CN107707160A - 高精度直流无刷伺服电机驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供高精度直流无刷伺服电机驱动器，涉及电机领域，包括旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块、CPLD I/O接口逻辑处理模块、MCU信号采集及算法控制模块、信号调理及PWM脉宽控制电路、辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块；本发明适用于汽车、船舶、包装印刷、数控改造、工业自动化等控制领域；通过角度位置传感器获得控制器所需的电子换相、速度、位置信号，与高精度直流无刷伺服电机驱动器配套使用，形成一个闭环电机调速控制系统；控制步进脉冲信号的频率和脉冲个数，就可对电机进行精确调速和定位。

Description

高精度直流无刷伺服电机驱动器
技术领域
本发明涉及电机领域，具体涉及高精度直流无刷伺服电机驱动器。
背景技术
在电气时代的今天，国内自动化行业的自动化程度越来越高，同时对自动化执行机构的高可靠性、高可控性、灵敏性以及安全性能都有很高的要求。直流无刷伺服电机作为最常见的一种电机，具有精度高、易于控制、成本低、高可靠、功率密度大的特性，非常适合自动化控制领域的应用。非常优秀的线形机械特性、较宽的调速范围、良好的启动性能，以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域都得到了广泛的应用。本产品设计了无刷伺服电机控制系统的整体方案，根据目前伺服电机控制方面特点，本产品参照和借鉴了大量优秀电路，合理有效的电路设计，在保障高性能、高可靠性的同时，优化电路设计。在负载过流、过压、欠压、温升保护、旋转变压器角度位置传感器数字解析、EPROM精准换相信息输出、电流环速度环控制、三相高压H桥COMS管驱动、霍尔电流传感器应用、内外脉冲控制转换、以及输入输出IO隔离等，使整个伺服驱动电路做到性能可靠、安全、大电流等技术特点。使伺服电机在驱动器的控制下，高低速运行平稳、调速反应灵敏、方向、使能控制可靠、欠压、过压、过流、温度保护响应快速可靠。以频率信号控制方式的伺服电机驱动器，在特殊领域并不能全面、全方位的代替各种电机控制应用，但在一些特别的场合如大规模电子电路集中工作环境对于整个自动化数据采集控制就有很大的优势。我公司完全采用自主研发，根据生产企业的工艺控制要求，选择多种电子器件、搭配合理电路反复实验，并在生产线上多次试用，效果良好。它的特点是产品电路设计合理、综合性能高，能够适应高速生产线的工作要求，提高自动化生产线的工作效率等。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了高精度直流无刷伺服电机驱动器，对电机进行精确调速和定位。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：高精度直流无刷伺服电机驱动器，包括旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块、CPLD I/O接口逻辑处理模块、MCU信号采集及算法控制模块、信号调理及PWM脉宽控制电路、辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块；
所述旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块由函数发生器N3 ICL8038产生固定频率的正弦波，经运放N4D TL084、三极管V101V100进行功率放大，PTC电阻保护，接入伺服电机旋转角度传感器的励磁绕组，再通过传感器的正弦绕组、余弦波绕组感应的角度信号接入，有解码芯片N2 AD2S82A及其外围电路组成的数字解析电路进行解析，生成一路与电机转速成正比的模拟量速度信号，一路正反转方向信号，一路与旋转角度成正比10位二进制并行位置码，通过位置码扫描存储在D927C512EPROM里无刷电机的换相信息，并输出3位换相编码连接到CPLD可编程控制器和位置解码芯片D15MC33039；
