CN110224646A - 伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

一种伺服驱动器，包括整流与逆变模块、电流采样模块、电流驱动模块及矢量控制模块；整流与逆变模块对外部输入的电压进行整流、逆变得到三相交流电流，输出至伺服电机，接收矢量控制模块输出的开关信号，根据开关信号断开或导通与伺服电机的连接；电流采样模块对三相交流电流进行采样，得到电流信号，输出至电流驱动模块；电流驱动模块接收该电流信号，接收伺服电机编码器输出的反馈信号，接收外部发送的电流指令，根据电流指令对电流信号及反馈信号进行计算，得到电压信号，输出至矢量控制模块；矢量控制模块接收电压信号，根据电压信号生成开关信号，输出至整流与逆变模块。因此该伺服驱动器结构简单、小型化、集成化，满足工业现场的需求。

Description

伺服驱动器

技术领域

本发明涉及驱动控制技术领域，特别是涉及一种伺服驱动器。

背景技术

传统的伺服驱动器硬件一般由主控电路、整流与功率逆变电路、辅助电源、显示与按键四部分组成，可实现对伺服电机位置、速度和电流的精确控制，并接收上位控制器的指令进行指定运动。通常情况下，伺服驱动器的外设包含IO输入输出、模拟量输入输出、编码器输入输出等，导致主控电路通常由一个处理器和一个可编程逻辑器件组成，网络型驱动器还包括网络处理芯片用于总线通信的处理。因此，传统的伺服驱动器虽然功能丰富、性能强大，但结构比较复杂，不能满足工业现场对设备小型化、集成化的要求。

发明内容

基于此，有必要针对伺服驱动器结构比较复杂的问题，提供一种伺服驱动器。

一种伺服驱动器，用于驱动伺服电机转动，包括：整流与逆变模块、电流采样模块、电流驱动模块及矢量控制模块；

所述整流与逆变模块的输入端连接所述矢量控制模块的输出端，输出端分别连接所述电流采样模块的输入端及所述伺服电机，所述电流采样模块的输出端及所述伺服电机编码器的输出端连接所述电流驱动模块的输入端，所述电流驱动模块的输出端连接所述矢量控制模块的输入端；

所述整流与逆变模块用于对外部输入的电压进行整流、逆变得到三相交流电流，并将所述三相交流电流输出至所述伺服电机，还用于接收所述矢量控制模块输出的开关信号，并根据所述开关信号断开或导通所述整流与逆变模块与所述伺服电机的连接；

所述电流采样模块用于对所述三相交流电流进行采样，得到电流信号，并将所述电流信号输出至所述电流驱动模块；

所述电流驱动模块用于接收所述电流采样模块输出的电流信号，还用于接收所述伺服电机编码器输出的反馈信号，同时用于接收外部发送的电流指令，并根据所述电流指令对所述电流信号及所述反馈信号进行计算，得到电压信号，并将所述电压信号输出至所述矢量控制模块；

所述矢量控制模块用于接收所述电压信号，并根据所述电压信号生成开关信号，且将所述开关信号输出至所述整流与逆变模块。

在其中一个实施例中，所述电流驱动模块包括编码器接口单元和计算单元；所述编码器接口单元的一端连接所述伺服电机编码器，另一端连接所述计算单元的输入端，所述计算单元的输入端还连接所述电流采样模块的输出端，输出端连接所述矢量控制模块的输入端；

所述编码器接口单元用于接收所述伺服电机编码器输出的反馈信号，并将所述反馈信号输出至所述计算单元；所述计算单元用于接收所述电流采样模块输出的所述电流信号，还用于接收所述编码器接口单元输出的反馈信号，同时接收外部发送的电流指令，并根据所述电流指令对所述电流信号及所述反馈信号进行计算，得到电压控制信号，再对所述电压控制信号进行数学变形，得到电压信号，并将电压信号输出至所述矢量控制模块。

在其中一个实施例中，所述电流驱动模块还包括第一滤波单元；所述第一滤波单元的输入端和输出端分别对应连接所述编码器接口单元的输出端和所述计算单元的输入端；所述第一滤波单元用于接收所述反馈信号，并对所述反馈信号进行滤波，且将滤波后的反馈信号输出至所述计算单元。

