CN110798118A - 伺服控制驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种伺服控制驱动器，包括控制板和驱动板，所述控制板分别与光电编码器、角速率传感器、上位机、所述驱动板连接，所述驱动板连接母线电源和伺服机构。采用DSP+FPGA双核的硬件控制架构，FPGA负责与上位机通信、数据采集、驱动信号输出等外围硬件电路的处理工作，DSP仅运行先进的控制算法以实现复杂工况下的快速输出。

Description

伺服控制驱动器

技术领域

本发明涉及机电伺服系统领域，具体地，涉及一种高精度高响应的伺服控制驱动器。

背景技术

机电伺服系统广泛应用于陆地武器、舰载武器、航天等军用及民用领域。在陆地武器领域，例如坦克、装甲战车等地面车辆在高速的机动条件下，要求其火控机电瞄准平台需要有频繁启动、停止、快速瞄准的能力；在舰载武器领域，舰载炮台需快速跟踪侵入战机或武器，要求其机电控制平台具有快速响应、持续跟踪的能力；在航天领域，如卫星遥感平台、高空摄像平台，需要克服卫星或飞行器在复杂运动和干扰条件下保持相机对准特定区域，要求机电控制平台具有高精度跟踪系统指令的能力；在民用领域，高精度工业机床、工业机器人，对伺服系统的既可以高速运动又可以高精度定位，要求其机电伺服系统具有大力矩输出和高精度跟踪的能力。

公开号为CN106774119B的专利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。

伺服控制驱动器(以下简称伺服控制器)是机电伺服系统的核心控制单元，主要用于机电伺服机构的位置控制。控制器主要由电源板、控制板、功率驱动板、控制器壳体及接插件组成，具有与电源转换(DC/DC)、上位机通讯、信号采样、伺服控制算法实现、功率驱动等功能。为实现伺服系统高精度高响应的能力，伺服控制器应具备高精度采样、数据快速处理、电流快速输出、对电磁干扰不敏感等能力。目前国内军品领域的伺服控制器多采用单DSP(数字处理单元)作为核心控制模块的硬件架构，DSP同时要兼顾通信、采样、控制算法实现等功能，导致DSP无法完成先进的电机控制算法处理；由于伺服系统位置反馈多采用电位计等低精度的反馈装置，伺服控制器的数模转换也多采用12位的AD采集芯片，导致伺服控制器无法实现高精度采样的能力；伺服控制器内的电路板一般开放的放在控制器壳体内，如果伺服电机功率较大，伺服控制器的控制模块将受到很大的干扰。因具有以上的设计弊端，现有的伺服控制器无法在复杂工况下实现高精度高响应的伺服控制与驱动的能力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种伺服控制驱动器。

根据本发明提供的一种伺服控制驱动器，包括控制板和驱动板，所述控制板分别与光电编码器、角速率传感器、上位机以及所述驱动板连接，所述驱动板连接母线电源和伺服机构；

所述控制板包括FPGA芯片、DSP芯片、模数转换芯片以及接口芯片，所述接口芯片解析上位机发送的控制指令，所述模数转换芯片将伺服机构电压和三相电流转换为数字量，所述FPGA芯片获取接口芯片解析的控制指令、所述光电编码器采集的伺服机构位置信息、所述角速率传感器采集的伺服机构角速度信息以及数模转换芯片采集的电压和三相电流数字量，所述DSP芯片根据所述FPGA芯片获取的控制指令、伺服机构位置信息和伺服机构角速度信息进行解算得到SVPWM信号和遥测数据写入所述FPGA芯片，所述上位机根据遥测数据以及所述驱动板反馈的故障信号对SVPWM信号进行故障和互锁处理，由FPGA芯片输出处理后的SVPWM信号；

所述驱动板包括功率驱动芯片，根据处理后的SVPWM信号将母线电压转换为伺服电机所需的三相电压驱动伺服电机工作。

优选地，所述上位机通过总线发送所述控制指令，所述总线包括1553B、422和CAN总线，1553B和CAN总线分别通过总线协议解析芯片连接所述FPGA芯片，422总线通过422接口芯片连接所述FPGA芯片由所述FPGA芯片直接解析。

优选地，所述FPGA芯片的内部通过编程形成有：时钟模块、1553B通信处理模块、CAN总线通信处理模块、422协议解析模块、BISS协议解析模块、AD芯片处理模块、DSP数据交互模块、PWM信号输出模块和双口RAM模块。

