CN201118497Y

CN201118497Y - 双电机同步伺服驱动器

Info

Publication number: CN201118497Y
Application number: CNU2007200161244U
Authority: CN
Inventors: 贾凯; 陈为廉; 徐方; 郑春晖
Original assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Current assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2017-11-23

Abstract

一种双电机同步伺服驱动器，包括DSP系统控制模块和电机功率驱动模块，通过控制接口接成一体；DSP系统控制模块中数字信号处理器通过CAN总线接口、RS232接口与上位计算机或控制系统相连接，实现实时通信，还通过码盘接口同时连接电机码盘，对电机的闭环控制；电机功率驱动模块中的开关电源电路通过电源接口为电机功率驱动模块供电；过流保护电路、功率驱动电路通过控制接口与DSP系统控制模块中的数字信号处理器通信，功率驱动电路输出接过流保护电路，并与直流电机连接。它用于双轮差动式服务机器人及有同步要求过程的电机驱动及控制，使双电机同步进行驱动及控制，有效改进双电机同步协调运动能力及控制精度。

Description

双电机同步伺服驱动器

技术领域

本实用新型涉及机电一体化、伺服传动装置的控制设备，具体地说是一种基于DSP的双电机同步伺服驱动器，该装置适用于移动机器人等需要电机同步驱动的运动控制产品。

背景技术

传统的双电机运动控制一直是按照运动控制器和伺服驱动器产品组合实现的。一般是由一个运动控制器和两个伺服驱动器产品构成。这样的控制方式在移动机器人产品中应用部件较多，不利于小型化和同步控制的进行。高精度的电机同步运动控制实时性要求较高、运算量较大，普通的单片机及一般的CPU难以完成，运动控制器更无法实现与伺服驱动器产品结合。

近些年随着数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)技术的不断发展进步，特别是电机控制专用的DSP的出现为电机控制提供了广阔的发展空间，DSP的运算速度及专用接口优势使各种复杂的数字控制能够统一在DSP系统中实现。然而，运用DSP技术，实现高精度的双电机同步运动控制技术装置目前尚未见报道。

实用新型内容

为了克服现有技术中电机同步运动控制实时性要求较高、运算量较大，普通的单片机及一般的CPU难以完成的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于DSP的双电机同步伺服驱动器，充分利用了DSP的高速运算、控制能力和可编程逻辑芯片的灵活性，实现了运动控制器和伺服驱动器的结合的双电机同步运动控制功能。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案包括：

-DSP系统控制模块，包括数字信号处理器，可编程器件，存贮器电路，配有RS232接口和CAN总线接口，码盘接口和控制接口，其中：所述数字信号处理器通过CAN总线接口、RS232接口与上位计算机或控制系统相连接，接收总线的控制指令，实现实时通信；数字信号处理器还通过码盘接口同时连接第一～二电机码盘，接收来自电机码盘的直流电机的实时速度位置反馈信号，实现对电机的闭环控制；

-电机功率驱动模块，包括开关电源电路、功率驱动电路、过流保护电路，配有电源接口和双电机接口，通过控制接口与DSP系统控制模块连接成一体；所述开关电源电路通过电源接口为电机功率驱动模块供电；过流保护电路、功率驱动电路通过控制接口与DSP系统控制模块中的数字信号处理器通信，功率驱动电路输出一方面接至过流保护电路，另一方面经双电机接口与第一～二直流电机电连接。

其中：第一～二直流电机及第一～二码盘构成控制系统，实现对双电机的电流环、速度环和位置环的同步运动控制；DSP系统控制模块内部设有中央处理器，其CAN总线控制器支持CAN2.0B协议；

DSP系统控制模块中的CAN总线接口电路包括第一～二高速光电耦合隔离器及总线驱动器，第一～二高速光电耦合隔离器一方面通过引脚CANTX和CANRX与上位机连接，另一方面隔离连接到总线驱动器，由总线驱动器U5形成输出，连接其它具有CAN接口的设备；

所述RS232接口电路包括电平转换电路、UART的总线驱动器，由二极管、第24电阻、第25电阻、第26电阻组成的电平转换电路连接到系统控制模块中的数字信号处理器，经总线驱动器进行输出和输入，用于连接其它具有RS232接口的设备；

电机码盘信号采用差分的方式传送，通过接口电路实现电平转换，送到数字信号处理器中，数字信号处理器内部的硬件正交信号输入接口实现码盘的硬件计数，分别得到两个直流电机速度和位置的反馈信号，从而实现电机控制的速度环和位置环的控制功能；

