CN112217430A - 一种基于GaN方案的直流伺服驱动器 - Google Patents

一种基于GaN方案的直流伺服驱动器 Download PDF

Info

Publication number
CN112217430A
CN112217430A CN201910617326.1A CN201910617326A CN112217430A CN 112217430 A CN112217430 A CN 112217430A CN 201910617326 A CN201910617326 A CN 201910617326A CN 112217430 A CN112217430 A CN 112217430A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unit
power
feedback
servo
motion control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910617326.1A
Other languages
English (en)
Inventor
杨阳
刘刚
马骥
付小敏
李晓晓
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Original Assignee
Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute filed Critical Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Priority to CN201910617326.1A priority Critical patent/CN112217430A/zh
Publication of CN112217430A publication Critical patent/CN112217430A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/29—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation
    • H02P7/2913—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation whereby the speed is regulated by measuring the motor speed and comparing it with a given physical value

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于GaN方案的直流伺服驱动器。该伺服驱动器由运动控制单元、系统供电单元、伺服驱动单元、反馈采集单元和系统保护单元组成。运动控制单元负责运动轨迹规划，对电机运动轨迹进行计算并得到电机转动所需的速度和方向信号；系统供电单元给整个系统提供电源；伺服驱动单元接收运动控制单元信号对直流电机直接驱动；反馈采集单元收集电枢电流及位置测角信号实现电流、速度和位置的反馈；系统保护单元采集母线电压信号用于驱动器欠压及过压保护，采集GaN功率管上散热片的温度对功率电路进行过热保护。本发明采用GaN功率管并采用模块化设计思路具有更低的驱动损耗，提高了逆变效率，能够实时监控驱动电路信号，大大提高了驱动器的可靠性及稳定性。