优选地，所述控制板和所述驱动板之间的信号通过磁偶芯片隔离。

优选地，所述驱动板还包括电压传感器、电流传感器，所述电流传感器采集所述功率驱动芯片输出的三相电流，所述电压传感器采集所述功率驱动芯片输出的母线电压，采集到的三相电流和母线电压通过所述模数转换芯片输入所述FPGA芯片。

优选地，所述光电编码器通过BISS接口芯片连接所述FPGA芯片，所述角速率传感器通过422接口芯片连接所述FPGA芯片。

优选地，还包括电源板，所述电源板与上位机、所述控制板以及所述驱动板连接，为所述控制板和所述驱动板提供工作电源；

所述电源板包括DC/DC电平转换模块，将28V控制电源转换为各所需二次电源。

优选地，所述电源板通过供电通信插件与上位机连接，通过内接插件与所述控制板连接。

优选地，所述驱动板安装在驱动盒内，所述电源板和所述控制板安装在电源盒内，所述驱动盒的数量为两个，分别设置于所述电源盒的两侧，功率驱动芯片与所述驱动盒的内表面接触，所述驱动盒上设置有散热肋片、固定支脚。

优选地，所述DSP芯片的地址总线、数据总线、控制信号、SVPWM输出与所述FPGA芯片连接，所述DSP芯片获取所述FPGA芯片的控制指令和信息，经过伺服电机控制算法解算完成后，输出SVPWM信号至所述FPGA芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、DSP+FPGA的硬件控制架构，由于FPGA分担了外围电路的逻辑操作，有效提升了DSP在电机控制算法上的解算能力，使伺服控制器可以运行先进的控制算法以实现在复杂工况下的稳定输出。

2、高精度的光电码盘可使伺服机构反馈精度达到角秒级别，通过BISS传输协议可快速有效的将位置反馈数据上传到FPGA中。

3、由于FPGA具有并行处理的能力，由FPGA进行外围电路的逻辑操作，可以更加快速的获取指令信息和伺服机构的各种反馈信息，并且容易实现模块化的拼接，便于硬件电路能力的扩展。

4、采用磁耦进行信号隔离，磁耦相比广泛使用的光耦，具有传输速率高、功耗低、可靠性高、封装小等多项优势。

5、IPM芯片具备电压和电流故障信号输出功能，将IPM产生的故障信号引入FPGA中，通过综合逻辑可在出现故障的情况下封锁PWM信号的输出，有效保护IPM芯片。

6、为防止驱动板的高压大电流在瞬时波动时对控制板带来的辐射干扰，将驱动板装入封闭式的驱动盒，控制板与驱动板仅通过外部接插件进行信号的传输。

7、控制板和驱动板采用不同的二次电源供电，隔离控制地和功率地，且电路板之间的控制信号采用磁耦隔离，可有效隔断驱动板对控制板的传导干扰。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为伺服控制驱动器电路原理框图；

图2为伺服控制驱动器接口连接图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种为高精度、高响应伺服系统提供控制驱动功能的伺服控制器。该伺服控制器具有高精度数据采集、先进电机控制算法实现、较强的抗干扰性能、电机控制信号快速输出等能力，可与精密伺服机构共同构成实现高精度、高响应的机电伺服系统。

伺服控制器由电源板、控制板、驱动板组成，伺服控制器电路原理框图见图1，控制器接口连接图见图2。

电源板将28V直流电源转换为控制器所需的各类二次电源。经DC/DC转换模块转换的二次电源根据使用芯片的不同，在接地上分为数字地、模拟地和驱动芯片地，三种地各自独立，防止通过地线回路引起串扰。

控制板中的FPGA通过读取通信总线接口(本发明具有多种通信接口，包括1553B总线、CAN总线、422总线)获得上位机的控制指令，从外设总线上获取AD采样电路转换的电流和电压信息，由FPGA生成的BISS消息处理模块获得光电码盘的位置信息，由FPGA生成的角速率消息处理模块获得角速率传感器的角速度信息。FPGA将以上信息进行数据整理后放入内部的双口RAM中再由DSP读取，DSP综合控制指令和反馈信息通过电机控制算法进行解算，解算得到的SVPWM输出信号和遥测数据写入FPGA的双口RAM中。FPGA将遥测数据通过总线上传给上位机，供上位机观察电机运行状态，同时根据驱动板反馈的驱动电路故障信号，对SVPWM信号进行故障和互锁处理，由FPGA输出处理后的SVPWM信号。