在其中一个实施例中，所述计算单元包括三角函数计算子单元和电流环路计算子单元；所述三角函数计算子单元的输入端和输出端分别对应连接所述编码器接口单元的输出端和所述电流环路计算子单元的输入端，所述电流环路计算子单元的输入端和输出端还分别对应连接所述电流采样模块的输出端和所述矢量控制模块的输入端；

所述三角函数计算单元用于对所述反馈信号进行计算，得到伺服电机转动角度信号，并将所述伺服电机转动角度信号输出至所述电流环路计算子单元；所述电流环路计算子单元用于根据外部指令对所述电流信号和所述伺服电机转动角度信号进行计算，得到电压控制信号，再对所述电压控制信号进行数学变形输出，得到电压信号，并将电压信号输出至所述矢量控制模块。

在其中一个实施例中，所述电流驱动模块还包括第二滤波单元；所述第二滤波单元的输入端和输出端分别对应连接所述电流采样模块的输出端和所述计算单元的输入端，所述第二滤波单元用于对所述电流信号进行滤波，并将滤波后的电流信号输出至所述计算单元。

在其中一个实施例中，所述电流驱动模块还包括网络接口；所述网络接口的一端连接所述计算单元，另一端连接外部芯片；所述网络接口用于将所述计算单元输出的所述反馈信号和所述电流信号输出至外部芯片，同时接收外部芯片发送的电流指令。

在其中一个实施例中，所述伺服驱动器还包括保护模块；所述保护模块连接所述电流驱动模块；所述保护模块用于对所述电流驱动模块所接收的所述反馈信号和所述电流信号进行监测，若所述反馈信号和所述电流信号超过预设值，则控制所述电流驱动模块停止输出所述电压信号。

在其中一个实施例中，所述伺服驱动器还包括状态机；所述状态机连接所述电流驱动模块；所述状态机用于对所述电流驱动模块内部的计算进行协调。

在其中一个实施例中，所述第二滤波单元包括Sinc滤波器。

在其中一个实施例中，所述电流驱动模块包括处理器和可编程逻辑器件中的一种。

上述伺服驱动器中的电流驱动模块只需负责电流环的计算，而无需对位置环和速度环进行计算，因而只需使用一个单芯片即可实现电流环的计算，从而省去了传统伺服驱动器中需要进行位置环和速度环计算的可编程逻辑单元，同时也省去了与可编程逻辑单元进行连接的网络接口，因此该伺服驱动器的结构更为简单，从而实现伺服驱动器的小型化、集成化，进而满足工业现场的需求。

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实施例的附图。

图1为一实施方式提供的一种伺服驱动器的结构框图；

图2为图1所示实施方式的伺服驱动器的其中一个实施例的电流驱动模块的结构框图；

图3为图1所示实施方式的伺服驱动器的其中一个实施例的电流驱动模块包括第一滤波单元的结构框图；

图4为图2所示实施例的伺服驱动器的其中一个实施例的计算单元的结构框图；

图5为图1所示实施方式的伺服驱动器的其中一个实施例的电流驱动模块包括第二滤波单元的结构框图；

图6为图1所示实施方式的伺服驱动器的其中一个实施例的电流驱动模块包括网络接口的结构框图；

图7为图1所示实施方式的伺服驱动器的其中一个实施例的伺服驱动器包括保护模块的结构框图；

图8为图1所示实施方式的伺服驱动器的其中一个实施例的伺服驱动器包括状态机的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1，一实施方式提供了一种伺服驱动器。该伺服驱动器用于驱动伺服电机转动。该伺服驱动器包括整流与逆变模块110、电流采样模块120、电流驱动模块130及矢量控制模块140。

其中，整流与逆变模块110的输入端连接矢量控制模块140的输出端，输出端分别连接电流采样模块120的输入端及伺服电机。电流采样模块120的输出端及伺服电机编码器的输出端连接电流驱动模块130的输入端。电流驱动模块130的输出端连接矢量控制模块140的输入端。

整流与逆变模块110用于对外部输入的电压进行整流、逆变得到三相交流电流，并将三相交流电流输出至伺服电机，还用于接收矢量控制模块140输出的开关信号，并根据开关信号断开或导通整流与逆变模块110与伺服电机的连接。

