电机旋转，作动器将旋转运动转换为直线运动推动舵轴或喷管，同时，永磁无刷电机旋转变压器和作动器线位移传感器的信号回传给控制驱动器，以实现闭环控制。

控制驱动器实现的功能主要有：指令接收转换、二次电源变换、直流逆变、信号回测。

传统的控制驱动器将上述四大功能划分为两部分：直流逆变的功率部分，指令接收转换、二次电源变换、信号回测的控制部分，该种控制驱动器问题为：通用性差、无法面临种类繁多各异的型号需求；电源和信号板级集成的电磁兼容问题，使得小型化精细化设计无法实现；故障排除困难，且易出现塌方式故障。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种直线电机直接驱动式电动执行机构，通过动子与变质心质量块一体化设计、碳膜润滑直线轴承+滑轨的固定形式，解决了传统的直线电机伺服机构端部效应和力矩波动问题，同时，满足复杂的变负载和动态工况。

本发明的技术解决方案是：一种新型通用控制驱动电路板，包括DSP芯片、给DSP芯片供电的电源芯片、电压电流位置检测电路、PWM输出及保护电路、通信转换模块、CPLD电路、旋变解码模块以及5个连接器K-CRM1、K-CRM3、K-CRM4、K-CRM5、K-CRM6，其中K-CRM3放在通用控制驱动电路板的一侧，K-CRM5和K-CRM6放在与K-CRM3相对的另一侧，K-CRM1放在与K-CRM3垂直的一侧，K-CRM4放在与K-CRM1相对的另一侧；K-CRM3接口作为28V、+12V、-12V、+5V、+5V隔离电源的输入接口，将电源送至电源芯片；

当电路板实现驱动功能时，DSP芯片通过旋变解码模块和K-CRM1接口向电机发送激磁信号，电机反馈的信号通过K-CRM1接口输入至旋变解码模块，由旋变解码模块进行解算，得到电机位置信号发送至DSP芯片；K-CRM5接口将外部输入的直流母线电压、电机相电流、机构位置检测信号输入给电压电流位置检测电路，电压电流位置检测电路进行直流母线电压、电机相电流、机构位置检测，将检测到的信号输入给DSP芯片；DSP信号根据上述反馈的信号结合指令信息控制PWM输出及保护电路产生PWM信号输入至外部；

当电路板实现控制功能时，通过K-CRM4接收上层指令信息，通过通信转换模块将接收的上层指令信息转换为DSP能够识别的信息，由DSP芯片将该指令信息经过总线通信模块发送给驱动器；同时，K-CRM4接收驱动器内电路板DSP发送的异常信息，经通信转换模块发送给DSP，DSP控制CPLD电路发出控制逻辑，通过K-CRM4输出至相应的与电机轴串联的电磁锁。

当需要驱动两个电机时，在与K-CRM1同侧的位置设置与电机数量一致的连接器，每个连接器与一个旋变解码模块连通，相应的，PWM输出及保护电路、K-CRM6的数量与电机数量保持一致。

所述的通信转换模块为1553B通信转换模块和或CAN总线通信转换模块。

一种新型板级驱动控制器，包括一个控制器和一个驱动器；其中控制器包括三块权利要求1所述的通用控制驱动电路板、一块电源板以及控制器壳体；控制器中的通用控制驱动电路板连通的是权利要求1中实现控制功能的相应器件；电源板和通用控制驱动电路板安装在控制器壳体内，驱动器包括两个权利要求1所述的通用控制驱动电路板，一块驱动板、驱动器壳体、功率器件；驱动器中的通用控制驱动电路板连通的是权利要求1中实现驱动功能的相应器件；

驱动器中的通用控制驱动电路板上的K-CRM5接收驱动器中驱动板的检测信号，K-CRM6将PWM信号输入至驱动板，驱动板将PWM信号驱动放大后输入给相应的功率器件以控制功率器件的通断，从而实现直流电到三相交流电的变换；

电源板外部设置十个连接器，内部集成三路相同的电源转换模块、电机锁表决动作电路、CAN二级总线拓扑结构；三个连接器D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3和两个连接器D-CRM4、D-CRM5设置在电源板的同一侧，通过D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3将转换后的电压输出至控制器内三块通用控制驱动电路板K-CRM3；

