CN106774119B

CN106774119B - 一种伺服驱动器

Info

Publication number: CN106774119B
Application number: CN201611196017.4A
Authority: CN
Inventors: 王晓军
Original assignee: Guangdong Polytechnic Normal University
Current assignee: Guangdong Polytechnic Normal University
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: CN106774119A

Abstract

本发明公开了一种伺服驱动器，所述伺服驱动器包括：内部装置和外壳；所述外壳，用于封装所述伺服驱动器；所述内部装置包括功率驱动板、电源板、CPU板和IO板四个部分，且所述功率驱动板、电源板、CPU板和IO板通过板与板之间的连接件相连；所述伺服驱动器采用电池或者直流电源供电；所述伺服驱动器内置一个16K步程序容量的PLC控制器和多种通讯端口，实现具有低压驱控一体功能的智能伺服驱动器。

Description

一种伺服驱动器

技术领域

本发明涉及驱动器技术领域，特别是涉及一种伺服驱动器。

背景技术

目前，常见的机器人控制系统通常采用专用的机器人控制器，与控制器接口的伺服驱动器，以及伺服驱动器连接的伺服电机，且机器人动作的编程和处理是在控制器内进行的。通过机器人控制系统，能够控制机器人动作，满足需求。

但是机器人控制系统存在很多缺点，如，常见的机器人控制系统需要专用的机器人控制器+伺服驱动器+伺服电机，系统结构复杂，控制精度低，成本高；且所有控制计算在控制器中进行，机器人动作轴数增加时，由于控制器处理能力限制，实时性不高。因此，需要在原来的机器人控制系统做出改进，克服现有机器人控制系统中存在的弊端。

发明内容

本发明的目的是提供一种伺服驱动器，针对现有大型工业及服务机器人系统成本高、应用复杂、计算集中等问题而发明的一款高端工业及大型服务机器人专用的伺服驱动器，具有十分明显的先进性和重要性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种伺服驱动器，所述伺服驱动器包括内部装置和外壳；所述外壳，用于封装所述伺服驱动器；所述内部装置包括功率驱动板、电源板、CPU板和IO板四个部分，且所述功率驱动板、电源板、CPU板和IO板通过板与板之间的连接件相连；所述伺服驱动器采用电池或者直流电源供电；所述伺服驱动器内置一个16K步程序容量的PLC控制器和多种通讯端口。

可选的，所述外壳包括上盖、中框和底座；所述上盖采用铝合金数控的方式加工；所述上盖的氧化层厚度在30um以上。

可选的，所述功率驱动板包括：MOSFET逆变整列装置，刹车MOSFET及驱动装置，母线电容阵列装置，NTC，MOSFET驱动装置，相电流采集装置，短路保护装置，母线电流采集装置，母线电压采集装置，BLDC过零检测装置；

所述MOSFET逆变阵列装置由IRF7759器件组成，并采用DirectFET方式进行封装；

所述刹车MOSFET及驱动装置，用于输出刹车指令；

所述母线电容阵列装置，采用6颗10mm*10mm的贴片电解电容；所述电解电容的耐压80V，47uF；

所述NTC：靠近MOSFET放置，NTC分压输入CPLD的ADC采集处理；

所述MOSFET驱动装置，采用IRS2186元器件；当模块电流<＝200A时，使用3个IRS2186元器件；当模块电流>200A时，使用6个IRS2186元器件；所述MOSFET采用IRF7759元器件作为所述MOSFET的功率；所述IRF7759元器件在10V栅极驱动电压下只有1.8mohms；

所述相电流采集装置，采用2512进行封装；所述相电流采集装置的输出U相和输出V相分别串联锰铜分流器电阻；所述相电流采集装置的额定功率为3W；

所述短路保护装置，为输入母线电容和逆变阵列之间串联锰铜分流器电阻，所述锰铜分流器电阻的数量\阻值选择与电流的对应关系与相电流一致；并将分流器上产生的电压输入到AD8418上进行放大，AD8418的输出通过比较器与2.5V REF比较，比较的结果输入CPLD，判断母线是否过流；

所述母线电流采集装置，用于通过输入母线电容和逆变阵列之间串联锰铜分流器电阻，所述锰铜分流器电阻的数量\阻值选择与电流的对应关系与相电流一致，并将分流器上产生的电压输入到AD8418上进行放大，后进入CPLD的ADC采集母线电流；