具体地，整流与逆变模块110对所输入的市电进行整流，得到直流电，再将该直流电逆变为三相交流电，从而分别接入伺服电机的U相端、V相端、W相端，进而驱动伺服电机的转动。另外，该整流与逆变模块110还接收矢量控制模块140输出的开关信号，并根据该开关信号断开或导通整流与逆变模块110与伺服电机的连接，同时在导通时，该开关信号还起到控制整流与逆变模块110输出给伺服电机的电压值大小，从而控制伺服电机的电流，使得伺服电机按照目标运转。

电流采样模块120用于对三相交流电流进行采样，得到电流信号，并将电流信号输出至电流驱动模块130。其中，电流采样模块120可以是隔离传感器(如霍尔效应或电流互感器)结合一个放大器；也可以是电阻分流器结合一个隔离放大器；还可以是电阻分流器结合一个隔离Σ-ΔADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)。

电流驱动模块130用于接收电流采样模块120输出的电流信号，还用于接收伺服电机编码器输出的反馈信号，同时接收外部发送的电流指令，并根据电流指令对电流信号及反馈信号进行计算，得到电压信号，并将电压信号输出至矢量控制模块140。其中，电流驱动模块130包括处理器和可编程逻辑器件中的一种，处理器可以是带网络协议的ARM处理器。另外，该电流驱动模块130也包含支持各类网络协议的网络协议栈。

矢量控制模块140用于接收电压信号，并根据电压信号生成开关信号，且将开关信号输出至整流与逆变模块110。具体地，矢量控制模块140接收电流驱动模块130发送的电压信号，并根据该电压信号生成相应的开关信号，并将该开关信号输出至整流与逆变模块110，以控制整流与逆变模块110的输出。

上述伺服驱动器中的电流驱动模块130只需负责电流环的计算，而无需对位置环和速度环进行计算，因而只需使用一个单芯片即可实现电流环的计算，从而省去了传统伺服驱动器中需要进行位置环和速度环计算的可编程逻辑单元，同时也省去了与可编程逻辑单元进行连接的网络接口，因此该伺服驱动器的结构更为简单，从而实现伺服驱动器的小型化、集成化，进而满足工业现场的需求。

在一实施例中，请参考图2，电流驱动模块130包括编码器接口单元131和计算单元132。编码器接口单元131的一端连接伺服电机编码器，另一端连接计算单元132的输入端，计算单元132的输入端还连接电流采样模块120的输出端，输出端连接矢量控制模块140的输入端。

编码器接口单元131用于接收伺服电机编码器输出的反馈信号，并将反馈信号输出至计算单元132。其中，编码器接口单元131只要能实现将编码器输出的反馈信号输出至伺服驱动器中的计算单元132即可，从而确保编码器和伺服驱动器之间可进行通信。

计算单元132用于接收电流采样模块120输出的电流信号，还用于接收编码器接口单元131输出的反馈信号，同时接收外部发送的电流指令，并根据电流指令对电流信号及反馈信号进行计算，得到电压控制信号，再对电压控制信号进行数学变形，得到电压信号，并将电压信号输出至矢量控制模块140。具体地，计算单元132接收电流采样模块120输出的电流信号，接收编码器接口单元131输出的反馈信号，还接收外部发送的电流指令，并根据电流指令对电流信号及反馈信号进行计算，得到电压控制信号，再对电压控制信号进行数学变形，得到电压信号，并将电压信号输出至矢量控制模块140。

在一实施例中，请参考图3，电流驱动模块130还包括第一滤波单元133。第一滤波单元133的输入端和输出端分别对应连接编码器接口单元131的输出端和计算单元132的输入端。第一滤波单元133用于接收反馈信号，并对反馈信号进行滤波，且将滤波后的反馈信号输出至计算单元132。具体地，第一滤波单元133接收编码器接口单元131输出的反馈信号，并对该反馈信号进行滤波，再将滤波后的反馈信号输出至计算单元132。其中，第一滤波单元133可以是任何可对该反馈信号进行滤波的电路、滤波器等等。

在一实施例中，请参考图4，计算单元132包括三角函数计算子单元1321和电流环路计算子单元1322。三角函数计算子单元1321的输入端和输出端分别对应连接编码器接口单元131的输出端和电流环路计算子单元1322的输入端，电流环路计算子单元1322的输入端和输出端还分别对应连接电流采样模块120的输出端和矢量控制模块140的输入端。