所述CPLD I/O接口逻辑处理模块包括可编程逻辑控制器CPLD D8 ISP1016E、G1晶振、复位电路以及其它外围电路，通过程序对CPLD IO输入输出端口进行逻辑功能定义，形成一些相应的专用特殊功能引脚，芯片D927C512EPROM先输出3位换相编码信号的接入和N1UC3637PWM脉宽调制信号的接入，通过内部可编程组合逻辑进行处理，形成3路互补PWM调制的功率三相桥驱动脉冲信号输出，同时位置解码芯片D15MC33039输出的位置编码脉冲及N2AD2S82A方向DIR信号的接入，通过可编程组合逻辑进行处理及外围外三极管推挽电路的放大，形成标准24V位置编码X、Y、Z方波信号输出；
所述MCU信号采集及算法控制模块包括单片机D14M30620FCPFP、复位芯片D13TL7705ACD、D18串口存储芯片93LC46以及一些外围辅助电路；单片机AD模数转换模块通过对输出相电流、速度反馈电压、速度给定电压采样，并结合外围模拟电路及单片机程序控制形成电流环、速度环双闭环PI控制；同时单片机通过对功率驱动板温度传感器、驱动电压、速度反馈、速度给定、过流比较信号、电压比较信号等外围模拟信号，组成一个完善的过压、欠压、过流、失速、过温、旋变失效等保护功能；同时还对功能性IO输入输出以及FV频率电压转换的处理功能。
优选地，所述信号调理及PWM脉宽控制电路通过CPLD逻辑控制电子开关对电机相电流进行有效采集，经运放调理、精密二极管运放整流滤波送往单片机进行电机电流AD数据实时采集，同时受D14M30620FCPFP单片机F/V转换程序控制的N25DA转换器AD7543KR输出速度给定信号，到同样受单片机程序控制的电子可调电位器上端，从而形成单片机内部程序电流环、速度环双闭环PI控制，受控数字可调电位器中间可调输出端经N10D运放AD713输出到N1直流电机PWM脉宽控制器UC 3637，信号经PWM脉宽控制器处理，输出两路互补PWM信号到CPLD内部可编程组合逻辑进行电子换相逻辑与PWM脉宽合成，形成3路互补PWM调制信号，到三相H桥驱动单元进行电机驱动。
优选地，所述辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块包括辅助电源单元和三相H桥驱动单元，辅助电源包括N2电源芯片UC3844、Q7功率CMOS管4N80、T1变压器、线性稳压芯片7815、7915、7805，快恢复二极管以及外围器件，辅助电源为控制板提供正负15V及正5V稳压电源，以及三相H桥上臂3路隔离驱动电源、下臂1路隔离电源；三相H桥驱动单元主要有上臂3路隔离控制光耦E1-3TLP250、下臂3路隔离控制光耦E4-6TLP250以及外围器件组成的三相H桥反向截止隔离驱动单元。
本发明提供了高精度直流无刷伺服电机驱动器，它适用于汽车、船舶、包装印刷、数控改造、工业自动化等控制领域；通过角度位置传感器获得控制器所需的电子换相、速度、位置信号，与高精度直流无刷伺服电机驱动器配套使用，形成一个闭环电机调速控制系统；驱动器是专门用于驱动直流无刷伺服电机的电子设备，它把控制系统发出的脉冲信号转化为电机的角位移，意即控制系统每发一个脉冲信号，驱动器就使伺服电机旋转一步距角；控制步进脉冲信号的频率和脉冲个数，就可对电机进行精确调速和定位。
有益效果：
1.本发明采用旋变解码芯片及EPROM存储器产生无刷伺服电机速度、位置、换相为一体输出，设计合理、构思巧妙。
2.因最终控制设备是高压大功率无刷伺服直流电机，所以电路中采用先进的H桥CMOS管输出电路、CMOS管专用驱动集成电路进行输出控制。最终达到控制电机的该产品采用霍尔电流传感器进目的。
3.行相电流采样，通过CPLD时序逻辑及电子开关对相电流进行采集，通过巧妙的电路设计，做到相电流斩波处理，使得每相电流设定精准、可靠，电机运行平稳，大电流发热小、运行噪音低的技术特点。
4.整个电路采用比较全面的保护措施(欠压、过压、过流、过热)，使得应用系统安全可靠。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的电路原理图；
图2为本发明中旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块的原理图；
图3为本发明中CPLD I/O接口逻辑处理模块的原理图；
图4为本发明中辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块的原理图。
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。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1所示，高精度直流无刷伺服电机驱动器，包括旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块、CPLD I/O接口逻辑处理模块、MCU信号采集及算法控制模块、信号调理及PWM脉宽控制电路、辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块；
如图2所示，所述旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块由函数发生器N3ICL8038产生固定频率的正弦波，经运放N4D TL084、三极管V101V100进行功率放大，PTC电阻保护，接入伺服电机旋转角度传感器的励磁绕组，再通过传感器的正弦绕组、余弦波绕组感应的角度信号接入，有解码芯片N2AD2S82A及其外围电路组成的数字解析电路进行解析，生成一路与电机转速成正比的模拟量速度信号，一路正反转方向信号，一路与旋转角度成正比10位二进制并行位置码，通过位置码扫描存储在D927C512EPROM里无刷电机的换相信息，并输出3位换相编码连接到CPLD可编程控制器和位置解码芯片D15MC33039；
如图3所示，所述CPLD I/O接口逻辑处理模块包括可编程逻辑控制器CPLDD8ISP1016E、G1晶振、复位电路以及其它外围电路，通过程序对CPLD IO输入输出端口进行逻辑功能定义，形成一些相应的专用特殊功能引脚，芯片D927C512EPROM先输出3位换相编码信号的接入和N1UC3637PWM脉宽调制信号的接入，通过内部可编程组合逻辑进行处理，形成3路互补PWM调制的功率三相桥驱动脉冲信号输出，同时位置解码芯片D15MC33039输出的位置编码脉冲及N2AD2S82A方向DIR信号的接入，通过可编程组合逻辑进行处理及外围外三极管推挽电路的放大，形成标准24V位置编码X、Y、Z方波信号输出；
所述MCU信号采集及算法控制模块包括单片机D14M30620FCPFP、复位芯片D13TL7705ACD、D18串口存储芯片93LC46以及一些外围辅助电路；单片机AD模数转换模块通过对输出相电流、速度反馈电压、速度给定电压采样，并结合外围模拟电路及单片机程序控制形成电流环、速度环双闭环PI控制；同时单片机通过对功率驱动板温度传感器、驱动电压、速度反馈、速度给定、过流比较信号、电压比较信号等外围模拟信号，组成一个完善的过压、欠压、过流、失速、过温、旋变失效等保护功能；同时还对功能性IO输入输出以及FV频率电压转换的处理功能。
本发明提供了高精度直流无刷伺服电机驱动器，它适用于汽车、船舶、包装印刷、数控改造、工业自动化等控制领域；通过角度位置传感器获得控制器所需的电子换相、速度、位置信号，与高精度直流无刷伺服电机驱动器配套使用，形成一个闭环电机调速控制系统；驱动器是专门用于驱动直流无刷伺服电机的电子设备，它把控制系统发出的脉冲信号转化为电机的角位移，意即控制系统每发一个脉冲信号，驱动器就使伺服电机旋转一步距角；控制步进脉冲信号的频率和脉冲个数，就可对电机进行精确调速和定位。
实施例2：
优选地，所述信号调理及PWM脉宽控制电路通过CPLD逻辑控制电子开关对电机相电流进行有效采集，经运放调理、精密二极管运放整流滤波送往单片机进行电机电流AD数据实时采集，同时受D14M30620FCPFP单片机F/V转换程序控制的N25DA转换器AD7543KR输出速度给定信号，到同样受单片机程序控制的电子可调电位器上端，从而形成单片机内部程序电流环、速度环双闭环PI控制，受控数字可调电位器中间可调输出端经N10D运放AD713输出到N1直流电机PWM脉宽控制器UC 3637，信号经PWM脉宽控制器处理，输出两路互补PWM信号到CPLD内部可编程组合逻辑进行电子换相逻辑与PWM脉宽合成，形成3路互补PWM调制信号，到三相H桥驱动单元进行电机驱动。
实施例3：
如图4所示，优选地，所述辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块包括辅助电源单元和三相H桥驱动单元，辅助电源包括N2电源芯片UC3844、Q7功率CMOS管4N80、T1变压器、线性稳压芯片7815、7915、7805，快恢复二极管以及外围器件，辅助电源为控制板提供正负15V及正5V稳压电源，以及三相H桥上臂3路隔离驱动电源、下臂1路隔离电源；三相H桥驱动单元主要有上臂3路隔离控制光耦E1-3TLP250、下臂3路隔离控制光耦E4-6TLP250以及外围器件组成的三相H桥反向截止隔离驱动单元。
本发明主要技术参数：
1.两相四线制步进电机驱动设备；
2.输入电压：DC140V±10％；
3.输出电流最大10A；
