CN118034188A - 数控机床驱动器、控制板及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床驱动器、控制板及控制方法，包括功率模块、采样单元、运放单元、模数转换器和控制模块。功率模块用于产生驱动电流，采样单元用于基于驱动电流产生第二电压，运放单元用于放大第二电压。模数转换器用于基于第二电压产生电压信号。控制模块用于调节运放单元的放大倍数。根据本发明的数控机床驱动器、控制板及控制方法，通过引入放大系数可调的运放单元，在不需要更改硬件电路的条件下，能够通过软件设定的方式，根据电机负载所需电流的大小和精度，调整驱动器的输出电流范围和分辨率，使伺服驱动器在功率和电流规格上最优地适配负载电机，既满足大力矩下的电流响应，又满足小力矩下的控制精度，保证机床加工效果。

Description

数控机床驱动器、控制板及控制方法

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种数控机床驱动器、控制板及控制方法。

背景技术

在做数控机床电机和驱动器的适配时，主要考虑五个参数规格：额定电压、额定电流、最大电流、额定功率、最大功率，应尽可能使电机和驱动器的上述五个参数保持一致。其中，因为电压等级有标准，额定电压容易匹配；额定/最大功率正比于额定电压和额定/最大电流的乘积，受限于非标的额定/最大电流，额定/最大功率也各不相同。

若驱动器的额定/最大电流>电机的额定/最大电流，会引起以下两个问题：

1、若驱动器实际输出电流超出电机最大电流，长期运转下会引起相绕组烧坏、相间短路、对地短路等问题；

2、驱动器的额定电流越大，电流分辨率越低。一般驱动器使用16位ADC采集电流信号，16位二进制补码换算到十进制即-32768～32767，其中1LSB(最低有效位)对应的实际电流大小就是驱动器的电流分辨率。比如某驱动器额定电流为35Arms，最大电流为56Arms，电流检测范围是±100A，则它的电流分辨率为200/65536＝3.05mA，当它驱动一个额定/最大电流更小的电机时，会导致该电机在低力矩下的抖动(电机力矩正比于电机电流，电流分辨率不足时电机力矩分辨率也不足，力矩分辨率不足就会导致抖动)。

若驱动器的额定/最大电流<电机的额定/最大电流，则当电机跑高加速度时驱动器无法输出足够电流，则无法满足机床设计规格。

目前，由于用于采集电流信号的ADC具有固定的量程，驱动器的功率等级一般是固定的几档，其输出电流范围和分辨率都不可更改，这导致很难找到额定/最大功率能完美匹配的驱动器和电机，只能在高输出和高精度之间做出取舍。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种数控机床驱动器、控制板及控制方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床驱动器、控制板及控制方法，其能够解决因驱动器的电流范围和分辨率不可调整，难以匹配驱动器与电机的额定/最大电流，导致电机与驱动器不适配的问题。

为了实现上述目的，本发明一具体实施例提供了一种数控机床驱动器，包括：功率模块，与电机相连，所述功率模块用于产生驱动电流以驱动电机；采样单元，用于对驱动电流进行采样以产生采样电流，并基于采样电流产生第一电压；运放单元，与采样单元相连，所述运放单元用于对第一电压进行放大并产生第二电压；模数转换器，与运放单元相连，所述模数转换器用于基于第二电压产生电压信号；控制模块，与运放单元、模数转换器和功率模块相连，所述控制模块用于根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数以及基于电压信号调节功率模块。

在本发明的一个或多个实施例中，所述运放单元包括第一放大电路，所述第一放大电路包括第一放大器、第一电阻、第二电阻、变阻器和第一电容，所述第一电阻的第一端与采样单元相连，所述第一电阻的第二端、变阻器的第一端、第一电容的第一端均与第一放大器的第一输入端相连，所述变阻器的第二端、第一电容的第二端、第一放大器的输出端均与模数转换器相连，所述第一放大器的第二输入端通过第二电阻与地电压相连，所述控制模块与变阻器相连以根据驱动电流的目标范围调节变阻器的阻值。

在本发明的一个或多个实施例中，所述运放单元还包括第二放大电路，所述第二放大电路包括第二放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容，所述第三电阻的第一端与第一放大电路相连，所述第三电阻的第二端、第四电阻的第一端、第二电容的第一端均与第二放大器的第一输入端相连，所述第四电阻的第二端、第二电容的第二端、第二放大器的输出端均与模数转换器相连，所述第二放大器的第二输入端通过第五电阻与地电压相连。

在本发明的一个或多个实施例中，所述第三电阻和第四电阻的阻值相等。

在本发明的一个或多个实施例中，所述采样单元包括相连的电流传感器和采样电阻，所述电流传感器用于对驱动电流进行采样以产生采样电流，所述采样电阻用于基于采样电流产生第一电压。