Description

一种基于GaN方案的直流伺服驱动器
(一)技术领域
本发明涉及一种基于GaN方案的直流伺服驱动器。
(二)背景技术
直流伺服产品可能广泛应用于数控机床、搬运机械、机器人、雷达控制设备等多种领域。而直流伺服驱动器作为整个直流私服系统的核心部分，也随着新型半导体技术和数字控制器的发展而不断发展。现有技术的伺服驱动器在设计小体积、高功率比、高速高精度的应用场合，还存在一些不足。而GaN功率管可以使用在高频，有着更高的逆变效率，更低的发热和能量损耗，因此采用GaN方案设计更低损耗、更高精度稳定性能的伺服驱动器成为后续的发展方向。
(三)发明内容
本发明需要解决的技术问题为：
现有技术的伺服驱动器占据空间大、控制性能差、高功耗比，特别在功率电路中损耗较高。本发明在已有的直流伺服驱动器的基础上提供一种以GaN方案的功率器件为基础的可自有拆分及组合的直流伺服驱动器，采用模块化设计思路提高了整个系统的性能，降低了驱动损耗，并大大提高了驱动器的可靠性及稳定性。
本发明提供一种基于GaN方案的直流伺服驱动器，包括运动控制单元、系统供电单元、伺服驱动单元、反馈采集单元和系统保护单元五个部分组成，各部分相互连接。所述运动控制单元负责运动轨迹规划，对电机运动轨迹进行计算并得到电机转动所需的速度和方向信号；所述系统供电单元给整个系统提供电源；所述伺服驱动单元接收运动控制单元信号对直流电机直接驱动；所述反馈采集单元收集电枢电流及位置测角信号实现电流、速度和位置的反馈；所述系统保护单元采集母线电压信号用于驱动器欠压及过压保护，采集GaN功率管上散热片的温度对功率电路进行过热保护。
所述的运动控制单元包括DSP芯片、与DSP连接的JTAG电路、时钟电路、电源模块、ADC输入采集通道和PWM输出通道。所述电源模块与系统供电单元相连，由系统供电单元提供电源；所述ADC输入采集通道接收反馈采集单元和系统保护单元的模拟量信号；所述PWM输出通道用来控制伺服驱动单元对电机直接驱动。
所述的系统供电单元具有电源管理和整流单元，电源管理提供控制部分所需电源，包括DSP、反馈采集单元及系统保护单元所需3.3V直流电源，伺服驱动单元所需5V直流电源，伺服驱动单元、反馈采集单元及系统保护单元所需12V直流电源。整流单元由交流经整流成额定310V直流电，给伺服驱动单元功率模块提供母线电压。
所述的伺服驱动单元包括功率驱动单元和功率逆变单元。所述功率驱动单元接收DSP的PWM输出通道信号，用来驱动功率逆变单元来控制电机运动；所述功率逆变单元接收功率逆变单元的信号来驱动电机运动。
所述的反馈采集单元包括位置测角单元和电流反馈单元。所述位置测角单元采用光电编码器实现系统对速度、位置的反馈，反馈信号输入到运动控制单元的DSP模块中；所述电流反馈单元实时监控直流电机的电流并将信号传输到运动控制单元的DSP模块中。
所述的系统保护单元包括母线电压采集单元和温度采集单元。所述母线电压采集单元实时监控整流单元中的母线电压，并将采集的信号传输到运动控制单元的DSP模块中；所述温度采集单元采集功率逆变单元GaN功率管上散热片的温度，并将采集的信号传输到运动控制单元的DSP模块中。
(四)有益效果
本发明提供一种以GaN方案的功率器件为基础的可自有拆分及组合的直流伺服驱动器，GaN功率管可以使用在高频，有着更高的逆变效率，更低的发热和能量损耗，使用GaN方案并采用模块化设计思路提高了整个系统的性能，降低了驱动损耗，并大大提高了驱动器的可靠性及稳定性。
(五)附图说明
图1是一种基于GaN方案的直流伺服驱动器结构框图。
图2是伺服驱动器的功率逆变单元结构框图
(六)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明为一种基于GaN方案的直流伺服驱动器,特别适用于直流有刷电机的控制和驱动。本实例按照使用220VAC进入整流单元整流为母线电压作为直流伺服电机驱动。如图1所示，根据本发明的该实例伺服驱动器由运动控制单元、系统供电单元、伺服驱动单元、反馈采集单元和系统保护单元组成。
其中运动控制单元负责运动轨迹规划，对电机运动轨迹进行计算并得到电机转动所需的速度和方向信号，以反馈采集单元采集到的电流信号及位置测角单元解析的位置和速度对驱动单元形成三闭环控制，并根据系统保护单元的信号对驱动器进行监控保护。运动控制单元包括DSP芯片、与DSP连接的JTAG电路、时钟电路、电源模块、ADC输入采集通道和PWM输出通道。其中电源模块与系统供电单元相连，由系统供电单元提供DSP所需的+3.3V电源，ADC输入采集通道接收反馈采集单元和系统保护单元的模拟量信号，PWM输出通道用来控制伺服驱动单元对电机直接驱动。本实施例中，DSP处理器采用TI公司高性能TMS320F28379D芯片，该DSP是一款功能强大的32位浮点微控制器单元(MCU)，针对高级闭环控制应用，双实时控制子系统基于TI的32位浮点CPU，每个内核中可提供200MHz的信号处理性能，具有24条增强功能的脉宽调制器(PWM)通道。
系统供电单元包括电源管理和整流单元，电源管理由电源模块构成提供控制部分所需电源，包括DSP、反馈采集单元及系统保护单元所需3.3V直流电源，伺服驱动单元所需5V直流电源，伺服驱动单元、反馈采集单元及系统保护单元所需12V直流电源。整流单元由总输入的220AC经整流成额定310V直流电，给伺服驱动单元功率模块提供母线电压。
伺服驱动单元包括功率驱动单元和功率逆变单元。在本实施例中，GaN功率管采用TI公司LMG3410R070，该功率管具有集成型驱动器和保护功能，可让设计人员在电力电子系统中实现更高水平的功率密度和效率，通过集成一系列独一无二的特性提供传统共源共栅GaN和独立GaN FET的替代产品，以简化设计，最大限度地提高可靠性并优化任何电源的性能。如图2功率逆变单元结构框图所示，功率驱动单元接收DSP的PWM输出通道信号，用来驱动功率逆变单元来控制电机运动，功率逆变单元以整流后的母线电压为基础接收功率逆变单元的信号来驱动电机运动。采用GaN功率管具有更低的驱动损耗，提高了逆变效率，能够实时监控驱动电路信号，大大提高了驱动器的可靠性及稳定性。
反馈采集单元包括位置测角单元和电流反馈单元。位置测角单元采用光电编码器通过计算实现系统对速度、位置的反馈，反馈信号输入到运动控制单元的DSP模块中，电流反馈单元实时监控直流电机的电流并将信号传输到运动控制单元的DSP模块中。在本实施例中，电流采集采用TI公司的AMC1306芯片，DSP生成高达20MHz的时钟信号，并接收和解码来自AMC1306的采用曼彻斯特编码位格式的调制位流。
系统保护单元包括母线电压采集单元和温度采集单元。母线电压采集单元实时监控整流单元中的母线电压，并将采集的信号传输到运动控制单元的DSP模块中，温度采集单元采集功率逆变单元GaN功率管上散热片的温度，并将采集的信号传输到运动控制单元的DSP模块中。
在本实施例中，每个单元采用模块化设计单独制作成PCB电路板，各单元通过排线插头连接实现，通过模块化的设计方式，将直流电机的运动控制单元、系统供电单元、伺服驱动单元、反馈采集单元和系统保护单元有机的结合在一起，实现了完整的直流电机控制及保护。模块化的设计方式，简化了内部走线和使用难度，便于系统的拆装和扩展。系统采用GaN功率管，具有更低的驱动损耗，提高了逆变效率，能够实时监控驱动电路信号，大大提高了驱动器的可靠性及稳定性。

