CN109217738A - 一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法。其主要是将4路电机的控制和驱动集成于一体，从而有效减少多轴集成的主控芯片数量，简化控制电路结构，有效降低生产与维护成本。该控制器的结构主要包括控制电路以及功率电路；控制电路包括第一基板、设置在第一基板上的MCU芯片、编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块以及第一排针；功率电路包括第二基板、设置在第二基板上的整流及电源软启动模块、功率驱动模块、电压调理采样模块、制动控制模块、电流采样芯片、电流调理模块、储能电容以及第二排针。

Description

一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法

技术领域

本发明属于工业自动化控制领域，具体涉及一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法。

背景技术

随着《中国制造2025》强国战略的发布，我国的工业自动化行业得到蓬勃发展，而作为智能制造、智能装备核心和关键技术的工业控制系统、伺服电机、驱动器以及减速机等装置，更是得到大力推广和发展。伺服驱动器是工业自动化应用的核心部件，是实现电能到动能的转换装置。

目前国产伺服驱动器产品种类较多，但大部分以单轴伺服驱动器为主，而工业自动化应用中，常常需要多个电机轴协同驱动控制，如果采用多个单轴伺服驱动器，就需要较大的放置空间，布线接线也相对复杂，且每个单轴伺服驱动器均有独立的整流模块和微处理器(MCU)控制电路，形成了较大浪费。随着微处理器芯片计算能力的不断提高，低成本的单片MCU芯片也足够完成多轴电机的信号采集处理和驱动控制，因此多轴集成的伺服驱动器产品成为了伺服驱动器发展的重要方向。

近两年，市场上推出了两轴伺服驱动器，实现了一个MCU驱动两台电机运行；进而又推出了四轴伺服驱动器，采用多个MCU或FPGA相结合的多核控制方式；或有将三个两轴伺服驱动器集成在一个壳体内，一个MCU驱动两个电机轴，形成一个六轴伺服驱动器产品。也就是说现有的多轴集成方式通常使用一个MCU驱动一个或两个电机轴，再做叠加形成多轴伺服驱动器，在控制轴较多时控制芯片数目相应增加，从而消耗更多资源，成本较高。

中国专利，专利申请号201420821892.7，公开的一款多轴集成伺服驱动器，包含整流单元，控制电源单元，多个逆变单元，信号处理单元，控制单元。其中控制单元由多个处理器和辅助电路组成，与多个逆变单元一一对应，从而与电机一一对应，每个都单独给一个电机提供驱动。

但是，该专利技术存在缺陷是：实际为1个CPU控制一个轴，并没有实现多轴集成控制。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明设计出了一种四轴集成的伺服驱动器及伺服驱动控制方法，其主要是将4路电机的控制和驱动集成于一体，从而有效减少多轴集成的主控芯片数量，简化控制电路结构，有效降低生产与维护成本。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种四轴集成的伺服驱动器，包括控制电路以及功率电路；

所述控制电路包括第一基板、设置在第一基板上的MCU芯片、编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块以及第一排针；

所述编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块以及第一排针均与MCU芯片相互电连接；

通讯模块为EtherCAT总线通信模块或CAN通信模块；

功率电路包括第二基板、设置在第二基板上的整流及电源软启动模块、功率驱动模块、电压调理采样模块、制动控制模块、电流采样芯片、电流调理模块、储能电容以及第二排针；

所述第二排针与第一排针相互插接；功率驱动模块共设置4路，每一路功率驱动模块均包括磁耦隔离模块和IPM芯片；每路中的磁耦隔离模块与IPM芯片的信号输入端连接，IPM芯片的信号输出端用于驱动该路电机旋转；

整流及电源软启动模块将外部输入的交流电转换为直流母线电压，并将电能储存在储能电容中，给4路IPM芯片供电；

电压采样调理模块用于采集整流后的直流母线电压，并通过第二排针、第一排针将电压信号传输至MCU芯片上；

电流采样芯片为4个，并均通过电流调理模块与第二排针电连接，电流采样芯片用于采集功率驱动模块的电流信号；

电流调理模块对采样的电流信号进行偏置放大与滤波处理后通过第二排针、第一排针传输至MCU芯片。

进一步地，上述编码器接口模块包括滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路以及FPGA芯片；外部4路电机的转子位置反馈信号依次通过滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路反馈给FPGA芯片处理后传输至MCU芯片。