在本发明的一个或多个实施例中，所述控制模块为FPGA、MCU或DSP中的任意一种。

本发明一具体实施例还提供了一种数控机床驱动器控制板，包括上述的采样电阻、运放单元、模数转换器和控制模块，所述控制板还包括用于连接控制模块与外部设备的控制信号接口。

本发明一具体实施例还提供了一种数控机床驱动器控制方法，基于上述的数控机床驱动器，所述控制方法包括：通过功率模块产生驱动电流以驱动电机；通过采样单元对驱动电流进行采样以产生采样电流，并基于采样电流产生第一电压；通过运放单元对第一电压进行放大并产生第二电压；通过模数转换器基于第二电压产生电压信号；通过控制模块根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数以及基于电压信号调节功率模块。

在本发明的一个或多个实施例中，所述通过控制模块根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数包括：根据驱动电流的目标范围、模数转换器的量程以及电流传感器的采样比例和采样电阻的阻值计算运放单元的目标放大倍数；根据运放单元的目标放大倍数计算变阻器的目标阻值；通过控制模块将变阻器的阻值调节为目标阻值。

在本发明的一个或多个实施例中，所述控制方法还包括通过上位机将驱动电流的目标范围发送给控制模块。

与现有技术相比，本发明的数控机床驱动器、控制板及控制方法通过引入放大系数可调的运放单元，在不需要更改硬件电路的条件下，能够通过软件设定的方式，根据电机负载所需电流的大小和精度，调整驱动器的输出电流范围和分辨率，使伺服驱动器在功率和电流规格上最优地适配负载电机，既满足大力矩下的电流响应，又满足小力矩下的控制精度，保证机床加工效果。同时减少硬件成本和维护成本，当用户更换机床电机选型方案时，只需要通过软件调整参数的方式即可调节伺服驱动器的规格，而不必更换成另一规格的伺服驱动器，操作便捷。

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中记载的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一实施例中数控机床驱动器、控制板及控制方法的结构图。

图2为本发明一实施例中运放单元的电路结构图。

图3为本发明一实施例中数控机床驱动器控制方法的流程图。

图4为本发明一实施例中控制方法具体步骤的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

说明书中的“耦接”或“连接”或“相连”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介进行的连接，其可具有寄生电感或寄生电容；间接连接还可包括在实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。另外，在发明中，例如“第一”、“第二”之类的词语主要用于区分一个技术特征与另一个技术特征，而并不一定要求或暗示这些技术特征之间存在某种实际的关系、数量或者顺序。

如图1所示，本发明一实施例中的数控机床驱动器包括功率模块10、采样单元、运放单元20、模数转换器30和控制模块40。

其中，功率模块10的输出端与电机三相线相连，并用于产生驱动电流以驱动电机。功率模块10还通过母线整流电解电容和三相整流桥与三相线相连以获取电力供应。

采样单元用于对驱动电流进行采样以产生采样电流，并基于采样电流产生第一电压。采样单元包括电流传感器50和采样电阻60，电流传感器50用于对驱动电流进行采样以产生采样电流，同时实现电流的变比和隔离。电流传感器50具有一定采样比例，采样电流值为驱动电流与采样比例的乘积。采样电阻60与电流传感器50相连以基于采样电流产生第一电压，第一电压值为采样电流与采样电阻值的乘积。

运放单元20与采样单元相连并用于放大第一电压。模数转换器30与运放单元20相连并用于基于第二电压产生电压信号。控制模块40与运放单元20、模数转换器30和功率模块10相连，控制模块40用于根据驱动电流的目标范围调节运放单元20的放大倍数，以及基于电压信号调节功率模块10。

在实际使用场景中，控制模块40从上位机(一般为数控机床控制器)接收使能信号和PWM信号，经过死区、直通和频率等检测后将PWM信号输出至功率模块10以控制功率模块10产生用于驱动电机的三相驱动电流。其中功率模块10中的门极驱动电路将控制功率电子器件的6桥开关对三相驱动电流进行调节，功率模块10还具有过流保护、欠压保护、故障检测等功能，当故障发生时能够将报警信息通过控制模块40发送至控制器。采样单元、运放单元20和模数转换器30组成了一个反馈回路，将采样的驱动电流反馈给控制单元40，控制单元40将电流数据发送至数控机床控制器执行电流PID计算，完成电流闭环控制。

在该过程中，可以通过更改运放单元20的放大倍数，调节模数转换器30实际采集电流的量程范围以及分辨率大小，以适配电机的实际需要，实现在不更改硬件的条件下灵活调整驱动器的输出规格，解决现有驱动器输出电流范围和分辨率都不可更改，无法准确地适配电机的问题。