Claims (6)

1.一种基于GaN方案的直流伺服驱动器由运动控制单元、系统供电单元、伺服驱动单元、反馈采集单元和系统保护单元五个部分组成，各部分相互连接。
所述运动控制单元负责运动轨迹规划，采集反馈信号对系统形成闭环控制；所述系统供电单元给驱动器提供母线电源及各种控制部分电源；所述伺服驱动单元接收运动控制单元信号对直流电机直接驱动；所述反馈采集单元收集电枢电流及位置测角信号对驱动器进行闭环反馈控制；所述系统保护单元采集母线电压信号及GaN功率管上散热片的温度信号对驱动器进行保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于GaN方案的直流伺服驱动器，其特征在于运动控制单元包括DSP芯片、与DSP连接的JTAG电路、时钟电路、电源模块、ADC输入采集通道和PWM输出通道。所述电源模块与系统供电单元相连，由系统供电单元提供电源；所述ADC输入采集通道接收反馈采集单元和系统保护单元的模拟量信号；所述PWM输出通道用来控制伺服驱动单元对电机直接驱动。
3.根据权利要求1所述的一种基于GaN方案的直流伺服驱动器，其特征在于系统供电单元具有电源管理和整流单元，电源管理提供控制部分所需电源，包括DSP、反馈采集单元及系统保护单元所需3.3V直流电源，伺服驱动单元所需5V直流电源，伺服驱动单元、反馈采集单元及系统保护单元所需12V直流电源。整流单元由交流经整流成额定310V直流电，给伺服驱动单元功率模块提供母线电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于GaN方案的直流伺服驱动器，其特征在于伺服驱动单元包括功率驱动单元和功率逆变单元。所述功率驱动单元接收DSP的PWM输出通道信号，用来驱动功率逆变单元来控制电机运动；所述功率逆变单元接收功率逆变单元的信号来驱动电机运动。
5.根据权利要求1所述的一种基于GaN方案的直流伺服驱动器，其特征在于反馈采集单元包括位置测角单元和电流反馈单元。所述位置测角单元采用光电编码器实现系统对速度、位置的反馈，反馈信号输入到运动控制单元的DSP模块中；所述电流反馈单元实时监控直流电机的电流并将信号传输到运动控制单元的DSP模块中。
6.根据权利要求1所述的一种基于GaN方案的直流伺服驱动器，其特征在于系统保护单元包括母线电压采集单元和温度采集单元。所述母线电压采集单元实时监控整流单元中的母线电压，并将采集的信号传输到运动控制单元的DSP模块中；所述温度采集单元采集功率逆变单元GaN功率管上散热片的温度，并将采集的信号传输到运动控制单元的DSP模块中。
CN201910617326.1A 2019-07-10 2019-07-10 一种基于GaN方案的直流伺服驱动器 Pending CN112217430A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910617326.1A CN112217430A (zh) 2019-07-10 2019-07-10 一种基于GaN方案的直流伺服驱动器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910617326.1A CN112217430A (zh) 2019-07-10 2019-07-10 一种基于GaN方案的直流伺服驱动器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112217430A true CN112217430A (zh) 2021-01-12

