CN108566125A - 集成式三轴伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成式三轴伺服驱动器，IPM逆变电源分别为三轴独立的IPM模块逆变电路，将310V直流电变成受控的交流可变频率的交流电供应给伺服电机的电机定子线圈，DSP数字信号处理器主要负责伺服电机的控制算法、PWM产生、电流采样计算、电机转子位置计算、通讯控制、显示与键盘处理、以及与CPLD的通讯与数据互换，CPLD编程器负责与DSP数字信号处理器协调工作，主要处理编码器信号、PWM产生、驱动器的输入输出处理、整个驱动系统的报警信息处理。其可以直接替代三个独立伺服驱动器，缩小了安装空间，简化了电气电缆连接线路，提高电源利用率，多轴需要同步的场合，大大提高了同步性能。
Description
技术领域
本发明涉及交流伺服驱动器技术领域，尤其是涉及一种集成式三轴伺服驱动器。
背景技术
随着信息技术与机械装置和动力设备的结合日益紧密，伺服驱动技术得到了迅猛的发展。在数控机床，纺织设备，包装印刷等各个自动化行业得到广泛的应用，产业机械自动化程度升级的浪潮，也为伺服驱动技术和市场的快速发展起到了强大的助推作用。然而，伺服驱动技术发展至今，一直是以单轴驱动器控制单台电机为主要模式。这个一对一控制模式，具有以下不足：
1)复杂的系统电源信号电气连接。
2)占用较大的安装位置，使电气柜子材料浪费。
3)每轴独立的功率变换回路，每轴高速旋转停车时制动的能量以发热的形式全部浪费在制动电阻上，实质上是电力能源的浪费。
4)在两轴需要同步的场合，同步控制性能效果不理想，而且外部电气线路复杂。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种集成式三轴伺服驱动器，其可以直接替代三个独立伺服驱动器，缩小了安装空间，简化了电气电缆连接线路，有利于控制柜的小巧化；减小电阻发热，降低无效的损耗，提高电源利用率；多轴需要同步的场合，大大提高了同步性能。
本发明是通过以下技术方案使上述技术问题得以解决。
集成式三轴伺服驱动器，驱动器硬件分为功率驱动板和控制电路板，包括电源模块，将220V交流电转换成直流电用于供给整个驱动器各部分的直流电源；功率驱动板主回路模块，将动力三相电变成310V直流电供给IPM逆变电源；IPM逆变电源，分别为三轴独立的IPM模块逆变电路，将310V直流电变成受控的交流可变频率的交流电供应给伺服电机的电机定子线圈；刹车制动电路模块，用于电机快速停车时泵升电压的泄放；三轴电流采样电路模块，为三轴共六路的电流采样电路，分别将三个独立电机的定子电流通过隔离、放大传送到数字处理器进行AD转换；串口通信模块，DSP数字信号处理器通过串口通信模块与外部上位机进行串行通讯；DSP数字信号处理器，主要负责伺服电机的控制算法、PWM产生、电流采样计算、电机转子位置计算、通讯控制、显示与键盘处理、以及与CPLD的通讯与数据互换；CPLD编程器，负责与DSP数字信号处理器协调工作，主要处理编码器信号、PWM产生、驱动器的输入输出处理、整个驱动系统的报警信息处理；报警模块，为报警逻辑处理电路，主要处理整个系统的过压、欠压、过流报警；输入输出模块，与上位机接口的输入输出功能电路；编码器处理电路模块，接受伺服电机编码器信号，输出阻抗合适的信号给CPLD处理。
作为优选，电源模块将220V交流电经过整流滤波后通过开关变压器获得5V、12V电压。
作为优选，DSP数字信号处理器的伺服通讯模块包括RS485通讯模块。
作为优选，DSP数字信号处理器连接有显示与键盘电路模块。
作为优选，串口通信模块为外部上位机接口，接受上位机发来的指令，通过隔离传送到DSP数字信号处理器中计数。
作为优选，IPM逆变电源包括X轴IPM模块、Y轴IPM模块和Z轴IPM模块，DSP数字信号处理器负责X轴的PWM产生，CPLD编程器负责Y轴和Z轴的PWM产生。
本发明的有益效果：本发明的集成式三轴伺服驱动器，可以直接替代原来的三个独立伺服驱动器，在电气结构上，可以有效的节省安装面积，简化外部电缆布线，有利于把控制机柜做的更精巧。三轴共用开关电源与高压主回路，制动所产生的多余电能都可以给其它轴加速使用，减少无用的消耗，减少制动电阻的发热，有效的节省电能，间接落实了节能减排的战略。多轴需要同步的场合，大大提高了同步性能，较原来三轴独立相比，能大大提高产品的后期维护维修成本。
附图说明
结合以下附图旨在便于描述较佳实施例，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1是本发明的电路框图；
图2是本发明的控制软件流程框图；
图3是本发明的X轴Y轴Z轴IPM模块逆变电路图；
图4是本发明的电路原理图。
图中：1-电源模块，2-功率驱动板主回路模块，3-刹车制动电路模块，4-X轴IPM模块，5-Y轴IPM模块，6-Z轴IPM模块，7-三轴电流采样电路模块，8-串口通信模块，9-DSP数字信号处理器，10-CPLD编程器，11-报警模块，12-输入输出模块，13-编码器处理电路模块，14-显示与键盘电路模块，15-RS485通讯模块。
具体实施方式
为了方便理解本发明，下面结合附图对本发明进行详细的描述。