所述母线电压采集装置用于通过所述锰铜分流器电阻分压1/25后，进入CPLD的ADC采集母线电压；

所述BLDC过零检测装置用于判断单相交流电源的频率、电压反相点，为调节伺服电机的转速或者频率提供依据。

可选的，所述电源板包括：多路输出电源和WIFI/蓝牙电路；

所述多路输出电源通过一个输入12V-60V，输出5V的开关电源得到5V/1A主电源，再由所述5V/1A主电源转换成多路输出电源，所述多路输出电源包括：+5V电源、+12V电源、+3.3V电源、+1.35V电源、+1.2V电源、以及2.5V电源；

所述WIFI/蓝牙电路通过串口与CPU通讯；其中，所述WIFI/蓝牙电路采用陶瓷天线；所述WIFI/蓝牙电路内设一个具有FLASH存储的ESP8622元器件。

可选的，所述CPU板包括：CPU和CPLD器件；

所述CPU包括：NXPLPC3250最小系统、MAX10最小系统和存储器；

所述存储器，采用1MB的SRAM作为存储器扩展，并挂在所述CPU处理器的外部并行总线上；

所述CPLD芯片，为所述CPU的外部设备，挂所述CPU的外部并行总线上；所述CPLD芯片选用ALTERA MAX10系列CPLD，包括：10M08SAU169C8G，8K LE以及带8路12Bit ADC；所述CPLD芯片采用3.3V的单电源供电。

可选的，所述IO板包括通讯接口部分、IO部分以及编码器电路接口；

所述通讯接口部分内置PLC控制器和通讯接口；

所述IO部分，用于为输入输出外部数字量；所述IO部分支持8个数字输入和8个数字输出的数字电路；所述IO部分中每个输入点和输出点用于通过所述PLC控制器来配置不同的功能信号；

所述编码器电路包括2500线增量\省线编码器和通型编码器；所述通讯型编码器包括多摩川、SSI、BISS、Endat、Hyperface DSL。

可选的，所述通讯接口包括RS422通讯接口、RS485通讯接口、IBUS扩展接口、DBUS扩展接口、WIFI/蓝牙接口；

所述RS422通讯接口是一种全双工差分接口，用于连接PC上的开发环境编程、下载程序和连接市面上常用的人机界面；

所述RS485通讯接口是一种半双工的差分接口，用于支持MODBUS主/从站协议、自定义协议以及支持编程扣协议和用于扩展其他的设备；

所述IBUS扩展接口是基于所述RS485通讯接口的电平，用于支持内部通讯协议IBUS和扩展全系列的PLC扩展模块；

所述DBUS扩展接口是基于所述RS485通讯接口，用于支持内部通讯协议DBUS；

所述WIFI/蓝牙接口，用于无线或者蓝牙接收通讯信息。

可选的，所述PLC控制器的功能代码在所述CPU处理器内，并与所述CPU控制共享存储器，用于方便访问驱动器内部的各个参数和状态变量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种伺服驱动器，所述伺服驱动器包括：内部装置和外壳；所述外壳，用于封装所述伺服驱动器；所述内部装置包括功率驱动板、电源板、CPU板和IO板四个部分，且所述功率驱动板、电源板、CPU板和IO板通过板与板之间的连接件相连；所述伺服驱动器采用电池或者直流电源供电；所述伺服驱动器内置一个16K步程序容量的PLC控制器和多种通讯端口，实现具有低压驱控一体的智能伺服驱动器。

本发明提供的伺服驱动器具有结构紧凑，体积小，电机驱动、逻辑控制及机器人运动控制功能，可广泛应用在移动机器人平台、医疗、无人机等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的伺服驱动器的单元电路结构划分示意图；

图2为本发明实施例的伺服驱动器的板间连接和高度设计图；

图3为本发明实施例的可编程智能伺服驱动器的软件结构框图；

图4为本发明实施例的伺服驱动器的外壳包装图；

图5为本发明实施例的伺服驱动器的内部电路板堆叠图；

图6为本发明实施例的伺服驱动器各个部分连接框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为伺服驱动器的单元电路结构划分示意图，如图1所示，所述伺服驱动器包括所述伺服驱动器包括内部装置和外壳；所述外壳，用于封装所述伺服驱动器；所述内部装置包括功率驱动板、电源板、CPU板和IO板四个部分，且所述功率驱动板、电源板、CPU板和IO板通过板与板之间的连接件相连。

其中，所述功率驱动板、电源板、CPU板和IO板的连接关系以及各个板间的距离，如图2所示，功率驱动板与上盖的距离是0.7mm，功率驱动板的厚度是2mm，功率驱动板与电源板的距离是7.3mm，电源板的厚度是1mm，电源板与CPU板的距离是5mm，CPU板的厚度是1mm，CPU板与IO板的距离是7mm，IO板的厚度是1mm。