Family

ID=74047375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910617326.1A Pending CN112217430A (zh) 2019-07-10 2019-07-10 一种基于GaN方案的直流伺服驱动器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112217430A (zh)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201910762U (zh) * 2010-12-08 2011-07-27 九江精密测试技术研究所 一种直流有刷电机控制装置
CN201928224U (zh) * 2010-12-31 2011-08-10 九江精密测试技术研究所 一种直流有刷电机伺服驱动器
CN102437800A (zh) * 2011-12-23 2012-05-02 中国科学院自动化研究所 一种直流电机伺服驱动器
CN103346711A (zh) * 2013-07-05 2013-10-09 无锡商业职业技术学院 一种直流无刷伺服控制系统
CN104044481A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 英飞凌科技奥地利有限公司 电驱动系统
CN105450130A (zh) * 2015-11-06 2016-03-30 连云港杰瑞电子有限公司 一种基于分段pi控制的低压直流伺服驱动器
CN106154262A (zh) * 2016-08-25 2016-11-23 四川泰立科技股份有限公司 反无人机探测系统及其控制方法
CN107040184A (zh) * 2016-01-29 2017-08-11 发那科株式会社 电动机驱动装置
CN108540026A (zh) * 2018-03-12 2018-09-14 北京航空航天大学 一种基于碳化硅/氮化镓mosfet的永磁同步电机驱动控制实时调压电路
CN109921455A (zh) * 2018-02-07 2019-06-21 苏州捷芯威半导体有限公司 一种分布式发电系统架构以及分布式发电系统架构的控制方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201910762U (zh) * 2010-12-08 2011-07-27 九江精密测试技术研究所 一种直流有刷电机控制装置
CN201928224U (zh) * 2010-12-31 2011-08-10 九江精密测试技术研究所 一种直流有刷电机伺服驱动器
CN102437800A (zh) * 2011-12-23 2012-05-02 中国科学院自动化研究所 一种直流电机伺服驱动器
CN104044481A (zh) * 2013-03-15 2014-09-17 英飞凌科技奥地利有限公司 电驱动系统
CN103346711A (zh) * 2013-07-05 2013-10-09 无锡商业职业技术学院 一种直流无刷伺服控制系统
CN105450130A (zh) * 2015-11-06 2016-03-30 连云港杰瑞电子有限公司 一种基于分段pi控制的低压直流伺服驱动器
CN107040184A (zh) * 2016-01-29 2017-08-11 发那科株式会社 电动机驱动装置
CN106154262A (zh) * 2016-08-25 2016-11-23 四川泰立科技股份有限公司 反无人机探测系统及其控制方法
CN109921455A (zh) * 2018-02-07 2019-06-21 苏州捷芯威半导体有限公司 一种分布式发电系统架构以及分布式发电系统架构的控制方法
CN108540026A (zh) * 2018-03-12 2018-09-14 北京航空航天大学 一种基于碳化硅/氮化镓mosfet的永磁同步电机驱动控制实时调压电路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周洪等: "《网络控制技术及应用》", 31 August 2007, 中国电力出版社 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2963133A1 (en) Contactless battery system utilizing a bidirectional power converter
Shrivastava et al. Controlling DC motor using microcontroller (PIC16F72) with PWM
US20150326136A1 (en) Magnetic field energy harvesting device
CN1447506A (zh) 电源电路及pwm电路
CN204481723U (zh) 一种基于stm32单片机的无刷直流电机控制器
CN110474580B (zh) 一种起动发电系统功率变换器及其控制方法
CN106026761A (zh) 一种嵌入式超声电机驱动控制器
KR101648145B1 (ko) 저전압 전력 공급부
CN112217430A (zh) 一种基于GaN方案的直流伺服驱动器
CN201113883Y (zh) 轻便式发电机组逆变式控制装置
CN105790655A (zh) 一种小功率直流力矩电机调速控制装置
CN203119827U (zh) 基于mcu的无刷直流电机控制器
CN105739498A (zh) 基于单片机控制的智能避障小车
Shin et al. Design analysis and considerations of power efficient electronic speed controller for small-scale quadcopter unmanned aerial vehicle
CN108540026B (zh) 一种基于碳化硅/氮化镓mosfet的永磁同步电机驱动控制实时调压电路
Choudhury et al. A DSP based digitally controlled interleaved PFC converter
CN206211848U (zh) 伺服功率驱动用宽压输入分布式隔离电源供电系统
CN102664394B (zh) 一种直流极性检测与保护电路模块
CN203311245U (zh) 一种电源监控电路及电源监控装置
CN103762909B (zh) 一种模块组合式多通道交流驱动器
CN210490752U (zh) 一种基于btn芯片以及多传感器的直流电机驱动电路
CN103899559B (zh) 一种高性能呼吸机涡轮控制器
CN103023420A (zh) 基于瞬时功率检测和负载辨识的感应电动机协同控制系统
CN209545476U (zh) 一种直流无刷电机接口信号转换子线路板及电机
CN106100474A (zh) 一种步进电机控制系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210112

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication