CN106571760B - 一种新型谐波电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型谐波电机柔性钢轮轴伸单元适应性驱动与控制技术领域，提供了一种新型谐波电机驱动器。该新型谐波电机驱动器包括功率驱动电源系统、内核及信号电源系统、以ARM为核心的信号发生与重构单元、信号协调与处理单元、功率放大驱动单元和监测反馈单元；该新型谐波电机驱动器具备多路驱动输出，负载为谐波电机的柔性钢轮轴伸单元的工作线圈，路数由谐波电机的柔性钢轮轴伸单元的工作极数确定。本发明实现对新型谐波齿轮柔性钢轮多路轴伸单元的驱动，实现了柔性钢轮适应性旋转。从而从根本上解决了，新型谐波齿轮，运行、调速、力矩保持等一系列问题。

Description

一种新型谐波电机驱动器

技术领域

本发明属于新型谐波电机柔性钢轮轴伸单元适应性驱动与控制技术领域，具体涉及一种新型谐波电机驱动器。

背景技术

新型谐波电机与传统齿轮传动相比，尤其在低速大扭矩传动中具有诸多优点。新型谐波电机重新优化了原有电机的组成结构,改进了原有钢轮的结构设计。使用了具有轴伸单元的柔性钢轮代替原有的刚轮的凸轮，利用多点轴向长度可控的元件，实现了对凸轮整体轮廓的模拟。当轴伸单元整周协调连续动作时，即可实现柔性钢轮的旋转。这种设计很好的解决了，电机调速、力矩保持的响应问题，同时相对与传统谐波电机轴向尺寸也优化减小了许多。

新型谐波电机柔性钢轮的使用，使谐波电机在性能上取得了较大的突破。要实现对谐波电机稳定可靠的控制，就需要专用的驱动器，来驱动轴伸单元使用的多根沿圆周方向均匀排布的磁致伸缩棒。

发明内容

本发明的目的在于根据新型谐波电机的技术需求，设计一种驱动器实现对电机柔性钢轮可变单元的轴向长度进行适应性控制。

本发明的技术方案：

一种新型谐波电机驱动器，该新型谐波电机驱动器包括功率驱动电源系统、内核及信号电源系统、以ARM为核心的信号发生与重构单元、信号协调与处理单元、功率放大驱动单元和监测反馈单元；

该新型谐波电机驱动器具备多路驱动输出，负载为谐波电机的柔性钢轮轴伸单元的工作线圈，路数由谐波电机的柔性钢轮轴伸单元的工作极数确定；

功率驱动电源系统包括隔离变压器和整流滤波单元；交流电经过隔离变压器转变为正负100V交流电，输入到整流滤波单元；整流滤波单元包括整流桥堆和多组并联的高压滤波电容，正负100V交流电经过整流桥堆后被整流成脉动直流电，再经过高压滤波电容的滤波，即得到所需要的正负140V直流电，大部分作为功率放大驱动单元的电源，小部分作为信号协调与处理单元的电源；

内核及信号电源系统，主要为以ARM为核心的信号发生与重构单元提供电源，同时还为信号协调与处理单元供电；内核及信号电源系统采用DC/DC模块化电源模式；

以ARM为核心的信号发生与重构单元，其为新型谐波电机驱动器的核心，谐波电机的柔性钢轮轴伸单元所需要的多路等相差驱动输出信号，均由ARM为核心的信号发生与重构单元发生；信号发生与重构单元包括ARM处理系统、数据隔离通道和波形重构单元，ARM处理系统包括32位的ARM处理器stm32f103、8M晶振以及电容C1和C2组成振源，为处理系统提供所需频率；为保证ARM处理系统的工作稳定，利用数据隔离通道将ARM处理系统与波形重构单元进行隔离；波形重构单元由SPI接口的数模转换芯片和运算放大器构成；

信号协调与处理单元，该单元对以ARM为核心的信号发生与重构单元输出的信号进行信号幅度的放大以及电流放大与输出过功率的保护处理；信号协调与处理单元与信号的路数相对应，每一路信号对应一路独立的处理单元；

功率放大驱动单元，该单元将信号协调与处理单元输出的信号进行功率放大，使该信号有效地驱动谐波电机的柔性钢轮轴伸单元；

监测反馈单元，该单元是以ARM为核心的信号发生与重构单元与负载监测管理的通道；从负载输出中取样，经过隔离后反馈给以ARM为核心的信号发生与重构单元。

本发明的有益效果：本发明实现对新型谐波齿轮柔性钢轮多路轴伸单元的驱动，实现了柔性钢轮适应性旋转。从而从根本上解决了，新型谐波齿轮，运行、调速、力矩保持等一系列问题。

附图说明

图1为谐波电机的驱动器整体功能框图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例

一种新型谐波电机驱动器，该新型谐波电机驱动器包括功率驱动电源系统、内核及信号电源系统、以ARM为核心的信号发生与重构单元、信号协调与处理单元、功率放大驱动单元和监测反馈单元；该驱动器实现多路驱动信号的频率可变，规律可变，各路信号的相位差可以同步设置，驱动功率可以同步调节，并具有保护功能的驱动系统。

谐波电机驱动器具备多路驱动输出能力，负载为轴伸单元的工作线圈，具体的路数由谐波电机柔性钢轮轴伸单元的工作极数确定。各路驱动信号均为等幅的基本规律相同的交变信号，但各路信号在驱动器驱动输出时保持恒定的相位差。信号的基本规律由新型谐波电机工作实际需要决定,理论上驱动器可以输出生成任何规律的驱动信号。改变交变信号的周期，即可改变轴伸单元整周期循环的频率，从而改变电机的转速。改变信号发生的周期，通过ARM处理器的片内定时器配合数字编码电位器实现信号发生周期的实时输入，输入值动态改变交变变信号发生的基本频率，进而实现交变信号周期的改变。该驱动器各路驱动输出的功率可以同步调整，使用同步多联电位器，每一联分别调整信号协调与处理单元的输出，实现功率幅值大小同步调整。各路信号工作时保持恒定的相位差，该相位差需要设定，设定好后不人为改动将永久保存，在不更换轴伸级数不同谐波电机时，通常是不需要二次调整。设定原理使用片内的定时器并结合数字编码电位器，实现多路信号相位差的调整。驱动器校准需要结合示波器及电压电流表，这样才能把各路相位差以及输出功率幅值设置正确。

驱动器使用应先将谐波电机轴伸单元的驱动线圈与对应输出各路连接好，由于轴伸单元各路工作具有确定的相位差，所以连接时一定要与驱动器输出的各路对应好，否则谐波电机是不能旋转的。完全连接无误后，才可以上电。启动时浪涌电流较大，确保开关元件有足够的容量。上电时要保证功率输出为最低，否则可能引起保护电路动作，进而不能正常启动。驱动器工作时可以实时动态的改变驱动输出的功率以及输出频率。频率的调整范围可以在1～50HZ之间变化。

功率驱动电源系统包括隔离变压器和整流滤波单元；交流电经过隔离变压器变为正负100V交流电，输入到整流滤波单元；整流滤波单元包括整流桥堆和多组并联的高压滤波电容，正负100V交流电经过整流桥堆后被整流成脉动直流电，再经过高压滤波电容的滤波，即得到稳定的正负140V直流电，大部分作为功率放大驱动单元的电源，小部分作为信号协调与处理单元的电源；为保证直流输出的性能，隔离变压器的功率为3000W，整流滤波单元的整流桥堆的电流值为75A，同时为了增加驱动器输出的缓冲，采用了20组2200uf的电容并联滤波储能。

内核及信号电源系统，主要为以ARM为核心的信号发生与重构单元提供电源，同时还为信号协调与处理单元提供部分供电；内核及信号电源系统采用DC/DC模块化电源模式，该模块的输入为交流220V，输出为直流5V和直流正负15V，模块的输入接有高压瓷片电容、安规电容以及浪涌吸收元件，用于吸收电网上干扰信号，保障模块以及后续单元工作的稳定性；模块的输出接有多组并联的电解电容，用于增加电容的容值，同时接有小容量的CBB电容，用于吸收直流输出中的高频信号；5V输出还接有3.3V的线性稳压器，以便给ARM处理系统供电。为保证驱动器运行的稳定，内核及信号电源系统与功率驱动电源系统完全隔离。

以ARM为核心的信号发生与重构单元，其为新型谐波电机驱动器的核心，也是谐波电机的柔性凸轮轴伸单元所需要多路等相差驱动电源信号的发生源头；信号发生与重构单元包括ARM处理系统、数据隔离通道和波形重构单元，ARM处理系统包括32位的ARM处理器stm32f103、8M晶振和电容C1和C2组成振源，为系统提供所需频率；多路信号发生采用直接数字合成原理；利用ARM内部的存储RAM，根据所需要的规律构建出256点的波形规律函数表。波形发生时循环从函数表中取出数据，从ARM芯片的SPI端口输出经数据通道到波形重构单元，实现波形的再造。为保证核心ARM处理系统的工作稳定，利用数据隔离通道将ARM处理系统与后续的波形重构单元进行了隔离。根据SPI的数据传输特点，共使用了4片高速光耦6N137，实现数据输入输出隔离。数据隔离通道使得ARM不受后面各级的影响，尤其是后面功率驱动级带载工作时，使得系统工作更可靠。波形重构单元由SPI接口的数模转换芯片和运算放大器构成。图中示例为发生4路信号，则使用了4片数模转换芯片与运放芯片，还可以通过增加芯片的数量来增加信号发生的路数。运放使用了LM358，实现波形的偏置与移动。LM358片内包含2个运放，一个与3296电位器以及数模转换器输出组成加法电路，调节电位器即可改变运放的输出，从而实现了波形的偏置与移动，另外一个运放组成了输出缓冲的跟随电路，实现与后级的阻抗匹配。

信号协调与处理单元，该单元对波形重构单元输出的信号进行处理，以便信号能够有效的驱动后级的功率驱动单元。处理包扩信号幅度的放大，以及电流放大与输出过功率的保护。信号协调与处理单元与信号的路数相对应，每一路信号对应一路独立的处理单元。从波形重构单元输出的信号经过多运放TL084实现信号多级放大与幅度微调，为避免单级放大倍数过大，影响工作的稳定性，采用了多级放大，将信号提升到后续功率驱动级所需的幅度。还利用TL084的运放结合3296型电位器实现了信号幅度的微调，作用是利用该环节确保各路输出信号幅值基本一致，实现驱动器对驱动输出幅度一致性的要求。TL084的输出连接外部电位器，作用是调节驱动级的输出功率，使用了同步多联电位器，该电位器的每一联分别与对应的信号协调与处理单元相连，实现了多路功率同步调整，各路输出功率的差异通过在校准时通过信号的幅度微调单元的电位器调整。信号协调与处理单元还包括输出过功率的保护。当发生短路或者其它原因导致功率输出超过了额定值，这时过功率保护将起作用，继电器K1、K2动作，切断输入信号，同时锁定功率的输出，来保护大功率驱动级的安全。保护电路使用了单向可控硅保持电路，保护状态只有重新上电后，才能复位去除，以确保安全性。

功率放大驱动单元，该单元的作用是把前级来的信号进行功率放大，以便使该信号能够有效驱动柔性钢轮的轴伸单元。该单元使用了多级放大电路，输入级使用了运放OP07,该运放工作在基本的反相输入放大电路模式。还引入了功率输出端的反馈，即将驱动负载的输出量反馈给运放的反向输入端，达到了对功率驱动输出的全闭环反馈，保证功率输出的稳定性。OP07的输出接晶体管Q1的基极，Q2基极的输入是从驱动输出的负载端取出的部分反馈量，晶体管Q1、Q2是型号一致的NPN型晶体管Q1，Q2采用了差动输入方式，利用Q1，Q2实现了与运放OP07输出的阻抗匹配，同时从输出端引入了负反馈可以更好的保证功率输出稳定可靠。Q1，Q2的输出接晶体管Q4，该晶体管完成信号的放大功能。Q4的输出接晶体管Q5、Q6实现功率放大，Q5,Q6是互补型的晶体管，其中Q5放大输入信号的正半周,Q6放大输入信号的负半周,使信号有足够的能力驱动后级。Q8,Q7组成的驱动级采用了大功率高压场效应管，来驱动感性负载励磁线圈。

监测反馈单元，该单元是ARM处理系统与负载监测管理的通道。它从负载输出中取样，经过隔离后反馈给ARM处理系统。该信息经过量化处理后，进而获得负载当前的电流、电压、功率等情况。从而有针对性的决定下一步操作。

Claims (1)

1.一种新型谐波电机驱动器，其特征在于，该新型谐波电机驱动器包括功率驱动电源系统、内核及信号电源系统、以ARM为核心的信号发生与重构单元、信号协调与处理单元、功率放大驱动单元和监测反馈单元；

该新型谐波电机驱动器具备多路驱动输出，负载为谐波电机的柔性钢轮轴伸单元的工作线圈，路数由谐波电机的柔性钢轮轴伸单元的工作极数确定；

功率驱动电源系统包括隔离变压器和整流滤波单元；交流电经过隔离变压器转变为交流电，输入到整流滤波单元；整流滤波单元包括整流桥堆和多组并联的高压滤波电容，交流电经过整流桥堆后被整流成脉动直流电，再经过高压滤波电容的滤波，即得到所需的直流电，大部分作为功率放大驱动单元的电源，小部分作为信号协调与处理单元的电源；

内核及信号电源系统，主要为以ARM为核心的信号发生与重构单元提供电源，同时还为信号协调与处理单元供电；内核及信号电源系统采用DC/DC模块化电源模式；

以ARM为核心的信号发生与重构单元，其为新型谐波电机驱动器的核心，谐波电机的柔性钢轮轴伸单元所需要的多路等相差驱动输出信号，均由ARM为核心的信号发生与重构单元发生；信号发生与重构单元包括ARM处理系统、数据隔离通道和波形重构单元，ARM处理系统包括32位的ARM处理器stm32f103、8M晶振以及电容C1和C2组成振源，为处理系统提供所需频率；为保证ARM处理系统的工作稳定，利用数据隔离通道将ARM处理系统与波形重构单元进行隔离；波形重构单元由SPI接口的数模转换芯片和运算放大器构成；

信号协调与处理单元，该单元对以ARM为核心的信号发生与重构单元输出的信号进行信号幅度的放大以及电流放大与输出过功率的保护处理；信号协调与处理单元与信号的路数相对应，每一路信号对应一路独立的处理单元；

信号协调与处理单元对波形重构单元输出的信号进行处理，以便信号有效的驱动后级的功率驱动单元；处理包括信号幅度的放大以及电流放大与输出过功率的保护；信号协调与处理单元与信号的路数相对应，每一路信号对应一路独立的处理单元；从波形重构单元输出的信号经过多运放TL084实现信号多级放大与幅度微调，采用多级放大，将信号提升到后续功率驱动级所需的幅度；还利用TL084的运放结合3296型电位器实现信号幅度的微调，作用是利用该环节确保各路输出信号幅值基本一致，实现驱动器对驱动输出幅度一致性的要求；TL084的输出连接外部电位器，作用是调节驱动级的输出功率，使用同步多联电位器，该外部电位器的每一联分别与对应的信号协调与处理单元相连，实现多路功率同步调整，各路输出功率的差异通过在校准时通过信号的幅度微调单元的电位器调整；信号协调与处理单元还包括输出过功率的保护；当发生短路或者其它原因导致功率输出超过额定值，这时过功率保护将起作用，继电器K1、K2动作，切断输入信号，同时锁定功率的输出，来保护大功率驱动级的安全；保护电路使用单向可控硅保持电路，保护状态只有重新上电后，才能复位去除，以确保安全性；

功率放大驱动单元，该单元将信号协调与处理单元输出的信号进行功率放大，使该信号有效地驱动谐波电机的柔性钢轮轴伸单元；

功率放大驱动单元是把前级来的信号进行功率放大，使用多级放大电路，输入级使用运放OP07,该运放工作在基本的反相输入放大电路模式；还引入功率输出端的反馈，即将驱动负载的输出量反馈给运放的反向输入端，达到对功率驱动输出的全闭环反馈，保证功率输出的稳定性；OP07的输出接晶体管Q1的基极，Q2基极的输入是从驱动输出的负载端取出的部分反馈量，晶体管Q1、Q2是型号一致的NPN型晶体管，晶体管Q1、Q2采用差动输入方式，利用晶体管Q1，Q2实现与运放OP07输出的阻抗匹配，同时从输出端引入负反馈，保证功率输出稳定可靠；晶体管Q1，Q2的输出接晶体管Q4，晶体管Q4完成信号的放大；晶体管Q4的输出接晶体管Q5、Q6，实现功率放大，晶体管Q5,Q6是互补型的晶体管，其中Q5放大输入信号的正半周,Q6放大输入信号的负半周，使信号有足够的能力驱动后级；晶体管Q7、Q8组成的驱动级采用了大功率高压场效应管，来驱动感性负载励磁线圈；

监测反馈单元，该单元是以ARM为核心的信号发生与重构单元与负载监测管理的通道；从负载输出中取样，经过隔离后反馈给以ARM为核心的信号发生与重构单元。