三角函数计算单元1321用于对反馈信号进行计算，得到伺服电机转动角度信号，并将伺服电机转动角度信号输出至电流环路计算子单元1322。具体地，三角函数计算单元接收伺服电机的编码器输出的反馈信号，并对该反馈信号进行计算，得到伺服电机转动角度信号，且将该伺服电机转动角度信号输出至电流环路计算子单元1322。

电流环路计算子单元1322用于根据外部指令对电流信号和伺服电机转动角度信号进行计算，得到电压控制信号，再对电压控制信号进行数学变形得到电压信号，并将电压信号输出至矢量控制模块140。具体地，电流环路计算子单元1322接收三角函数计算单元输出的伺服电机转动角度信号，还接收电流采样模块120输出的电流信号及外部所发送的外部指令，并根据外部指令对电流信号和伺服电机转动角度信号进行计算，得到电压控制信号，再对电压控制信号进行数学变形，得到电压信号，并将电压信号输出至矢量控制模块140。

在一实施例中，请参考图5，电流驱动模块130还包括第二滤波单元134。第二滤波单元134的输入端和输出端分别对应连接电流采样模块120的输出端和计算单元132的输入端。第二滤波单元134用于对电流信号进行滤波，并将滤波后的电流信号输出至计算单元132。

具体地，第二滤波单元134接收电流采样模块120输出的电流信号，并对电流信号进行滤波，且将滤波后的电流信号输出至计算单元132。其中，第二滤波单元134包括Sinc滤波器。在信号处理领域，Sinc滤波器是一个全部除去给定带宽之上的信号分量而只保留低频信号的理想电子滤波器。

在一实施例中，请参考图6，电流驱动模块130还包括网络接口135。网络接口135的一端连接计算单元132，另一端连接外部芯片。网络接口135用于将计算单元132输出的反馈信号和电流信号输出至外部芯片，同时接收外部芯片发送的电流指令。具体地，网络接口135接收计算单元132输出的反馈信号和电流信号，并将反馈信号和电流信号传输至外部芯片，从而使得外部芯片也可进行速度、位置计算及进行相应的电流补偿，还可通过其将外部芯片发送的电流指令输出至计算单元132。其中，网络接口135可支持各类网络协议，从而实现与外部芯片的连接。

在一实施例中，请参考图7，伺服驱动器还包括保护模块140。保护模块140连接电流驱动模块130。保护模块140用于对电流驱动模块130所接收的反馈信号和电流信号进行监测，若反馈信号和电流信号超过预设值，则控制电流驱动模块130停止输出脉宽调制信号。具体地，保护模块140对电流驱动模块130所接收的反馈信号和电流信号进行检测，只要反馈信号和电流信号中的任一个超过预设值，或者反馈信号和电流信号均超过预设值，则控制电流驱动模块130停止输出脉宽调制信号，从而避免电流驱动模块130被烧毁。若反馈信号和电流信号中的任一个均未超过预设值，则电流驱动模块130正常输出脉宽调制信号。其中，预设值可以根据实际情况进行设定。

具体地，保护模块140用于对电流驱动模块130所接收的反馈信号的电流信号的幅值进行监测，当监测到反馈信号和电流信号中的任何一个幅值超过预设值时，则控制电流驱动模块130停止输出开关信号，从而避免电流驱动模块130被烧毁，当监测到反馈信号和电流信号中的任何一个幅值均未超过预设值时，则确保电流驱动模块130正常工作。其中，保护模块140可以是过流过压保护电路，该过流过压保护电路可以是采用模拟运放等构成的综合保护电路。

在一实施例中，请参考图8，伺服驱动器还包括状态机150。状态机150连接电流驱动模块130。状态机150用于对所述电流驱动模块130内部的计算进行协调。具体地，状态机150对电流驱动模块130内部的计算进行协调，使得电流驱动模块130内部的各种计算均能相互配合。其中，状态机150由状态寄存器和组合逻辑构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作，完成特定操作的控制中心。状态机150分为摩尔型状态机和米莉型状态机。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种伺服驱动器，用于驱动伺服电机转动，其特征在于，包括：整流与逆变模块、电流采样模块、电流驱动模块及矢量控制模块；