4.输入给定为频率信号，范围为1.2KHz～2.8KHz,其中1.2KHz～2KHz频率为逆时针转动、2KHz～2.8KHz频率为顺时针转动，信号幅度24Vdc±10％，电机速度±3000转/分钟；
5.输入使能具有光电隔离、TTL电平兼容；
6.具有过载、过热、过压、欠压、失速保护功能，同时具有输出故障报警功能；
7.面板发光二极管工作状态指示及电位器调整电机运行状态功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.高精度直流无刷伺服电机驱动器，其特征在于，包括旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块、CPLD I/O接口逻辑处理模块、MCU信号采集及算法控制模块、信号调理及PWM脉宽控制电路、辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块；
所述旋转角度位置传感器数字解析精准换相模块由函数发生器N3ICL8038产生固定频率的正弦波，经运放N4D TL084、三极管V101V100进行功率放大，PTC电阻保护，接入伺服电机旋转角度传感器的励磁绕组，再通过传感器的正弦绕组、余弦波绕组感应的角度信号接入，有解码芯片N2AD2S82A及其外围电路组成的数字解析电路进行解析，生成一路与电机转速成正比的模拟量速度信号，一路正反转方向信号，一路与旋转角度成正比10位二进制并行位置码，通过位置码扫描存储在D927C512EPROM里无刷电机的换相信息，并输出3位换相编码连接到CPLD可编程控制器和位置解码芯片D15MC33039；
所述CPLD I/O接口逻辑处理模块包括可编程逻辑控制器CPLD D8ISP1016E、G1晶振、复位电路以及其它外围电路，通过程序对CPLD IO输入输出端口进行逻辑功能定义，形成一些相应的专用特殊功能引脚，芯片D927C512EPROM先输出3位换相编码信号的接入和N1UC3637PWM脉宽调制信号的接入，通过内部可编程组合逻辑进行处理，形成3路互补PWM调制的功率三相桥驱动脉冲信号输出，同时位置解码芯片D15MC33039输出的位置编码脉冲及N2AD2S82A方向DIR信号的接入，通过可编程组合逻辑进行处理及外围外三极管推挽电路的放大，形成标准24V位置编码X、Y、Z方波信号输出；
所述MCU信号采集及算法控制模块包括单片机D14M30620FCPFP、复位芯片D13TL7705ACD、D18串口存储芯片93LC46以及一些外围辅助电路；单片机AD模数转换模块通过对输出相电流、速度反馈电压、速度给定电压采样，并结合外围模拟电路及单片机程序控制形成电流环、速度环双闭环PI控制；同时单片机通过对功率驱动板温度传感器、驱动电压、速度反馈、速度给定、过流比较信号、电压比较信号等外围模拟信号，组成一个完善的过压、欠压、过流、失速、过温、旋变失效等保护功能；同时还对功能性IO输入输出以及FV频率电压转换的处理功能。
2.如权利要求1所述的高精度直流无刷伺服电机驱动器，其特征在于，所述信号调理及PWM脉宽控制电路通过CPLD逻辑控制电子开关对电机相电流进行有效采集，经运放调理、精密二极管运放整流滤波送往单片机进行电机电流AD数据实时采集，同时受D14M30620FCPFP单片机F/V转换程序控制的N25DA转换器AD7543KR输出速度给定信号，到同样受单片机程序控制的电子可调电位器上端，从而形成单片机内部程序电流环、速度环双闭环PI控制，受控数字可调电位器中间可调输出端经N10D运放AD713输出到N1直流电机PWM脉宽控制器UC3637，信号经PWM脉宽控制器处理，输出两路互补PWM信号到CPLD内部可编程组合逻辑进行电子换相逻辑与PWM脉宽合成，形成3路互补PWM调制信号，到三相H桥驱动单元进行电机驱动。
3.如权利要求1所述的高精度直流无刷伺服电机驱动器，其特征在于，所述辅助电源及高压H桥COMS管驱动模块包括辅助电源单元和三相H桥驱动单元，辅助电源包括N2电源芯片UC3844、Q7功率CMOS管4N80、T1变压器、线性稳压芯片7815、7915、7805、快恢复二极管以及外围器件，辅助电源为控制板提供正负15V及正5V稳压电源，以及三相H桥上臂3路隔离驱动电源、下臂1路隔离电源；三相H桥驱动单元主要有上臂3路隔离控制光耦E1-3TLP250、下臂3路隔离控制光耦E4-6TLP250以及外围器件组成的三相H桥反向截止隔离驱动单元。
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