所述伺服驱动器采用电池或者直流电源供电，特别适合移动机器人的使用场合；

所述伺服驱动器的体积为60x60x31mm，具有体积小重量轻优点，且在体积为60x60x31mm的伺服驱动器也能实现3KW电机的支持，可以大大节约安装空间，特别是对体积和重量十分敏感的移动机器人平台具有重要意义；

所述伺服驱动器内置一个16K步程序容量的PLC控制器和多种通讯端口，可以实现复杂的逻辑控制，不再需要专门的控制器；且在所述伺服驱动器内置分布式机器人运动控制算法，机器人各轴运动控制的计算在各驱动器内部各自完成，通过合理的设计编程环境，结合驱动器内部的PLC，降低机器人动作编程的难度。

其中，CPU板包括以下部分：

CPU处理器部分：包括LPC3250的最小系统、MAX10的最小系统、存储器系统。由于伺服驱动器内置PLC和机器人控制算法，相应存储容量要求也会升高，因此需要在CPU芯片添加一个外扩展存储器。本发明选用一个1MB的SRAM作为外扩展存储器，并挂在CPU芯片的外部并行总线上。

IO板包括，通讯接口部分、IO部分、编码器电路等；

通讯接口部分：由于内置了PLC，驱动器对通讯接口的数量和类型要求较高，包括RS422通讯接口、RS485通讯接口、IBUS扩展接口、DBUS扩展接口以及WIFI/蓝牙。

RS422通讯接口是一种全双工差分接口，在系统里用于连接PC上的开发环境编程和下载程序，也可用用来连接市面上常用的人机界面；

RS485通讯接口是一种半双工的差分接口，这个接口支持MODBUS主/从站协议、自定义协议，也可以支持编程扣协议，也可以一个方便扩展其他的设备；

IBUS扩展接口基于RS485通讯接口电平，支持内部通讯协议IBUS，可以扩展全系列的PLC扩展模块，如IO扩展模块、模拟量输入输出模块、温度控制模块、称重模块等。

DBUS扩展接口基于RS485通讯接口电平，支持内部通讯协议DBUS，可以驱动器的组网；

WIFI/蓝牙接口，用于无线或者蓝牙接收通讯信息。

IO部分：驱动器的外部数字量输入输出电路，每台驱动器支持8个数字输入和8个数字输出。每个输入和输出点都可以通过软件灵活配置不同的功能信号，如限位、伺服使能、PLC输入输出点等。

编码器电路：支持2500线增量\省线编码器，支持通讯型编码器包括多摩川、SSI、BISS、Endat、Hyperface DSL。编码器差分接收电路采用2片26LV32E，通讯编码器电路部分采用1片SN65HVD75。

电源板包括多路输出电源和WIFI/蓝牙电路。

多路输出电源通过一个输入12V-60V，输出5V的开关电源得到5V/1A主电源，再由5V/1A主电源转换成多路输出电源，多路输出电源包括：+5V电源、+12V电源、+3.3V电源、+1.35V电源、+1.2V电源、以及2.5V电源；。

WIFI/蓝牙电路通过串口与CPU通讯；其中，WIFI/蓝牙电路采用陶瓷天线；WIFI/蓝牙电路内设一个具有FLASH存储的ESP8622元器件。

驱动板包含所述功率驱动板包括：MOSFET逆变整列装置，刹车MOSFET及驱动装置，母线电容阵列装置，NTC，MOSFET驱动装置，相电流采集装置，母线电流采集装置，短路保护装置，母线电压采集装置，BLDC过零检测装置。

MOSFET驱动装置，采用IRS2186元器件；当模块电流<＝200A时，使用3个IRS2186元器件；当模块电流>200A时，使用6个IRS2186元器件；所述MOSFET采用IRF7759元器件作为所述MOSFET的功率；IRF7759器件具有极低的导通电阻，在10V栅极驱动电压下只有1.8mohms。每个IRF7759器件在充分散热时，具有160A的持续过流能力。MOSFET驱动装置采用DirectFET封装，该封装将IRF7759器件直接绑定在金属外壳上，IRF7759器件和外壳之间具有极低的热阻，且MOSFET的金属外壳和散热接触面是绝缘的；为了降低MOSFET到驱动器散热器的热阻，本发明采用了直接接触的方式。