本发明的集成式三轴伺服驱动器，由硬件与软件构成。结合图1和图4所示，驱动器硬件分为功率驱动板和控制电路板，整个工作流程如下：电源模块1为开关电源，电源模块将220V交流电经过整流滤波后通过开关变压器获得5V、12V电压供给整个驱动器各部分的直流电源。功率驱动板主回路模块2，将动力三相电变成310V直流电供给IPM逆变电源，是功率电源变换的主要部位，电机快速停车时产生的泵升电压也是储存在主回路中，一旦电压超过设定的值，刹车制动电路就会动作，通过电阻放掉多余的电能，以免过压。本发明因为集成了三轴，所以制动所产生的多余电能都可以给其它轴加速使用，所以大大节省电能，减少无用的消耗。IPM逆变电源，参看图3，分别为三轴独立的IPM模块逆变电路，包括X轴IPM模块4、Y轴IPM模块5和Z轴IPM模块6，将310V直流电变成受控的交流可变频率的交流电供应给伺服电机的电机定子线圈。刹车制动电路模块3，用于电机快速停车时泵升电压的泄放，电阻越小功率越大泄放速度越快。三轴电流采样电路模块7，为三轴共六路的电流采样电路，分别将三个独立电机的定子电流通过隔离、放大传送到数字处理器进行AD转换。DSP数字信号处理器9通过串口通信模块8与外部上位机进行串行通讯，串口通信模块8为外部上位机接口，接收上位机发来的指令，通过隔离送到DSP数字信号处理器9中计数。DSP数字信号处理器9是本系统中的核心之一，主要负责伺服电机的控制算法、PWM产生、电流采样计算、电机转子位置计算、485通讯控制、显示与键盘处理以及与CPLD的通讯与数据互换，DSP数字信号处理器的伺服通讯模块包括RS485通讯模块15，用本模块可以与外部上位机进行串行通迅。DSP数字信号处理器连接有显示与键盘电路模块14，显示器由6位数码管组成，显示三轴伺服所有的运动状态信息，5个按键，做为伺服系统的参数输入与人机交互。CPLD编程器10是本系统的核心之二，负责与DSP数字信号处理器9协调工作，主要处理编码器信号、二轴的PWM硬件产生、驱动器的输入输出处理、整个驱动系统的报警信息处理，DSP数字信号处理器负责X轴的PWM产生，CPLD编程器负责Y轴和Z轴的PWM产生。报警模块11，为硬件报警逻辑处理电路，处理整个系统的过压、欠压、过流等报警。输入输出模块12，与上位机接口的输入输出功能电路，而且所有的输入输出均为可编程，可以通过参数定义为约定的20种功能之一。编码器处理电路模块13，接受伺服电机编码器信号，输出阻抗合适的信号给CPLD处理。
控制电路板上，整个三轴算法统一由一块DSP芯片完成，由CPLD完成外部码盘信号与DSP通迅功能，为了完成三轴的运算，做到实时控制要求，采用了优化的PID算法。整个控制软件流程框图如图2所示，系统上电后，收到复位信号DSP开始工作，先初始化各个寄存器，配制各个可编程的端口，接着开启中断，等待电流环中断，没中断时循环进行子程序处理，按键子程序，显示子程序，参数存储子程序，I/O信号处理子程序，报警扫描子程序。如果中断到了，立即进入中断服务程序。开始三轴电流采样，计算电机转子位置，与收到的位置指令求差，作为位置环的输入，经过位置环调节后的结果与收到的电机转速求差得到速度偏差做为速度环的输入。其它的流程如图2中所示，依次处理最后得到控制IPM的PWM信号，最终实现电机的精确位置速度电流控制。
Claims (6)
1.集成式三轴伺服驱动器，驱动器硬件分为功率驱动板和控制电路板，其特征是：包括电源模块，将220V交流电转换成直流电用于供给整个驱动器各部分的直流电源；功率驱动板主回路模块，将动力三相电变成310V直流电供给IPM逆变电源；IPM逆变电源，分别为三轴独立的IPM模块逆变电路，将310V直流电变成受控的交流可变频率的交流电供应给伺服电机的电机定子线圈；刹车制动电路模块，用于电机快速停车时泵升电压的泄放；三轴电流采样电路模块，为三轴共六路的电流采样电路，分别将三个独立电机的定子电流通过隔离、放大传送到数字处理器进行AD转换；串口通信模块，DSP数字信号处理器通过串口通信模块与外部上位机进行串行通讯；DSP数字信号处理器，主要负责伺服电机的控制算法、PWM产生、电流采样计算、电机转子位置计算、通讯控制、显示与键盘处理、以及与CPLD的通讯与数据互换；CPLD编程器，负责与DSP数字信号处理器协调工作，主要处理编码器信号、PWM产生、驱动器的输入输出处理、整个驱动系统的报警信息处理；报警模块，为报警逻辑处理电路，主要处理整个系统的过压、欠压、过流报警；输入输出模块，与上位机接口的输入输出功能电路；编码器处理电路模块，接受伺服电机编码器信号，输出阻抗合适的信号给CPLD处理。
2.根据权利要求1所述的集成式三轴伺服驱动器，其特征是：电源模块将220V交流电经过整流滤波后通过开关变压器获得5V、12V电压。
3.根据权利要求1所述的集成式三轴伺服驱动器，其特征是：DSP数字信号处理器的伺服通讯模块包括RS485通讯模块。
4.根据权利要求1所述的集成式三轴伺服驱动器，其特征是：DSP数字信号处理器连接有显示与键盘电路模块。
5.根据权利要求1所述的集成式三轴伺服驱动器，其特征是：串口通信模块为外部上位机接口，接受上位机发来的指令，通过隔离传送到DSP数字信号处理器中计数。
6.根据权利要求1所述的集成式三轴伺服驱动器，其特征是：IPM逆变电源包括X轴IPM模块、Y轴IPM模块和Z轴IPM模块，DSP数字信号处理器负责X轴的PWM产生，CPLD编程器负责Y轴和Z轴的PWM产生。
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