驱动板中的IPM功率芯片根据控制电路输出的SVPWM信号，将直流母线电压转换为伺服电机所需的ABC三相电压用于驱动伺服电机工作，为防止大电流波动对控制电路造成串扰，由控制板输出的SVPWM信号经过磁耦隔离后输入给IPM芯片。驱动板上设有电流和电压采样芯片用于采集三相电流和母线电压，母线两端设有大容量的薄膜电容用于平滑母线电压。

将两块驱动板分别安装在两个封闭的驱动盒内，控制板和电源板安装在控制电源盒内，驱动板上IPM芯片外壳与驱动盒内表面接触，驱动盒上部安装散热肋片，IPM芯片通过驱动盒表面散热。两个驱动盒下端安装4个固定支脚，用于伺服控制器安装使用，每个支脚用螺钉紧固。

图1伺服控制器原理图包含了伺服控制器内主要元器件和信号流向。

28V直流控制电源经DC/DC电源转换模块1后，转换成+5V二次电源(供接口芯片、缓冲芯片、轴角传感器等使用)、+15V电源(供IPM芯片及其外围电路使用)，±5V电源(供速率传感器使用)、±15V电源(供AD数模转换芯片使用)。其中+5V二次电源经过LDO(线性稳压器)12转换为+3.3V和+1.8V电源，供DSP和FPGA使用。

上位机通过总线(本发明支持三种总线，分别为1553B、422和CAN)发送指令，其中1553B和CAN经过总线协议解析芯片2后将解析后的数据存储在各自的寄存器中，1553B总线协议芯片为BU61580，CAN总线协议芯片为SJA1000。422总线传输的数据经422接口芯片7(MAX3490)由FPGA直接解析。

由驱动板传输的三相电流和母线电压的模拟量信息由16位AD转换芯片5(AD7656)转换为16位的数字量，AD7656的16位数据总线与FPGA的IO口连接。

光电码盘测量的伺服机构位置信息，通过BISS接口6传输至FPGA，由FPGA直接解析。

角速率传感器测量伺服机构的角速度信息，输出为标准422接口，经过422接口芯片后由FPGA直接解析。

FPGA芯片3采用XILINX公司的XQV600芯片，通过Verilog语言编程在该芯片内形成时钟模块、1553B通信处理模块、CAN总线通信处理模块、422协议解析模块、BISS协议解析模块、AD芯片处理模块、DSP数据交互模块、PWM信号输出模块、双口RAM模块。时钟模块用于将40M时钟分频为各模块需要的时钟信号；1553B通信处理模块用于初始化BU61580芯片，读取BU61580寄存器内总线数据，将遥测数据写入BU61580寄存器；CAN总线通信处理模块用于初始化SJA1000芯片，读取SJA1000寄存器内总线数据，将遥测数据写入SJA1000寄存器；422协议解析模块分两部分，一用于解析422控制指令，并将遥测消息通过422总线发送给上位机，二用于解析角速率传感器的信息获取角速率数据；BISS协议解析模块用于获取光电码盘的位置信息；AD芯片处理模块用于片选、读取AD芯片转换的三相电流和母线电压数据；DSP数据交互模块用于接收DSP读写指令；PWM信号输出模块用于接收DSP的PMW信号，通过加入互锁和保护处理后再输出；双口RAM模块为FPGA内部生成，用于写入指令数据、机构反馈数据，并将以上数据由DSP读出，同时接收DSP写入的遥测数据并将数据发送给上位机。

DSP芯片4采用具有32位浮点计算能力的TMS320F28335，DSP的地址总线、数据总线、控制信号、12路SVPWM输出与FPGA连接。DSP通过总线获取FPGA内部双口RAM中的控制指令和反馈数据，经过伺服电机控制算法解算完成后，输出SVPWM至FPGA。DSP的AD模块采集各路二次电源电压，将二次电源电压和解算数据作为遥测消息打包发送给FPGA。

电机三相电流采用霍尔式电流传感器9(PS21A7A)，该传感器可对±100A电流进行采样，对应输入电流输出0.5V～4.5V电压。

电压母线电压采用电压传感器8(LV 25-P/SP5)，可根据母线电压配置输入端电阻调节输入电流，输入电流10mA时，输出电流为25mA。本发明在输出端接200欧姆电阻，输出电压为5V。

控制板和驱动板间的信号通过磁耦芯片10(ADuM5401)进行隔离，经过隔离芯片的信号有6路SVPWM信号和1路故障信号，磁耦芯片两端供电和地要求完全隔离。

功率驱动芯片11采用IPM芯片FNA27560，额定电压600V，额定电流75A，最高支持10kHz的开关信号。IPM芯片母线两端并有大容量的薄膜电容，用以平滑母线电压。IPM具有欠压和过流保护功能，当出现欠压或过流情况时，会输出低电平的故障信号。