为了使通讯模块能够适用于多种外部设备，上述通讯模块还包括与计算机或外部扩展设备连接的串口通讯模块以及IO模块。

为了使控制电路的可靠性和安全性更高，上述功率电路还包括故障检测模块；当经过电流采样芯片和电流调理模块采集到的电流信号超出阈值时，故障检测模块将过流故障信号传输至MCU芯片，关断功率驱动模块和电机。

进一步地，上述功率电路还包括温度检测模块；温度检测模块用于监测第二基板和第一基板的实时温度，并将温度信号传输至MCU芯片。

进一步地，上述控制电路的第一基板上还设有用于存储运行参数的EEPROM芯片。

本发明还提出了一种伺服驱动控制方法，采用了上述的四轴集成的伺服驱动器，通过以下步骤实现：

【1】启动，控制电路以及功率电路中各个电器元件开始初始化；

初始化过程中：低压电源转化模块将外部的24V控制电压转为5V控制电压，一路供给MCU芯片，另一路供给FPGA芯片；

整流及电源软启动模块工作，实现对4路功率驱动模块加入初始电压，同时将电能储存在储能电容中，给4路IPM芯片供电；当储能电容充电到设定阈值后，整流及电源软启动模块中的软启动功能断开；

【2】电压采样调理模块采集整流后的直流母线电压信号，并将采样调理后的电压信号传输至MCU芯片；

【3】电流采样芯片将4路功率驱动模块的电流信号通过电流调理模块处理后传输至MCU芯片；

【4】编码器接口模块接收外部4路电机的转子位置反馈信号，通过FPGA处理后传输至MCU芯片；

【5】通讯模块通过以太网接收外部控制指令，并将控制指令传输至MCU芯片；

【6】MCU芯片通过接收来的电压信号、电流信号、4路电机的转子位置反馈信号以及控制指令后，通过闭环控制算法获得控制信号，并将控制信号传输至4路功率驱动模块；

【7】4路功率驱动模块分别输出四路功率驱动信号，对4个电机轴进行控制，从而实现了一个周期时间内的控制；

【8】重复步骤【2】-【7】，对4个电机轴进行持续控制。

进一步地，上述方法中还包括：当电压采样调理模块采集到的电压信号超出阈值时，启动制动控制模块，对电压进行泄放控制。

进一步地，上述方法中还包括：当电流采样调理模块采集到的电流信号超出阈值时，故障检测模块将过流故障信号传输至MCU芯片，关断功率驱动模块和电机。

进一步地，上述方法中还包括：在执行步骤【1】-【8】的过程中温度检测模块持续对4路功率驱动模块的温度进行检测，并将温度信号反馈至MCU芯片,当MCU检测到温度超过设定阈值时，MCU将限制闭环控制算法输出的控制信号，保证设备安全运行。

本发明的有益效果：

1、本发明采用了MCU芯片结合FPGA芯片的控制电路，实现了电机驱动器4轴集成控制，集成度高，尺寸重量均小于市面上其它同类产品。

2、本发明的通信模块采用EtherCAT总线通信模块或CAN通信模块，具有较高的实时性、同步性和灵活的拓扑结构，适用性更强。

3、本发明的编码器接口模块采用滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路以及FPGA芯片构成，获取的外部反馈信号更加精确，有利于整个伺服驱动器的闭环控制。

4、本发明采用四轴闭环控制算法由一个MCU芯片完成，更容易实现四个轴之间的插补控制和同步控制，同步控制精度更高。

5、本发明的故障检测模块和制动控制模块分别用于对采样电流和电压进行监视，在出现过流或欠压、超压的情况，可以实现自动保护，提高了可靠性。

6、本发明的通讯模块还包括了串口通讯模块以及IO模块，能够为用户提供设备参数在线监测和调试、外部传感器信号输入和输出等更多的功能。

附图说明

图1为控制电路的框架图；

图2为功率电路的框架图；

图3为功率驱动模块的框架图；

图4为软启动电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的伺服控制器及其控制方法进行更加详尽的说明：