通过D-CRM4、D-CRM5将转换后的电压输出至驱动器内的两块通用控制驱动电路板K-CRM3；

连接器D-CRM6设置在电源板与D-CRM2相对的一侧，用于接收控制器内三个电路板K-CRM4输出的CAN总线信号，将总线信号经过CAN二级总线拓扑结构6后再通过与D-CRM6同侧的D-CRM7输出至驱动器内电路板K-CRM4；

连接器D-CRM8设置在电源板与D-CRM5垂直的一侧，三个电源转换模块通过连接器D-CRM8接收外部输入的28V电源4并进行转换；

D-CRM9设置在电源板与CRM5垂直的一侧，用于接收控制器内三个通用控制驱动电路板K-CRM4输出的锁电机控制信号，接收的锁电机控制信号经电机锁表决动作电路三取二表决后，放大后经设置在D-CRM9同侧的D-CRM10输出锁电机动作指令至电磁锁。

电源板安装控制器壳体内的底层，三个通用控制驱动电路板分三层安装在电源板上方，最底层的电路板与电源板之间水平错开至少10mm，电源板上D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3、D-CRM4、D-CRM5与通用控制驱动电路板上K-CRM3同侧。

所述的控制器壳体为内壁为带一个台阶面的构型，台阶面上加工螺纹孔，安装完底层电源板后，通过底层连接螺柱将一层金属板固定在台阶面上，底层连接螺柱上端设置内螺纹孔，金属板上安装一个通用控制驱动电路板；然后再通过一个中间层连接螺柱将中间层金属板固定在底层连接螺柱上，金属板上安装一个通用控制驱动电路板；依此逐层安装完成所有的通用控制驱动电路板。

控制器壳体底部设置散热槽。

在控制器壳体顶端加工凹槽，凹槽内放置导电胶垫，金属壳体盖压装导电胶垫。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明中，控制驱动器分为控制器和驱动器，控制器中安装电源板和通用控制驱动电路板，驱动器中安装驱动板和通用控制驱动电路板。控制器和驱动器通过电缆实现信号传输和电源供给。本发明将控制驱动器拆分为控制器和驱动器，控制器和驱动器均可产品级通用；通用控制驱动电路板通用性强，能满足多种型号需求，可板级通用。

(2)在宽范围的通用功能下：额外扩展了外部存储器、CPLD、一块通用控制驱动电路板拖动两台电机的备份，同时为了提高国产化要求，使用了体积较大的国产化元器件，但是，通用控制驱动电路板的空间布局尺寸与不具有外扩功能和未使用国产化器件的电路板尺寸相当；

(3)控制器巧妙的采用了台阶面的构型和内置螺纹螺柱的形式，实现了一块电源板和三块通用控制驱动电路板的紧凑布局。

(4)控制器壳体通过散热槽的设计，提高了热可靠性；通过壳体凹槽设计，实现了金属壳体盖与壳体之间的电连续性，提高了电磁兼容可靠性。

附图说明

图1本发明通用控制驱动电路板布局图

图2本发明电源板连接器布局图

图3本发明控制器与驱动器信号流图

图4本发明控制器剖面图

图5本发明驱动器剖面图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

一种新型通用控制驱动电路板，其特征在于：包括DSP芯片、给DSP芯片供电的电源芯片、电压电流位置检测电路、PWM输出及保护电路、1553B及CAN通信转换模块、CPLD电路、旋变解码模块；如图1所示，图中的电路板设计用于驱动两台电机，布局如图所示：

DSP芯片作为通用控制驱动电路板的主控制芯片，进行逻辑解算，信号接收与输出；电源芯片采用国产化器件LSK5131-3.3将5V电源转换为3.3V，采用LSK5131-1.8将5V电源转换为1.9V电源，3.3V和1.9V电源供给DSP芯片；电压电流位置检测电路进行直流母线电压、电机相电流、机构位置检测，将检测到的信号输入给DSP芯片；PWM输出及保护电路产生PWM信号输入至功率器件，以控制功率器件通断，同时，若出现过流、过压等故障，将PWM信号封锁；通信转换模块接收外部的1553B信号、CAN信号，输入给DSP芯片；CPLD电路实现通用控制驱动电路板的电平转换，逻辑变换；旋变解码模块采用AD2S1210和推挽放大器件MSK0041进行电机位置检测元件旋转变压器的激磁及检测值解算回读。

通用控制驱动电路板：1)齐全的通用调试接口：三余度1553B接口、双余度CAN接口、A/D接口、D/A接口；2)为提高国产化率，通用控制驱动电路板要求尽量选用国产化元器件，均比进口元器件体积大：①进口DSP供电电源芯片为TPS767D301，实现5V到3.3V和1.9V的双路输出，占电路板面积为8mmX8mm，国产化供电电源LSK5131-3.3和LSK5131-1.8占电路板面积分别为18mmX28mm和11mmX22mm。②旋变解码模块原使用两个进口运放LM7332MA，每个占电路板面积为8mmX8mm，国产化运放MSK0041所占面积为Φ15.5mm；3)与型号控制板相比，额外增加外部存储器和CPLD电路；4)兼顾一个控制板拖动两台电机的功能，旋变解码模块，PWM输出及保护电路、电压电流位置检测电路均备份为两份。在上述宽功能覆盖范围、多国产化元器件的条件下，电路板紧凑布局，实现小型化，其电路板尺寸与仅具有一种通信接口、使用进口元器件、无外部存储器、无备份的电路板尺寸相当，为110mm×160mm。

在通用控制驱动电路板上设置6个连接器K-CRM1、K-CRM2、K-CRM3、K-CRM4、K-CRM5、K-CRM6，其中K-CRM3放在通用控制驱动电路板的一侧，K-CRM5和K-CRM6放在与K-CRM3相对的另一侧，K-CRM1、K-CRM2放在与K-CRM3垂直的一侧，K-CRM4放在与K-CRM1、K-CRM2相对的另一侧。

K-CRM3接口作为28V、+12V、-12V、+5V、+5V隔离电源的输入接口，将电源送至电源芯片；

当电路板实现驱动功能时(即作为驱动器功能部件时)，DSP芯片通过旋变解码模块和K-CRM1接口向电机的旋转变压器发送激磁信号，电机反馈的信号通过K-CRM1接口输入至旋变解码模块，由旋变解码模块进行解算，得到电机位置信号发送至DSP芯片；K-CRM5接口将驱动器中的驱动板输入的直流母线电压检测信号、电流检测信号输入给电压电流位置检测电路，电压电流位置检测电路进行直流母线电压、电机相电流、机构位置检测，将检测到的信号输入给DSP芯片；DSP信号根据上述电机位置信号结合电压电流位置检测电路检测的信号控制PWM输出及保护电路产生PWM信号输入至驱动器中的驱动板，驱动板将PWM信号驱动放大，进而驱动功率器件的导通和关断，将直流电转换为三相交流电，供给电机。

当电路板实现控制功能时(即作为控制器功能部件时)，通过K-CRM4接收上层指令信息，通过1553B通信转换模块将接收的上层指令信息转换为DSP能够识别的信息，DSP将该信息经过CAN通信模块转换发送给驱动器。，同时，当DSP芯片通过K-CRM4接收到实现驱动功能的电路板DSP发送的电机相电流、直流母线电压等异常信息时，DSP控制CPLD电路发出控制逻辑，通过K-CRM4输出至相应的与电机轴串联的电磁锁；

当驱动器中DSP芯片根据电压电流位置检测电路检测的信号判断出现过流、过压等故障时，驱动器中的DSP芯片通过CAN通信转换模块将故障信号经二级CAN总线拓扑结构6通过K-CRM4口发送至控制器中的DSP芯片，DSP控制CPLD电路发出控制逻辑，通过K-CRM4输出至相应的与电机轴串联的电磁锁；同时，驱动器中的DSP芯片发出指令控制PWM输出及保护电路对输出的PWM信号封锁。