如图2所示，伺服控制器内安装有一块电源板13、一块控制板17、两块驱动板24。

电源板通过XP1供电通信接插件14与上位机15做信号连接，通过内接插件16与控制板做信号连接；

控制板通过XP3光电编码器接插件18与光电编码器19做信号连接，通过XP7角速率传感器接插件20与角速率传感器21做信号连接，通过XP6 JTAG接插件22与上位机做信号连接，通过XP5驱动信号接插件23与驱动板连接；

驱动板通过XP2接插件25与母线电源26连接，通过XP4接插件27与两台伺服机构28连接。

为使伺服系统具有的高精度、高响应的能力，伺服系统位置反馈采用高精度的绝对式光电码盘，有效数据位数32位，输出精度可达角秒级，采用BISS通信协议进行数据传输。为使伺服控制器具有快速输出能力，伺服控制器采用DSP+FPGA(可编辑逻辑阵列)双核的硬件控制架构，FPGA负责与上位机通信、数据采集、驱动信号输出等外围硬件电路的处理工作，DSP仅运行先进的控制算法以实现复杂工况下的快速输出。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种伺服控制驱动器，其特征在于，包括控制板和驱动板，所述控制板分别与光电编码器、角速率传感器、上位机以及所述驱动板连接，所述驱动板连接母线电源和伺服机构；

所述控制板包括FPGA芯片、DSP芯片、模数转换芯片以及接口芯片，所述接口芯片解析上位机发送的控制指令，所述模数转换芯片将伺服机构电压和三相电流转换为数字量，所述FPGA芯片获取接口芯片解析的控制指令、所述光电编码器采集的伺服机构位置信息、所述角速率传感器采集的伺服机构角速度信息以及数模转换芯片采集的电压和三相电流数字量，所述DSP芯片根据所述FPGA芯片获取的控制指令、伺服机构位置信息和伺服机构角速度信息进行解算得到SVPWM信号和遥测数据写入所述FPGA芯片，所述上位机根据遥测数据以及所述驱动板反馈的故障信号对SVPWM信号进行故障和互锁处理，由FPGA芯片输出处理后的SVPWM信号；

所述驱动板包括功率驱动芯片，根据处理后的SVPWM信号将母线电压转换为伺服电机所需的三相电压驱动伺服电机工作。

2.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述上位机通过总线发送所述控制指令，所述总线包括1553B、422和CAN总线，1553B和CAN总线分别通过总线协议解析芯片连接所述FPGA芯片，422总线通过422接口芯片连接所述FPGA芯片由所述FPGA芯片直接解析。

3.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述FPGA芯片的内部通过编程形成有：时钟模块、1553B通信处理模块、CAN总线通信处理模块、422协议解析模块、BISS协议解析模块、AD芯片处理模块、DSP数据交互模块、PWM信号输出模块和双口RAM模块。

4.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述控制板和所述驱动板之间的信号通过磁偶芯片隔离。

5.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述驱动板还包括电压传感器、电流传感器，所述电流传感器采集所述功率驱动芯片输出的三相电流，所述电压传感器采集所述功率驱动芯片输出的母线电压，采集到的三相电流和母线电压通过所述模数转换芯片输入所述FPGA芯片。

6.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述光电编码器通过BISS接口芯片连接所述FPGA芯片，所述角速率传感器通过422接口芯片连接所述FPGA芯片。

7.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，还包括电源板，所述电源板与上位机、所述控制板以及所述驱动板连接，为所述控制板和所述驱动板提供工作电源；

所述电源板包括DC/DC电平转换模块，将28V控制电源转换为各所需二次电源。

8.根据权利要求7所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述电源板通过供电通信插件与上位机连接，通过内接插件与所述控制板连接。

9.根据权利要求7所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述驱动板安装在驱动盒内，所述电源板和所述控制板安装在电源盒内，所述驱动盒的数量为两个，分别设置于所述电源盒的两侧，功率驱动芯片与所述驱动盒的内表面接触，所述驱动盒上设置有散热肋片、固定支脚。

10.根据权利要求1所述的伺服控制驱动器，其特征在于，所述DSP芯片的地址总线、数据总线、控制信号、SVPWM输出与所述FPGA芯片连接，所述DSP芯片获取所述FPGA芯片的控制指令和信息，经过伺服电机控制算法解算完成后，输出SVPWM信号至所述FPGA芯片。

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