所述整流与逆变模块的输入端连接所述矢量控制模块的输出端，输出端分别连接所述电流采样模块的输入端及所述伺服电机，所述电流采样模块的输出端及所述伺服电机编码器的输出端连接所述电流驱动模块的输入端，所述电流驱动模块的输出端连接所述矢量控制模块的输入端；

所述整流与逆变模块用于对外部输入的电压进行整流、逆变得到三相交流电流，并将所述三相交流电流输出至所述伺服电机，还用于接收所述矢量控制模块输出的开关信号，并根据所述开关信号断开或导通所述整流与逆变模块与所述伺服电机的连接；

所述电流采样模块用于对所述三相交流电流进行采样，得到电流信号，并将所述电流信号输出至所述电流驱动模块；

所述电流驱动模块用于接收所述电流采样模块输出的电流信号，还用于接收所述伺服电机编码器输出的反馈信号，同时用于接收外部发送的电流指令，并根据所述电流指令对所述电流信号及所述反馈信号进行计算，得到电压信号，并将所述电压信号输出至所述矢量控制模块；

所述矢量控制模块用于接收所述电压信号，并根据所述电压信号生成开关信号，且将所述开关信号输出至所述整流与逆变模块。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述电流驱动模块包括编码器接口单元和计算单元；所述编码器接口单元的一端连接所述伺服电机编码器，另一端连接所述计算单元的输入端，所述计算单元的输入端还连接所述电流采样模块的输出端，输出端连接所述矢量控制模块的输入端；

所述编码器接口单元用于接收所述伺服电机编码器输出的反馈信号，并将所述反馈信号输出至所述计算单元；所述计算单元用于接收所述电流采样模块输出的所述电流信号，还用于接收所述编码器接口单元输出的反馈信号，同时接收外部发送的电流指令，并根据所述电流指令对所述电流信号及所述反馈信号进行计算，得到电压控制信号，再对所述电压控制信号进行数学变形，得到电压信号，并将电压信号输出至所述矢量控制模块。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，所述电流驱动模块还包括第一滤波单元；所述第一滤波单元的输入端和输出端分别对应连接所述编码器接口单元的输出端和所述计算单元的输入端；所述第一滤波单元用于接收所述反馈信号，并对所述反馈信号进行滤波，且将滤波后的反馈信号输出至所述计算单元。

4.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，所述计算单元包括三角函数计算子单元和电流环路计算子单元；所述三角函数计算子单元的输入端和输出端分别对应连接所述编码器接口单元的输出端和所述电流环路计算子单元的输入端，所述电流环路计算子单元的输入端和输出端还分别对应连接所述电流采样模块的输出端和所述矢量控制模块的输入端；

所述三角函数计算单元用于对所述反馈信号进行计算，得到伺服电机转动角度信号，并将所述伺服电机转动角度信号输出至所述电流环路计算子单元；所述电流环路计算子单元用于根据外部指令对所述电流信号和所述伺服电机转动角度信号进行计算，得到电压控制信号，再对所述电压控制信号进行数学变形输出，得到电压信号，并将电压信号输出至所述矢量控制模块。

5.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，所述电流驱动模块还包括第二滤波单元；所述第二滤波单元的输入端和输出端分别对应连接所述电流采样模块的输出端和所述计算单元的输入端，所述第二滤波单元用于对所述电流信号进行滤波，并将滤波后的电流信号输出至所述计算单元。

6.根据权利要求2所述的伺服驱动器，其特征在于，所述电流驱动模块还包括网络接口；所述网络接口的一端连接所述计算单元，另一端连接外部芯片；所述网络接口用于将所述计算单元输出的所述反馈信号和所述电流信号输出至外部芯片，同时接收外部芯片发送的电流指令。

7.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器还包括保护模块；所述保护模块连接所述电流驱动模块；所述保护模块用于对所述电流驱动模块所接收的所述反馈信号和所述电流信号进行监测，若所述反馈信号和所述电流信号超过预设值，则控制所述电流驱动模块停止输出所述电压信号。

8.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器还包括状态机；所述状态机连接所述电流驱动模块；所述状态机用于对所述电流驱动模块内部的计算进行协调。

9.根据权利要求5所述的伺服驱动器，其特征在于，所述第二滤波单元包括Sinc滤波器。

10.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述电流驱动模块包括处理器和可编程逻辑器件中的一种。