图3、4、5为本发明一种新型板级驱动控制器原理示意图，包括一个控制器1和一个驱动器2；其中控制器1包括上面介绍的三个通用控制驱动电路板1-1、一块电源板1-2、控制器壳体1-3；驱动器2包括上面介绍的通用控制驱动电路板2-1，一块驱动板2-2、驱动器壳体2-3、功率器件2-4、金属板2-5。功率器件2-4安装于驱动器壳体2-3上，驱动板2-2通过焊接方式安装于功率器件2-4的上方，在驱动板上方的壳体上安装金属板2-5，将通用控制驱动电路板2-1安装于金属板2-5上。通用控制驱动电路板2-1通过双余度CAN总线拓扑结构6接收通用控制驱动电路板1-1发送的CAN总线信号，同时结合经K-CRM1、K-CRM2输入的电机反馈信号以及经K-CRM5输入的电压电流检测信号，DSP控制PWM输出及保护电路经K-CRM6输出并发送PWM信号给驱动板2-2，驱动板2-2将PWM信号驱动放大后发送给功率器件2-4，将直流电变换为三相交流电。其中通用控制驱动电路板1-1和通用控制驱动电路板2-1仅连通一种新型通用控制驱动电路板的相应功能，需要的功能电装相应元器件，不需要的功能不电装相应元器件，但是1-1与1-2在未电装元器件前，完全相同。如图2所示，电源板外部设置十个连接器，内部集成三路相同的电源转换模块、电机锁表决动作电路、CAN二级总线拓扑结构；

三个连接器D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3和两个连接器D-CRM4、D-CRM5设置在电源板的同一侧，通过D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3将转换后的电压输出至控制器内三块通用控制驱动电路板K-CRM3；

通过D-CRM4、D-CRM5将转换后的电压输出至驱动器内的两块通用控制驱动电路板K-CRM3；

连接器D-CRM6设置在电源板与D-CRM2相对的一侧，用于接收控制器内三个电路板K-CRM4输出的CAN总线信号，将总线信号经过CAN二级总线拓扑结构后再通过与D-CRM6同侧的D-CRM7输出至驱动器内电路板K-CRM4；

连接器D-CRM8设置在电源板与D-CRM5垂直的一侧，三个电源转换模块通过连接器D-CRM8接收外部输入的28V电源并进行转换；

D-CRM9设置在电源板与CRM5垂直的一侧，用于接收控制器内三个通用控制驱动电路板K-CRM4输出的锁电机控制信号，接收的锁电机控制信号经电机锁表决动作电路三取二表决后，放大后经设置在D-CRM9同侧的D-CRM10输出锁电机动作指令至电磁锁；

电源板1-2安装控制器壳体内的底层，三个通用控制驱动电路板1-1通过金属板1-4分三层安装在电源板上方，最底层的电路板与电源板之间水平错开至少10mm，电源板上D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3、D-CRM4、D-CRM5与通用控制驱动电路板上K-CRM3同侧；

驱动板2-2安装在驱动器壳体2-3的底层，上方水平并列两个电路板2-1，通用控制驱动电路板2-1接收通用控制驱动电路板1-1发送的CAN总线信号并结合电机转子位置，生成PWM信号并输出至下层的驱动板，驱动板2-2将PWM信号驱动放大输入给功率器件2-4，将直流电转换为三相交流电，供给电机。

如图4所示，控制器壳体为内壁为带一个台阶面的构型，台阶面上加工螺纹孔，安装完底层电源板后，通过底层连接螺柱将一层金属板固定在台阶面上，底层连接螺柱上端设置内螺纹孔，金属板上安装一个通用控制驱动电路板；然后再通过一个中间层连接螺柱将中间层金属板固定在底层连接螺柱上，金属板上安装一个通用控制驱动电路板；依此逐层安装完成所有的通用控制驱动电路板。控制器壳体底部设置散热槽。在控制器壳体顶端加工凹槽，凹槽内放置导电胶垫，金属壳体盖压装导电胶垫。

本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种板级驱动控制器，其特征在于：包括一个控制器和一个驱动器；其中控制器包括三块通用控制驱动电路板、一块电源板以及控制器壳体；控制器中的通用控制驱动电路板连通的是通用控制驱动电路板中实现控制功能的相应器件；电源板和通用控制驱动电路板安装在控制器壳体内，驱动器包括两个通用控制驱动电路板，一块驱动板、驱动器壳体、功率器件；驱动器中的通用控制驱动电路板连通的是通用控制驱动电路板中实现驱动功能的相应器件；所述的通用控制驱动电路板包括DSP芯片、给DSP芯片供电的电源芯片、电压电流位置检测电路、PWM输出及保护电路、通信转换模块、CPLD电路、旋变解码模块以及5个连接器K-CRM1、K-CRM3、K-CRM4、K-CRM5、K-CRM6，其中K-CRM3放在通用控制驱动电路板的一侧，K-CRM5和K-CRM6放在与K-CRM3相对的另一侧，K-CRM1放在与K-CRM3垂直的一侧，K-CRM4放在与K-CRM1相对的另一侧；K-CRM3接口作为28V、+12V、-12V、+5V、+5V隔离电源的输入接口，将电源送至电源芯片；

驱动器中的通用控制驱动电路板上的K-CRM5接收驱动器中驱动板的检测信号，K-CRM6将PWM信号输入至驱动板，驱动板将PWM信号驱动放大后输入给相应的功率器件以控制功率器件的通断，从而实现直流电到三相交流电的变换；

电源板外部设置十个连接器，内部集成三路相同的电源转换模块、电机锁表决动作电路、CAN二级总线拓扑结构；三个连接器D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3和两个连接器D-CRM4、D-CRM5设置在电源板的同一侧，通过D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3将转换后的电压输出至控制器内三块通用控制驱动电路板K-CRM3；

通过D-CRM4、D-CRM5将转换后的电压输出至驱动器内的两块通用控制驱动电路板K-CRM3；

连接器D-CRM6设置在电源板与D-CRM2相对的一侧，用于接收控制器内三个电路板K-CRM4输出的CAN总线信号，将总线信号经过CAN二级总线拓扑结构6后再通过与D-CRM6同侧的D-CRM7输出至驱动器内电路板K-CRM4；

连接器D-CRM8设置在电源板与D-CRM5垂直的一侧，三个电源转换模块通过连接器D-CRM8接收外部输入的28V电源4并进行转换；

D-CRM9设置在电源板与CRM5垂直的一侧，用于接收控制器内三个通用控制驱动电路板K-CRM4输出的锁电机控制信号，接收的锁电机控制信号经电机锁表决动作电路三取二表决后，放大后经设置在D-CRM9同侧的D-CRM10输出锁电机动作指令至电磁锁。

2.根据权利要求1所述的一种板级驱动控制器，其特征在于：电源板安装控制器壳体内的底层，三个通用控制驱动电路板分三层安装在电源板上方，最底层的电路板与电源板之间水平错开至少10mm，电源板上D-CRM1、D-CRM2、D-CRM3、D-CRM4、D-CRM5与通用控制驱动电路板上K-CRM3同侧。

3.根据权利要求2所述的一种板级驱动控制器，其特征在于：所述的控制器壳体的内壁带一个台阶面，台阶面上加工螺纹孔，安装完底层电源板后，通过底层连接螺柱将一层金属板固定在台阶面上，底层连接螺柱上端设置内螺纹孔，金属板上安装一个通用控制驱动电路板；然后再通过一个中间层连接螺柱将中间层金属板固定在底层连接螺柱上，金属板上安装一个通用控制驱动电路板；依此逐层安装完成所有的通用控制驱动电路板。

4.根据权利要求3所述的一种板级驱动控制器，其特征在于：控制器壳体底部设置散热槽。

5.根据权利要求3或4所述的一种板级驱动控制器，其特征在于：在控制器壳体顶端加工凹槽，凹槽内放置导电胶垫，金属壳体盖压装导电胶垫。

6.根据权利要求1所述的一种板级驱动控制器，其特征在于：当需要驱动两个电机时，在与K-CRM1同侧的位置设置与电机数量一致的连接器，每个连接器与一个旋变解码模块连通，相应的，PWM输出及保护电路、K-CRM6的数量与电机数量保持一致。

7.根据权利要求1所述的一种板级驱动控制器，其特征在于：所述的通信转换模块为1553B通信转换模块和或CAN总线通信转换模块。