相电流采集装置，采用2512进行封装；所述相电流采集装置的输出U相和输出V相分别串联锰铜分流器电阻；所述相电流采集装置的额定功率为3W；其中锰铜分流器电阻的数量\阻值选择与电流的对应关系如下：

分流器上产生的电压输入到AD8418上进行放大，后进入MCP3301采集处理。

短路保护装置为输入母线电容和逆变阵列之间串联锰铜分流器电阻，电阻的数量\阻值选择与电流的对应关系与相电流一致；并将分流器上产生的电压输入到AD8418上进行放大，AD8418的输出通过比较器与2.5V REF比较，比较的结果输入CPLD，判断母线是否过流；

母线电流采集装置用于通过输入母线电容和逆变阵列之间串联锰铜分流器电阻，所述锰铜分流器电阻的数量\阻值选择与电流的对应关系与相电流一致，并将分流器上产生的电压输入到AD8418上进行放大，后进入CPLD的ADC采集母线电流；

母线电压采集装置用于通过所述锰铜分流器电阻分压1/25后，进入CPLD的ADC采集母线电压；

NTC：靠近MOSFET放置，NTC分压输入CPLD的ADC采集处理；

MOSFET逆变阵列装置由IRF7759器件组成，并采用DirectFET方式进行封装；其中，IRF7759器件数量的选择和电流的对应关系如下：

母线电容阵列装置采用6颗10mm*10mm的贴片电解电容；所述电解电容的耐压80V，47uF。

BLDC过零检测装置用于判断单相交流电源的频率、电压反相点，为调节伺服电机的转速或者频率提供依据。

由于伺服电机特别是用于机器人领域的伺服电机对桥壁PWM控制信号的精度要求很高，因此，本发明提供的伺服驱动器中的驱动功率板输出的上下桥壁PWM信号可以控制IGBT的开通和关断。另外，为了防止上下桥壁直通导致IGBT损坏，还设计了IGBT的硬件保护电路，且IGBT驱动电路选择了专用的大电流IGBT驱动芯片。

母线电容阵列装置：采用6颗10mm*10mm的贴片电解电容，耐压80V，47uF。

另外，本发明提供的伺服驱动器采用低压高功率密度的逆变电路，是本发明的关键部分之一，伺服驱动器通过MOSFET驱动的开关对母线电压采集装置进行调制，并通过空间矢量控制方式驱动伺服电机。

伺服驱动器通过IBUS扩展接口可以扩展PCM系列可编程控制器的扩展模块，最多可扩展10台；通过DBUS扩展接口可以实现最多16台驱动器的组网。

在本发明提供的伺服驱动器中还内设了空间矢量控制算法、三环运算结构以及和PLC程序，如图3所示

空间矢量控制算法采集相电流和电机编码器反馈，通过Park/i-Park变换及clark/i-clark变换，完成永磁同步电机的矢量控制(id＝0)；

三环运算结构通过PI控制策略保证反馈的电流跟随给定的电流；速度环采用的是PI/PDFF可切换的控制策略；位置环在基本的P控制的基础上，提供无偏差控制的模式；

PLC程序通过用户在开发环境中编写的程序编译后以机器码的形式下载到PLC程序空间中，程序运行时，PLC解析器循环解析这些机器码并执行；通讯处理模块与对应的通讯接口交互，完成通讯帧到数据的双向转换；机器人控制计算模块根据收到的运行参数计算本轴运行轨迹，并在运行过程中根据虚拟主轴的位置计算本轴对应位置，将对应该位置作为位置环的输入。

本发明中的伺服驱动器的外壳采用铝合金散热技术，其外壳由上盖、中框和底座构成；上盖采用铝合金材质，进行硬阳极氧化，氧化层厚度保持在30um以上，利用AL2O3的绝缘特性，保证MOSFET驱动装置的极低热阻。伺服驱动器整机外壳采用铝合金数控的方式加工，将MOSFET驱动装置产生的热量传导到整个机壳进行散热；所述伺服驱动器的外壳，如4图所示；伺服驱动器的内部电路板堆叠如图5所示；伺服驱动器各个部分连接框图，如图6所示。

