CN106452051B - 用于伺服系统的电源模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于伺服电机的电源模块，包括PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD驱动电源电路，所述PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD驱动电源电路电连接。本发明与现有技术相比，有益效果是：采用本模块具有结构简单，元件布局合理的优点，能有效降低电磁干扰，提高整个模块的稳定性，延长模块的使用寿命。

Description

用于伺服系统的电源模块
技术领域
本发明属于伺服驱动器的技术领域，具体涉及一种用于伺服系统的电源模块。
背景技术
伺服电机(servo motor)是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。
伺服系统(servo mechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
伺服电机易产生电磁干扰，对环境也有所要求。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数)。
现有技术中，伺服系统涉及PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD驱动电源电路，现有的电路之间容易产生电磁干扰，元件通电运行过程可能会发热，而且电路中的元件以及安装后电路连接的负载之间都会产生电磁场相互影响，周围环境的温度变化也会对电路运行产生影响，降低了伺服系统的稳定性和运行的精确性。
现有的控制PWM恒流输出电路存在结构复杂、不能实现准确调节恒定输出电流大小的缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种稳定性更高，抗干扰性更强的用于伺服驱动的电源模块。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：用于伺服驱动的电源模块，包括PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD驱动电源电路，所述PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD驱动电源电路电连接；所述PWM恒流输出电路为DAC-BP端(数字信号输入端)连接电阻R513，电阻R513与电阻R514的两者相连的节点接第一放大器U123A的正向输入端3，第一放大器U123A的反相输入端2与由电阻R517、电位器VR6两者相连的节点连接，第一放大器U123A的负电源引脚11与电阻R514之间的节点、电容C210与电阻R517相连的节点、第一放大器U123A的负电源引脚11与电阻R515相连的节点都接电源地PGND，第一放大器U123A的正电源引脚4与电容C210两者之间的节点接电源+P15V；第一放大器U123A的输出端引脚1、电位器VR6两者之间的节点与电阻R515、第二放大器U123B正相输入端5两者之间的节点连接；第二放大器U123B反相输入端6与电容C211之间的节点连接电阻R516，所述电阻R516与电阻R482连接线之间设有负载CURBP-，电阻R482另一端接电源地PGND；电容C211与第二放大器U123B的输出端7相连的节点与一电阻R483连接后再与第三放大器U121A的正相输入端5连接；第三放大器U121A的电源引脚3接电容C212后接电源地PGND；第三放大器U121A的电源引脚12与三极管Q38的发射极3连接的节点接电源地PGND；第三放大器U121A的输出端2与电阻R485、三极管Q38的基极1两者之间的节点连接；电阻R485接电源+P15V；三极管Q38的集电极2与电阻R486连接，三极管Q38的发射极3与二极管D205两者之间的节点接电源地PGND；所述电阻R486与场效应管Q35的引脚2、电阻R487两者相连的节点连接，场效应管Q35的引脚1与电阻R487两者之间的节点接电源P24V；场效应管Q35的引脚3与二极管D205的负极连接负载CutBP+；第三放大器U121A的反相输入端4接一电阻R484后与电阻R491、电阻R492两者之间的节点连接；电阻R492接电源地PGND；电阻R491与第四放大器U123C的输出端8、电容C213、电阻R490三者之间的节点连接；第四放大器U123C的反相输入端9与第五放大器U123D的输出端之间接一电阻R489，电阻R489两端分别与电阻R488、电容C213连接，电阻R488、电阻R490两者之间的节点与第五放大器U123D的正相输入端12连接，第四放大器U123C的正相输入端10与第五放大器U123D的反相输入端13连接。
进一步，所述Lcd操作面板电源电路为输入端电源VCC24V与芯片U12的GND引脚7连接，芯片U12的VREF引脚6与PWPD引脚9连接后接数字地DGND；芯片U12的OUT输出引脚1与电容C76连接后接芯片U12的电源端VCC引脚8，芯片U12的电源端VCC引脚8、电容C76两者之间的节点与二极管D17、电容L4两者之间的节点连接；电感L4与二极管D17的正极之间并联接有电容C75、电容C16、电容C17、电容C18，其中电容C75正极连接电感L4，二极管D17的正极与电容C75的负极之间的节点接数字地DGND；芯片U12的COMP补偿引脚4与电阻R44、电阻R49两者之间的节点连接；电阻R44与电容C18、二极管D19正极两者之间的节点连接，二极管D19的负极与电阻R46之间的节点连接电源输出端VCC5V；电阻R46与发光二极管D18的正极连接，发光二极管D18的负极与电阻R49之间的节点接数字地DGND。
进一步，所述335x芯片上电电路为第一场效应管Q1的引脚2、电阻R40两者之间的节点与电阻R39连接后接电源端VCC5V，电阻R40、第二场效应管Q2的引脚2两者之间的节点与第一场效应管Q1的引脚1连接，电阻R39、电容C13、芯片U1的VIN引脚3三者之间的节点与第一场效应管Q1的引脚3连接，电容C13与芯片U1的GND引脚1连接后接数字地DGND；第二场效应管Q2的引脚3与电容C15之间的节点接数字地DGND；电阻R41、电容C15之间的节点与第二场效应管Q2的引脚1连接；芯片U1的OUT引脚2与OUT2引脚4连接后与电容C12连接，由电容C12与电容C14并联而成的电路两端分别接电源3.3V、数字地DGND。
进一步，LCD背光电源电路包括用于调光的芯片U2，电容C10与电容C9并联后的电路两端分别接电源VCC5V、数字地DGND，电感L2与芯片U2的VIN引脚1两者之间的节点与电容C9、电容C10两者之间的节点连接，电感L2、芯片U2的SW引脚3之间的节点与肖特基二极管D1的正极连接，芯片U2的FB引脚6与GND引脚4之间外接电阻R3后接数字地DGND；芯片U2的FB引脚6与电阻R3之间的节点连接VLED-，肖特基二极管D1的负极与电容C11正极连接后接VLED+，电容C11负极接数字地DGND；芯片U2的COMP引脚5接电容C12后接数字地DGND；电阻R1、电阻R2两者之间的节点与芯片U2的CTRL引脚2连接，所述电阻R2接数字地DGND，电阻R1接GPI03_17。
进一步，所述LCD驱动电源电路包括用于电源驱动的芯片U3，芯片U3的nRDY引脚1接电阻R5后与芯片U3的IN引脚4连接再接LCD_5V，芯片U3的SW引脚15与芯片U3的IN引脚4之间外接一接电感L3，芯片U3的SW引脚15与电感L3之间设有LCD_SW开关；芯片U3的SW引脚15与电感L3之间的节点与肖特基二极管D2的正极连接，由电容C14与电容C13并联而成的电路两端分别与肖特基二极管D2的负极、数字地DGND连接；芯片U3的COMP引脚3依次与电阻R3、电容C15连接后与由芯片U3的CT引脚16、电容C16连接成的电路连接后接数字地DGND；芯片U3的EN引脚9接一电阻R9后与电源VCC5V连接；芯片U3的IN2引脚11与电容C19、双二极管D5的引脚1连接，双二极管D5的中部引脚3接电容C24后与LCD_SW开关连接，所述电容C19、双二极管D5的引脚2分别接数字地DGND；芯片U3的GL引脚10与芯片U3的FB2引脚7外接一电阻R14、电容C22，所述电阻R14、电容C22并联；电容C22、电阻R14两者之间的节点与电阻R16、电容C25两者之间的节点连接；电阻R16、电容C25之间连接后接数字地DGND；芯片U3的FB2引脚7与芯片U3的REF引脚6外接电阻R17，芯片U3的REF引脚6接电容C26后接保护地PGND；芯片U3的PGND引脚14与GND引脚5连接后接数字地DGND；芯片U3的FB1引脚2与电阻R6、电阻R8连接，电阻R8接保护地PGND,电阻R6与双二极管D3的引脚1之间的节点与肖特基二极管D2的负极连接；双二极管D3的中部引脚3外接电容C17后接LCD_SW开关；芯片U3的IN1引脚13与电容C18、双二极管D4的引脚2连接，双二极管D4的引脚1与双二极管D3的引脚2连接，双二极管D4的中部引脚3外接电容C20后接接LCD_SW开关，电容C18接数字地DGND；芯片U3的GH引脚12与电阻R15、电容C21、电容C23连接，所述电阻R15、电容C21两者之间的节点与芯片U3的FB3引脚8、电阻R19两者之间的节点连接，所述电阻R19接保护地PGND，所述电容C23接数字地DGND。
本发明与现有技术相比，有益效果是：采用本模块具有结构简单，元件布局合理的优点，能有效降低电磁干扰，提高整个模块的稳定性，延长模块的使用寿命。
附图说明
图1为PWM恒流输出电路图；
图2为Lcd操作面板电源电路图；
图3为335x芯片上电电路图；
图4为LCD背光电源电路图；
图5为LCD驱动电源电路图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如图1所示，脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。很大领域中的控制信号大多是PWM信号，DAC是数字模拟转换器(英语:Digitaltoanalogconverter,英文缩写:DAC)是一种将数字信号转换为模拟信号(以电流、电压或电荷的形式)的设备。
本电路中，当温度变话导致负载电阻变化时，能自动调整输出脉宽保持输出电流不变，提高系统稳定性。主要是通过图中圈出来的那个电阻R482来达到这个效果。该电阻阻值较小，该电阻上方的线接入负载(CUTBP-)，当负载变化时，流经该电阻的电流变化，进而改变输出电流使得输出脉宽保持一致。
放大器反相输入端与输出端之间外接一电容是为了用以提高电路的稳定性，运放器反相输入端与输出端之间外接电阻(电阻)是为了该电阻引入深度电压串联负反馈，使运放工作于线性状态。
PWM恒流输出电路中，电阻R482采用0.5RI/3W，电阻R513、电阻R514的阻值大小分别采用3.9K、200R，可调电阻VR6采用10K,电阻R517采用1K,电阻R515、电阻R516采用10K、2K,电容C211为0.1uF/100V CBB型号,电阻R483和电阻R484大小都为3.9K,电阻R485和电阻R486阻值大小为10K,电容C212为0.1uF，电阻R487为20K。场效应管Q35采用IRF9540N，三极管Q38采用KST5551型号，二极管D205采用LL4007。
第一放大器U123A、第二放大器U123B、第三放大器U121A、第四放大器U123C、第五放大器U123D分别采用LM324、LM324、LM339、LM324、LM324。
电阻R492、电阻R491、电阻R490、电阻R489、电阻R488分别采用15K、4.9K、47K、22K、150K。电容C213采用0.1uF/100V CBB。
如图2所示，本电路是一个基于(DC/DC开关)电源转换芯片TPS5430的电源输入转换的一个电路图，24V输入转5V电压输出。二极管D17、D19选用肖特基二极管，是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的，也称为金属－半导体(接触)二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。C76是退偶电容，优选高性能陶瓷电容。
PWPD是在芯片底部用于辅助散热的焊盘在芯片内部已经接地，焊接的时候需要敷铜与地相连，主要作用是散热，增加芯片的可靠性。
电路中，电源转换芯片TPS5430的各个引脚对应表如下：
引脚序号 对应的功能名称 引脚序号 对应的功能名称
1 OUT 6 VREF
2 SYNC 7 GND
3 INH 8 VCC
4 COMP 9 PWPD
5 FB
本方案中，电容C75、电容C16、电容C17、电容C18并联设置，所述电容C75、电容C16、电容C17、电容C18的电容容量大小不同,大电容在低频时能提供好的通路，而在高频时由于其寄生电感的存在阻抗将变大而无法提供滤波通路，所以大电容不能滤高频，而小电容在低频时阻抗太大而无法提供滤波通路，所以不能共同一电容滤高频和低频。电容C75可以采用电解电容，其他电容C16、电容C17、电容C18可以采用涤纶电容(或者独石电容或者瓷片电容)，并联起着滤波作用。电容C75、电容C16、电容C17、电容C18大小分别为100nF/10V、22nF/10V、0.1nF/50V、0.1nF/50V。
电容C76大小采用0.1nF/50V，二极管D17采用B340A型号，电感L4采用15uH，电阻R44采用10K,电阻R49采用3K,电阻R46采用2K。
如图3所示，第一场效应管Q1采用AO3415A型号，第二场效应管Q2采用2N7002型号，IC芯片U1采用LM1117-33电压转换芯片,其对应的引脚列表如下。
引脚序号 对应的功能名称 引脚序号 对应的功能名称
1 GND 3 VIN
2 OUT 4 OUT2
本方案中，电容C12与C14并联接起着滤波作用，大电容为了减小纹波，小电容是为了滤除高频的杂波。因为大的电解电容存在较大的感抗(相对于小电容器而言)，对高频杂波的滤波效果不好。电容C12与电容C14大小为47uF/10V、0.1uF/50V。
本电路图中的，电阻R39可以选择为不焊接不连接方式，第一场效应管Q1、第二场效应管Q2分别采用AO3415A、2N7002，电阻R40、电阻R41阻值为10K,电容C13、电容C15的大小分别为0.1uF/50V、4.7uF/35V。
如图4所示，芯片U2选用TPS61165DBV型号调光芯片。本方案采用接地电路C9、C10并联，起到分流滤波的作用。大电容(即电容C10)由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大(也叫等效串联电感，英文简称ESL)。电感对高频信号的阻抗是很大的，所以，大电容的高频性能不好。而一些小容量电容(即电容C9)则刚刚相反，由于容量小，因此体积可以做得很小(缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可以看成是一个电感的)，而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小ESL这样它就具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。所以，如果为了让低频、高频信号都可以很好的通过，就采用一个大电容再并上一个小电容的方式。
TPS61165DBV芯片的引脚列表如下。
本电路中，电容C10与C9并联接起着滤波作用，大小分别为10uF/16V、0.1uF。
电阻R1、电阻R2、电阻R3大小为1K、4K7、2R，电容C11、电容C12分别为10uF/50V、220nF，电感L2采用10uH。肖特基二极管D1采用MBR0540T1型号。
如图5所示，本电路是基于电源驱动芯片MP1530DM的一个驱动电源图，用于伺服驱动器等上面的液晶显示器LCD。双二极管D3、双二极管D4、双二极管D5采用BAV99-7-F型号，主要作用为限幅和保护(因后级为输出端，若后级端子从外界误插入比如电源设置时，起保护作用，稳压作用。图中TP6/TP5/TP4为接口。
本LCD驱动电源电路中的各元件采用的数值大小与图中所示的大小一一对应。其中肖特基二极管D2采用1N5819HW型号，复合二极管D3、复合二极管D4、复合二极管D5都采用BA V99-7-F。
以上仅为本发明的优选实施例，并不限定本发明的范围，对于本领域技术人员根据本发明的设计思路做出的适当变形及改进，都应当属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于伺服系统的电源模块，其特征在于，所述电源模块包括PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD系统电源电路，所述PWM恒流输出电路、Lcd操作面板电源电路、335x芯片上电电路、LCD背光电源电路和LCD系统电源电路电连接；所述PWM恒流输出电路为数字信号输入端连接电阻R513，电阻R513与电阻R514的两者相连的节点接第一放大器U123A的正相输入端3，第一放大器U123A的反相输入端2与由电阻R517、电位器VR6两者相连的节点连接，第一放大器U123A的负电源引脚11与电阻R514之间的节点、电容C210与电阻R517相连的节点、第一放大器U123A的负电源引脚11与电阻R515相连的节点都接电源地PGND，第一放大器U123A的正电源引脚4与电容C210两者之间的节点接电源+P15V；第一放大器U123A的输出端引脚1、电位器VR6两者之间的节点与电阻R515、第二放大器U123B正相输入端5两者之间的节点连接；第二放大器U123B反相输入端6与电容C211之间的节点连接电阻R516，所述电阻R516与电阻R482连接线之间设有负载CURBP-，电阻R482另一端接电源地PGND；电容C211与第二放大器U123B的输出端7相连的节点与一电阻R483连接后再与第三放大器U121A的正相输入端5连接；第三放大器U121A的电源引脚3接电容C212后接电源地PGND；第三放大器U121A的电源引脚12与三极管Q38的发射极3连接的节点接电源地PGND；第三放大器U121A的输出端2与电阻R485、三极管Q38的基极1两者之间的节点连接；电阻R485接电源+P15V；三极管Q38的集电极2与电阻R486连接，三极管Q38的发射极3与二极管D205两者之间的节点接电源地PGND；所述电阻R486与场效应管Q35的引脚2、电阻R487两者相连的节点连接，场效应管Q35的引脚1与电阻R487两者之间的节点接电源P24V；场效应管Q35的引脚3与二极管D205的负极连接负载CutBP+；第三放大器U121A的反相输入端4接一电阻R484后与电阻R491、电阻R492两者之间的节点连接；电阻R492接电源地PGND；电阻R491与第四放大器U123C的输出端8、电容C213、电阻R490三者之间的节点连接；第四放大器U123C的反相输入端9与第五放大器U123D的输出端之间接一电阻R489，电阻R489两端分别与电阻R488、电容C213连接，电阻R488、电阻R490两者之间的节点与第五放大器U123D的正相输入端12连接，第四放大器U123C的正相输入端10与第五放大器U123D的反相输入端13连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于伺服系统的电源模块，其特征在于，所述Lcd操作面板电源电路为输入端电源VCC24V与芯片U12的GND引脚7连接，芯片U12的VREF引脚6与PWPD引脚9连接后接数字地DGND；芯片U12的OUT输出引脚1与电容C76连接后接芯片U12的电源端VCC引脚8，芯片U12的电源端VCC引脚8、电容C76两者之间的节点与二极管D17、电容L4两者之间的节点连接；电感L4与二极管D17的正极之间并联接有电容C75、电容C16、电容C17、电容C18，其中电容C75正极连接电感L4，二极管D17的正极与电容C75的负极之间的节点接数字地DGND；芯片U12的COMP补偿引脚4与电阻R44、电阻R49两者之间的节点连接；电阻R44与电容C18、二极管D19正极两者之间的节点连接，二极管D19的负极与电阻R46之间的节点连接电源输出端VCC5V；电阻R46与发光二极管D18的正极连接，发光二极管D18的负极与电阻R49之间的节点接数字地DGND。
3.根据权利要求1所述的一种用于伺服系统的电源模块，其特征在于，所述335x芯片上电电路为第一场效应管Q1的引脚2、电阻R40两者之间的节点与电阻R39连接后接电源端VCC5V，电阻R40、第二场效应管Q2的引脚2两者之间的节点与第一场效应管Q1的引脚1连接，电阻R39、电容C13、芯片U1的VIN引脚3三者之间的节点与第一场效应管Q1的引脚3连接，电容C13与芯片U1的GND引脚1连接后接数字地DGND；第二场效应管Q2的引脚3与电容C15之间的节点接数字地DGND；电阻R41、电容C15之间的节点与第二场效应管Q2的引脚1连接；芯片U1的OUT引脚2与OUT2引脚4连接后与电容C12连接，由电容C12与电容C14并联而成的电路两端分别接电源3.3V、数字地DGND。
4.根据权利要求1所述的一种用于伺服系统的电源模块，其特征在于，所述LCD系统电源电路包括用于电源系统的芯片U3，芯片U3的nRDY引脚1接电阻R5后与芯片U3的IN引脚4连接再接LCD_5V，芯片U3的SW引脚15与芯片U3的IN引脚4之间外接一接电感L3，芯片U3的SW引脚15与电感L3之间设有LCD_SW开关；芯片U3的SW引脚15与电感L3之间的节点与肖特基二极管D2的正极连接，由电容C30与电容C13并联而成的电路两端分别与肖特基二极管D2的负极、数字地DGND连接；芯片U3的COMP引脚3依次与电阻R3、电容C15连接后与由芯片U3的CT引脚16、电容C16连接成的电路连接后接数字地DGND；芯片U3的EN引脚9接一电阻R9后与电源VCC5V连接；芯片U3的IN2引脚11与电容C19、双二极管D5的引脚1连接，双二极管D5的中部引脚3接电容C24后与LCD_SW开关连接，所述电容C19、双二极管D5的引脚2分别接数字地DGND；芯片U3的GL引脚10与芯片U3的FB2引脚7外接一电阻R14、电容C22，所述电阻R14、电容C22并联；电容C22、电阻R14两者之间的节点与电阻R16、电容C25两者之间的节点连接；电阻R16、电容C25之间连接后接数字地DGND；芯片U3的FB2引脚7与芯片U3的REF引脚6外接电阻R17，芯片U3的REF引脚6接电容C26后接保护地PGND；芯片U3的PGND引脚14与GND引脚5连接后接数字地DGND；芯片U3的FB1引脚2与电阻R6、电阻R8连接，电阻R8接保护地PGND,电阻R6与双二极管D3的引脚1之间的节点与肖特基二极管D2的负极连接；双二极管D3的中部引脚3外接电容C17后接LCD_SW开关；芯片U3的IN1引脚13与电容C18、双二极管D4的引脚2连接，双二极管D4的引脚1与双二极管D3的引脚2连接，双二极管D4的中部引脚3外接电容C20后接接LCD_SW开关，电容C18接数字地DGND；芯片U3的GH引脚12与电阻R15、电容C21、电容C23连接，所述电阻R15、电容C21两者之间的节点与芯片U3的FB3引脚8、电阻R19两者之间的节点连接，所述电阻R19接保护地PGND，所述电容C23接数字地DGND。
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