该四轴集成的伺服驱动器包括控制电路以及功率电路；

如图1所示，控制电路包括第一基板、、设置在第一基板上的MCU芯片、编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块、第一排针以及EEPROM芯片；

编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块以及第一排针均与MCU芯片相互电连接；

通讯模块为EtherCAT总线通信模块或CAN通信模块；

如图2所示，功率电路包括第二基板、设置在第二基板上的整流及电源软启动模块、功率驱动模块、电压调理采样模块、制动控制模块、电流采样芯片、电流调理模块、储能电容以及第二排针；

所述第二排针与第一排针相互插接；如图3所示，功率驱动模块共设置4路，每一路功率驱动模块均包括磁耦隔离模块和IPM芯片；每路中的磁耦隔离模块与IPM芯片的信号输入端连接，IPM芯片的信号输出端用于驱动该路电机旋转；需要更具体说明的是：IPM芯片内置了自举电路、三相IGBT逆变桥和栅极驱动与保护控制电路，并具有欠压、过压、过温和短路保护功能。控制电路的PWM控制信号经过高速磁耦隔离后进入IPM芯片控制信号输入端，驱动IPM内部的IGBT导通与关断，控制施加到电机绕组的电压，从而驱动电机旋转。

整流及电源软启动模块将外部输入的交流电转换为直流母线电压，并将电能储存在储能电容中，给4路IPM芯片供电；

整流及电源软启动模块中还设置软启动电路，软启动电路用于在功率电路上电初始时刻(大概在100ms左右的时间范围内)，将给储能电容充电的电流限制在合适范围内，保证功率电路安全可靠；当储能电容充电到设定阈值后，软启动电路从主回路中断开。

本发明的软启动电路具体如图4所示，其由继电器、正温度系数电阻(PTC)构成路。当电源上电时，储能电容充电，此时瞬时充电电流较大，电流经过PTC电阻后，电阻温度迅速上升，电阻同时增大，从而抑制充电电流上升。当MCU芯片检测到母线电压大于设定阈值时，软件判断储能电容充电完成，此时控制继电器将PTC电阻短路，即母线回路中电流不再经过PTC，从而实现电源软启动。另外，软启动电路还可以使用其他形式，比如采用可控硅电路和延时电路来实现。

电压采样调理模块用于采集整流后的直流母线电压，并通过第二排针、第一排针将电压信号传输至MCU芯片上；

电流采样芯片为4个，并均通过电流调理模块与第二排针电连接，电流采样芯片用于采集功率驱动模块的电流信号；

电流调理模块对采样的电流信号进行偏置放大与滤波处理后通过第二排针、第一排针传输至MCU芯片。

具体来说，编码器接口模块包括滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路以及FPGA芯片；外部4路电机的转子位置反馈信号依次通过滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路反馈给FPGA芯片处理后传输至MCU芯片。

为了使通讯模块能够适用于多种外部设备，通讯模块上还包括与计算机或外部扩展设备连接的串口通讯模块以及IO模块。

为了使控制电路的可靠性和安全性更高，功率电路上还包括故障检测模块以及温度检测模块；当经过电流采样芯片和电流调理模块采集到的电流信号超出阈值时，故障检测模块将过流故障信号传输至MCU芯片，关断功率驱动模块和电机。温度检测模块用于监测第二基板和第一基板的实时温度，并将温度信号传输至MCU芯片。

需要具体说明的是：电流采样芯片(以下简称电流IC)对相电流进行采样，并配置硬件故障保护功能。每个IPM芯片的UVW三相的输出均通过电流IC，取U相和W相的电流采样值进入电流调理模块，使用电流IC的过流故障输出功能，为UVW三相配置过流故障阈值Ioc，每路电机的三片电流IC的故障输出信号经过“与逻辑”处理后进入MCU芯片。当电流IC检测到电流超过设置阈值时，故障引脚输出低电平，低电平将触发MCU产生中断，MCU芯片在中断服务程序中立即禁止PWM信号输出，从而保护功率电路和电机。