如图2所示，运放单元20包括第一放大电路21和第二放大电路22。第一放大电路21包括第一放大器OPA1、第一电阻R1、第二电阻R2、变阻器Rs和第一电容C1。第一电阻R1的第一端与采样单元相连，第一电阻R1的第二端、变阻器Rs的第一端、第一电容C1的第一端均与第一放大器OPA1的第一输入端相连，变阻器Rs的第二端、第一电容C1的第二端、第一放大器OPA1的输出端均与第二放大电路22相连，第一放大器OPA1的第二输入端通过第二电阻R2与地电压相连，控制模块40变阻器Rs相连以根据驱动电流的目标范围调节变阻器Rs的阻值。一实施例中，控制模块40可以通过I²C通讯协议对变阻器Rs的阻值进行调节和控制。

第二放大电路22包括第二放大器OPA2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第二电容C2。第三电阻R3的第一端与第一放大器OPA1的输出端相连，第三电阻R3的第二端、第四电阻R4的第一端、第二电容C2的第一端均与第二放大器OPA2的第一输入端相连，第四电阻R4的第二端、第二电容C2的第二端、第二放大器OPA2的输出端均与模数转换器30相连，第二放大器OPA2的第二输入端通过第五电阻R5与地电压相连。

一实施例中，第一放大器OPA1和第二放大器OPA2的第一输入端为负向输入端，第一放大器OPA1和第二放大器OPA2的第二输入端为正向输入端。

可以看出，第一放大电路21和第二放大电路22均是反向放大电路，第一放大电路21的放大倍数为-Rs/R1，第二放大电路22的放大倍数为-R4/R3，其中R1、Rs、R3、R4均为对应电阻的电阻值。一实施例中，令第三电阻R3和第四电阻R4的阻值相等，则可以得到，整个运放单元20的放大倍数为Rs/R1。

在其他实施例中，第一放大电路21和第二放大电路22的顺序和可以更换，还可以设置成其他类型的放大电路或设置更多级放大电路，整个运放单元的放大倍数进行累积计算即可。除了第一放大电路21以外，其余放大电路中的相关电阻也可以替换为变阻器，通过控制模块共同进行调整。放大电路中各电阻阻值可以根据实际情况和具体需求做调整，只要最终该电路的放大系数满足要求就可。也可以不设置第二放大电路22，此时运放单元20的放大倍数为-Rs/R1，则在后续的对驱动器输出电流和分辨率进行调节以及计算时，需要将负号引入到计算过程中，该步骤可以通过软件简单地实现。

如图3所示，基于上述数控机床驱动器，本实施例中还公开了一种数控机床驱动器控制方法，包括以下步骤：通过功率模块10产生驱动电流以驱动电机；通过采样单元对驱动电流进行采样以产生采样电流，并基于采样电流产生第一电压；通过运放单元20对第一电压进行放大并产生第二电压；通过模数转换器30基于第二电压产生电压信号；通过控制模块40根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数以及基于电压信号调节功率模块10。

其中，如图4所示，通过控制模块根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数具体还包括以下步骤：根据驱动电流的目标范围、模数转换器30的量程以及电流传感器50的采样比例和采样电阻60的阻值计算运放单元20的目标放大倍数；根据运放单元20的目标放大倍数计算变阻器Rs的目标阻值；通过控制模块40将变阻器Rs的阻值调节为目标阻值。

在一具体实施方案中，电流传感器50的采样比例为2000:1，采样电阻60的阻值为5Ω，即某相上100A的电流经过电流传感器后输出为50mA，再经过采样电阻得到50mA*5Ω＝250mV的第二电压。变阻器Rs的型号为AD5272，分辨率10位，范围0～20kΩ，1LSB对应20k/1024＝19.52Ω。第一放大器OPA1和第二放大器OPA2的型号为OPA2192。模数转换器30的型号为AD7401，是一款16位ADC，其满量程范围为±320mV。

当没有设置运放单元20时，该模数转换器30对驱动电流的电流分辨率为1LSB对应320*2000/5/32768＝3.906mA，能够接收的最大驱动电流为320*2000/5＝128A。与之对应的，此时驱动器的输出电流分辨率为1LSB对应3.906mA，最大输出电流128A，这两个数值均为固定值且无法通过更改硬件结构以外的措施进行更改。

在设置了运放单元20之后，由于运放单元20具有可调节的的放大倍数Rs/R1。使得驱动器的实际输出电流分辨率变成了1LSB对应3.906mA*R1/Rs，最大输出电流变成了128A*R1/Rs。此时通过控制模块40调整Rs的阻值即可实现驱动器输出电流分辨率与最大输出电流的调整。

例如：当需要匹配需求更小的电机，需要电流分辨率提高到1LSB对应2.5mA，相应地输出电流范围降低到82A，则Rs/R1应设置成3.906/2.5＝1.5624，若设置第一电阻R1的阻值R1＝10kΩ，只需改变变阻器Rs阻值为10*1.5624＝15.624kΩ即可。