本实施例中的伺服驱动器采用驱动一体的设计思路，在伺服驱动器内部除了具有普通驱动伺服电机所需要的矢量控制算法及三环运算结构之外，还集成了一个具有16K步程序容量的PLC控制器，PLC控制器和伺服驱动电机的功能代码在一个CPU里面运行，共享存储器，这样用户在编写的PLC程序里面可以很方便得访问驱动器内部的各个参数和状态变量；PLC控制器也是用户编写机器人控制程序的载体。伺服驱动器控制部分采用双核的方式，主控采用CPU+FPGA，CPU采用NXP LP3250，负责伺服电机的驱动算法、PLC控制器部分用户程序的解析运行、机器人控制算法，FPGA采用ALTERA MAX10，具有8K个逻辑单元，负责编码器通讯、外部信号的采集和解析，这样的结构可以最大限度的减少CPU计算被外设中断的概率，CPU可以全力完成算法，保证计算的稳定、高速。

本实施例提供的伺服驱动器，可应用于移动机器人，满足所述移动机器人要求设备小型化，高集成度的要求，并在伺服电机基础上，加上本实施例中的伺服驱动器，可形成一体化控制驱动系统，不再需要专门控制器，系统结构简单，控制精度高。

另外，本实施例中的伺服驱动器不但可以用于移动机器人和医疗设备的高精度定位、平滑的速度控制和动作控制等，还可以实现电子凸轮、同步等高级运动控制，应用范围十分广泛。本实施例中的伺服驱动器还具有RS-422、RS485、WIFI、蓝牙等通信功能，可以使用装有伺服设置软件的个人计算机，或使用iOS或Andriod APP进行参数的设定、试运行、状态显示的监控和增益调整。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器包括内部装置和外壳；所述外壳，用于封装所述伺服驱动器；所述内部装置包括功率驱动板、电源板、CPU板和IO板四个部分，且所述功率驱动板、电源板、CPU板和IO板通过板与板之间的连接件相连；所述伺服驱动器采用电池或者直流电源供电；所述伺服驱动器内置一个16K步程序容量的PLC控制器和多种通讯端口；所述通讯端口包括RS422通讯接口、RS485通讯接口、IBUS扩展接口、DBUS扩展接口以及WIFI/蓝牙；

所述功率驱动板包括：MOSFET逆变整流装置，刹车MOSFET及驱动装置，母线电容阵列装置，NTC，MOSFET驱动装置，相电流采集装置，短路保护装置，母线电流采集装置，母线电压采集装置，BLDC过零检测装置；

所述刹车MOSFET及驱动装置，用于输出刹车指令；

所述NTC：靠近MOSFET放置，NTC分压输入CPLD的ADC采集处理；

所述MOSFET驱动装置，采用IRS2186元器件；当模块电流<＝200A时，使用3个IRS2186元器件；当模块电流>200A时，使用6个IRS2186元器件；所述MOSFET采用IRF7759元器件作为所述MOSFET的功率器件；所述IRF7759元器件在10V栅极驱动电压下只有1.8mohms；

2.根据权利要求1所述一种伺服驱动器，其特征在于，所述外壳包括上盖、中框和底座；所述上盖采用铝合金数控的方式加工；所述上盖的氧化层厚度在30um以上。

3.根据权利要求1所述一种伺服驱动器，其特征在于，所述电源板包括：多路输出电源和WIFI/蓝牙电路；

所述多路输出电源，通过一个输入12V-60V，输出5V的开关电源得到5V/1A主电源，再由所述5V/1A主电源转换成多路输出电源，所述多路输出电源包括：+5V电源、+12V电源、+3.3V电源、+1.35V电源、+1.2V电源、以及2.5V电源；

4.根据权利要求1所述一种伺服驱动器，其特征在于，所述CPU板包括：CPU和CPLD器件；

所述CPU包括：NXPLPC3250最小系统、MAX10最小系统和存储器；

所述CPLD器件，为所述CPU的外部设备，挂所述CPU的外部并行总线上；所述CPLD芯片选用ALTERA MAX10系列CPLD，包括：10M08SAU169C8G，8KLE以及带8路12BitADC；所述CPLD芯片采用3.3V的单电源供电。

5.根据权利要求1所述一种伺服驱动器，其特征在于，所述IO板包括通讯接口部分、IO部分以及编码器电路接口；

所述通讯接口部分内置PLC控制器和通讯接口；

6.根据权利要求5所述一种伺服驱动器，其特征在于，所述通讯接口包括RS422通讯接口、RS485通讯接口、IBUS扩展接口、DBUS扩展接口、WIFI/蓝牙接口；

所述WIFI/蓝牙接口，用于无线或者蓝牙接收通讯信息。

7.根据权利要求5所述一种伺服驱动器，其特征在于，所述PLC控制器的功能代码在所述CPU处理器内，并与所述CPU控制共享存储器，用于方便访问驱动器内部的各个参数和状态变量。