电流采样芯片使用二阶低通贝塞尔滤波器，既滤除了电流采样信号中的高频噪声，又配置了采样信号的放大倍数，使电流采样范围和精度满足使用要求。

本发明中四轴伺服驱动器中的MCU芯片是本发明的核心，其在本例中使用MPC5553MZQ132(BGA-324)，MCU资源配置见表1。

表1 MCU资源配置表

采用本例的MCU芯片，控制电路的工作原理是：

MCU芯片输出24路PWM控制信号，同时控制四个采用FOC控制方式的伺服电机。MCU芯片为每路电机提供两个电流采样数据反馈通道，四路电机共8通道电流采样，同时采集电机的U相和W相电流，作为电流环的反馈。电机运行参数存储在EEPROM芯片中，MCU芯片通过SPIC与EEPROM芯片交换数据。高速工业以太网采用EtherCAT标准(采用EtherCAT总线标准，通过一个ET1100总线接口芯片处理四路电机的控制数据，即一个从站节点配置四个电机轴；MCU与ET1100之间通过SPI实现数据传输)，总线接口使用ET1100来实现，MCU芯片通过SPIB与ET1100交换总线数据，并配置有总线同步中断。驱动器与四路电机编码器的通讯和数据读写通过FPGA芯片来扩展实现，MCU通过SPID与FPGA芯片交换数据。MCU可以控制FPGA芯片实时读取编码器单圈值、多圈值和故障码，也可以向编码器的EEPROM芯片写入电机参数、序列号、厂商信息等数据。另外驱动器单独配置了参数调试串口和CANopen总线通讯接口，参数调试串口接口为RS232。

通过上述对伺服驱动控制器的系统架构的描述，现对采用其进行四轴伺服驱动控制方法进行介绍，具体步骤如下：

【1】启动，控制电路以及功率电路中各个电器元件开始初始化；

初始化过程中：低压电源转化模块将外部的24V控制电压转为5V控制电压，一路供给MCU芯片，另一路供给FPGA芯片；

整流及电源软启动模块工作，实现对4路功率驱动模块加入初始电压，同时将电能储存在储能电容中，给4路IPM芯片供电；当储能电容充电到设定阈值后，整流及电源软启动模块中的软启动功能断开；

【2】电压采样调理模块采集整流后的直流母线电压信号，并将采样调理后的电压信号传输至MCU芯片；

【3】电流采样芯片将4路功率驱动模块的电流信号通过电流调理模块处理后传输至MCU芯片；

【4】编码器接口模块接收外部4路电机的转子位置反馈信号，通过FPGA处理后传输至MCU芯片；

【5】通讯模块通过以太网接收外部控制指令，并将控制指令传输至MCU芯片；

【6】MCU芯片通过接收来的电压信号、电流信号、4路电机的转子位置反馈信号以及控制指令后，通过闭环控制算法获得控制信号，并将控制信号传输至4路功率驱动模块；

【7】4路功率驱动模块分别输出四路功率驱动信号，对4个电机轴进行控制，从而实现了一个周期时间内的控制；

【8】重复步骤【2】-【7】，对4个电机轴进行持续控制。

在执行上述步骤中，当电压采样调理模块采集到的电压信号超出阈值时，启动制动控制模块，对电压进行泄放控制。

在执行上述步骤中，当电流采样调理模块采集到的电流信号超出阈值时，故障检测模块将过流故障信号传输至MCU芯片，关断功率驱动模块和电机。

在执行步骤【1】-【8】的过程中温度检测模块持续对4路功率驱动模块的温度进行检测，并将温度信号反馈至MCU芯片,当MCU检测到温度超过设定阈值时，MCU将限制闭环控制算法输出的控制信号，保证设备安全运行。

Claims (10)

1.一种四轴集成的伺服驱动器，其特征在于：包括控制电路以及功率电路；

所述控制电路包括第一基板、设置在第一基板上的MCU芯片、编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块以及第一排针；

所述编码器接口模块、通讯模块、低压电源转换模块以及第一排针均与MCU芯片相互电连接；

通讯模块为EtherCAT总线通信模块或CAN通信模块；

功率电路包括第二基板、设置在第二基板上的整流及电源软启动模块、功率驱动模块、电压调理采样模块、制动控制模块、电流采样芯片、电流调理模块、储能电容以及第二排针；

所述第二排针与第一排针相互插接；功率驱动模块共设置4路，每一路功率驱动模块均包括磁耦隔离模块和IPM芯片；每路中的磁耦隔离模块与IPM芯片的信号输入端连接，IPM芯片的信号输出端用于驱动该路电机旋转；