控制模块40可以为FPGA、MCU或DSP中的任意一种，在调整驱动器的输出电流和分辨率时，可通过在上位机(驱动电机控制器)设置所需参数(例如上述电流分辨率为2.5mA、输出电流范围为82A)，再通过上位机将参数发送给控制模块40，由控制模块40或控制器的内置软件自动计算需要的变阻器Rs阻值参数，最后控制模块40通过I²C通讯协议调整变阻器Rs的阻值，实现驱动器电流和分辨率参数的调整。

在其他实施方案中，上述所有器件均可以根据实际需求选择合适的参数和型号。

如图1所示，基于上述数控机床驱动器，本实施例中还公开了一种数控机床驱动器控制板，包括采样电阻60、运放单元20、模数转换器30和控制模块40，控制板还包括用于连接控制模块40与外部设备的控制信号接口。控制模块40通过控制信号接口与上位机(数控机床控制器)交换信号，具体包括接收使能信号、PWM信号和调节驱动器的参数设置信号，以及发送故障报错、电流反馈数字量信号等。

本实施方案中，控制板上还可以安装缓冲器buffer、外扩EEPROM、FLASH等用于控制模块的扩展器件。通过将控制模块芯片以及围绕控制芯片的周边回路安装在控制板上，提高了驱动器电路的集成度和灵活性，便于产品开发、生产与销售，适合推广使用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种数控机床驱动器，其特征在于，包括：

功率模块，与电机相连，所述功率模块用于产生驱动电流以驱动电机；

采样单元，用于对驱动电流进行采样以产生采样电流，并基于采样电流产生第一电压；

运放单元，与采样单元相连，所述运放单元用于对第一电压进行放大并产生第二电压；

模数转换器，与运放单元相连，所述模数转换器用于基于第二电压产生电压信号；

控制模块，与运放单元、模数转换器和功率模块相连，所述控制模块用于根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数以及基于电压信号调节功率模块。

2.根据权利要求1所述的数控机床驱动器，其特征在于，所述运放单元包括第一放大电路，所述第一放大电路包括第一放大器、第一电阻、第二电阻、变阻器和第一电容，所述第一电阻的第一端与采样单元相连，所述第一电阻的第二端、变阻器的第一端、第一电容的第一端均与第一放大器的第一输入端相连，所述变阻器的第二端、第一电容的第二端、第一放大器的输出端均与模数转换器相连，所述第一放大器的第二输入端通过第二电阻与地电压相连，所述控制模块与变阻器相连以根据驱动电流的目标范围调节变阻器的阻值。

3.根据权利要求2所述的数控机床驱动器，其特征在于，所述运放单元还包括第二放大电路，所述第二放大电路包括第二放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第二电容，所述第三电阻的第一端与第一放大电路相连，所述第三电阻的第二端、第四电阻的第一端、第二电容的第一端均与第二放大器的第一输入端相连，所述第四电阻的第二端、第二电容的第二端、第二放大器的输出端均与模数转换器相连，所述第二放大器的第二输入端通过第五电阻与地电压相连。

4.根据权利要求3所述的数控机床驱动器，其特征在于，所述第三电阻和第四电阻的阻值相等。

5.根据权利要求1所述的数控机床驱动器，其特征在于，所述采样单元包括相连的电流传感器和采样电阻，所述电流传感器用于对驱动电流进行采样以产生采样电流，所述采样电阻用于基于采样电流产生第一电压。

6.根据权利要求1所述的数控机床驱动器，其特征在于，所述控制模块为FPGA、MCU或DSP中的任意一种。

7.一种数控机床驱动器控制板，其特征在于，包括如权利要求1～6中任一项所述的采样电阻、运放单元、模数转换器和控制模块，所述控制板还包括用于连接控制模块与外部设备的控制信号接口。

8.一种数控机床驱动器控制方法，其特征在于，基于如权利要求1～6中任一项所述的数控机床驱动器，所述控制方法包括：

通过功率模块产生驱动电流以驱动电机；

通过采样单元对驱动电流进行采样以产生采样电流，并基于采样电流产生第一电压；

通过运放单元对第一电压进行放大并产生第二电压；

通过模数转换器基于第二电压产生电压信号；

通过控制模块根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数以及基于电压信号调节功率模块。

9.根据权利要求8所述的数控机床驱动器控制方法，其特征在于，所述通过控制模块根据驱动电流的目标范围调节运放单元的放大倍数包括：

根据驱动电流的目标范围、模数转换器的量程以及电流传感器的采样比例和采样电阻的阻值计算运放单元的目标放大倍数；

根据运放单元的目标放大倍数计算变阻器的目标阻值；

通过控制模块将变阻器的阻值调节为目标阻值。

10.根据权利要求8所述的数控机床驱动器控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括通过上位机将驱动电流的目标范围发送给控制模块。