整流及电源软启动模块将外部输入的交流电转换为直流母线电压，并将电能储存在储能电容中，给4路IPM芯片供电；

电压采样调理模块用于采集整流后的直流母线电压，并通过第二排针、第一排针将电压信号传输至MCU芯片上；

电流采样芯片为4个，并均通过电流调理模块与第二排针电连接，电流采样芯片用于采集功率驱动模块的电流信号；

电流调理模块对采样的电流信号进行偏置放大与滤波处理后通过第二排针、第一排针传输至MCU芯片。

2.根据权利要求1所述的四轴集成的伺服驱动器，其特征在于：所述编码器接口模块包括滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路以及FPGA芯片；外部4路电机的转子位置反馈信号依次通过滤波电路，静电防护电路，差分转单端电路、隔离电路反馈给FPGA芯片处理后传输至MCU芯片。

3.根据权利要求2所述的四轴集成的伺服驱动器，其特征在于：所述通讯模块还包括与计算机或外部扩展设备连接的串口通讯模块以及IO模块。

4.根据权利要求3所述的四轴集成的伺服驱动器，其特征在于：所述功率电路还包括故障检测模块；当经过电流采样芯片和电流调理模块采集到的电流信号超出阈值时，故障检测模块将过流故障信号传输至MCU芯片，关断功率驱动模块和电机。

5.根据权利要求4所述的四轴集成的伺服驱动器，其特征在于：所述功率电路还包括温度检测模块；温度检测模块用于监测第二基板和第一基板的实时温度，并将温度信号传输至MCU芯片。

6.根据权利要求5所述的四轴集成的伺服驱动器，其特征在于：所述控制电路的第一基板上还设有用于存储运行参数的EEPROM芯片。

7.一种伺服驱动控制方法，其特征在于，采用了权利要求6所述的四轴集成的伺服驱动器，通过以下步骤实现：

【1】启动，控制电路以及功率电路中各个电器元件开始初始化；

初始化过程中：低压电源转化模块将外部的24V控制电压转为5V控制电压，一路供给MCU芯片，另一路供给FPGA芯片；

整流及电源软启动模块工作，实现对4路功率驱动模块加入初始电压，同时将电能储存在储能电容中，给4路IPM芯片供电；当储能电容充电到设定阈值后，整流及电源软启动模块中的软启动功能断开；

【2】电压采样调理模块采集整流后的直流母线电压信号，并将采样调理后的电压信号传输至MCU芯片；

【3】电流采样芯片将4路功率驱动模块的电流信号通过电流调理模块处理后传输至MCU芯片；

【4】编码器接口模块接收外部4路电机的转子位置反馈信号，通过FPGA处理后传输至MCU芯片；

【5】通讯模块通过以太网接收外部控制指令，并将控制指令传输至MCU芯片；

【6】MCU芯片通过接收来的电压信号、电流信号、4路电机的转子位置反馈信号以及控制指令后，通过闭环控制算法获得控制信号，并将控制信号传输至4路功率驱动模块；

【7】4路功率驱动模块分别输出四路功率驱动信号，对4个电机轴进行控制，从而实现了一个周期时间内的控制；

【8】重复步骤【2】-【7】，对4个电机轴进行持续控制。

8.根据权利要求7所述的伺服驱动控制方法，其特征在于：当电压采样调理模块采集到的电压信号超出阈值时，启动制动控制模块，对电压进行泄放控制。

9.根据权利要求8所述的伺服驱动控制方法，其特征在于：当电流采样调理模块采集到的电流信号超出阈值时，故障检测模块将过流故障信号传输至MCU芯片，关断功率驱动模块和电机。

10.根据权利要求9所述的伺服驱动控制方法，其特征在于：在执行步骤【1】-【8】的过程中温度检测模块持续对4路功率驱动模块的温度进行检测，并将温度信号反馈至MCU芯片,当MCU检测到温度超过设定阈值时，MCU将限制闭环控制算法输出的控制信号，保证设备安全运行。