电机功率驱动模块中的开关电源电路以控制器为核心器件，还包括反馈的第11光电耦合隔离器，隔离电路及变压器，其中控制器的源极和漏极与变压器初级线圈串联连接，控制端接至在变压器次级的一组线圈中串联设置的第11光电耦合隔离器，第11光电耦合隔离器输出端通过变压器次级的另一组线圈供电；变压器次级共设置有三路隔离输出电路，为功率驱动电路中H桥功率输出电路提供隔离的控制电源；

过流保护电路为两个运算放大器构成的比较电路结构，输入信号来自功率驱动电路中的电流信号，输出经控制接口接至数字信号处理器；两个直流电机的过流保护电路结构相同，其中一个结构：电流采样信号通过第12运算放大器构成比较电路，第12运算放大器输出向数字信号处理器申请中断；

电机功率驱动模块中的功率驱动电路为两路结构，包括第15～16光电耦合隔离器，第16～17桥驱动模块及H桥功率输出电路，其中第15～16光电耦合隔离器的输出均与第16～17桥驱动模块的输入端相连，第16～17桥驱动模块的输出端接H桥功率输出电路的开关管基极。

本实用新型区别于传统的方式之处在于：

1.与传统运动控制器和两个伺服驱动器实现控制的方式相比，由于本实用新型采用运动控制器和伺服驱动器的控制由同一个数字信号处理器来完成，克服了传统的运动控制器和两个伺服驱动器之间进行实时通信时数据传输所占用的时间，以及电机的同步控制响应速度慢、产品外形占用尺寸大、其间的连接需要电缆等不足，本实用新型不需要数据传输时间，实时控制响应速度快，电机同步效果非常好。另外，本实用新型外形尺寸小，减少了电缆的联接，特别适合于对双轮差动运动控制有严格要求的移动机器人产品的应用。

2.本实用新型以数字信号处理器为核心，运用先进的全数字式电机控制方式，实现了双电机的电流环，速度环和位置环的闭环控制，可用于对双轮差动运动控制有严格要求的移动机器人产品的应用，实现准确的同步运动及定位。

3.本实用新型由DSP系统控制模块和电机功率驱动模块两部分构成，具有CAN总线网络接口和RS232接口，可以连接两个具有光电码盘接口的直流电机。

4.本实用新型的整个驱动装置模块化特点显著，安装、使用及维护非常方便。

5.本实用新型的电机驱动模块中还有过流保护电路，可以实现双电机过流的保护。电流超过设定的数值时，数字信号处理器能在硬件上关断的PWM信号输出，从而停止对电机的PWM输出，实现电机的实时保护功能。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构框图。

图2是本实用新型的数字信号处理器原理图。

图3是本实用新型的可编程器件原理图。

图4是本实用新型的CAN总线接口电路原理图。

图5是本实用新型的RS232接口电路原理图。

图6是本实用新型的数据存贮器电路原理图。

图7是本实用新型的码盘接口电路图。

图8是本实用新型的开关电源电路原理图。

图9是本实用新型的过流保护电路原理图。

图10是本实用新型的功率驱动单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型由DSP系统控制模块1和电机功率驱动模块2两个模块构成，DSP系统控制模块1和电机功率驱动模块2通过控制接口(本实施例采用20针的插座，插座信号有中断信号、两路A/D采样信号和PWM输出信号)连接成一体，整个驱动装置模块化特点显著，安装、使用及维护非常方便。其中：

DSP系统控制模块1包括数字信号处理器DSP，可编程器件CPLD，存贮器电路RAM，配有RS232接口和CAN总线接口，码盘接口和控制接口，数字信号处理器DSP可以通过CAN总线接口、RS232接口与上位计算机或控制系统相连接，接收总线的控制指令，实现实时通信；数字信号处理器DSP通过码盘接口同时连接第一～二电机码盘E1～E2，数字信号处理器DSP接收来自电机码盘的直流电机的实时速度位置反馈信号，实现对电机的闭环控制。

电机功率驱动模块2包括开关电源电路、功率驱动电路、过流保护电路，配有电源接口和双电机接口，其中：DSP系统控制模块1的控制接口与电机功率驱动模块2的控制接口连接，所传递的信号有PWM输出、电流及保护信号；开关电源电路通过电源接口为电机功率驱动模块2供电；过流保护电路、功率驱动电路通过控制接口与DSP系统控制模块1中的数字信号处理器DSP通信，功率驱动电路输出一方面接至过流保护电路，另一方面经双电机接口与第一～二直流电机M1～M2电连接。

由第一～二直流电机M1～M2及第一～二码盘E1～E2构成控制系统，实现对双电机的电流环、速度环和位置环的同步运动控制。

如图2所示，DSP系统控制模块1的中央处理器U1采用通过TI公司的TMS320LF2407A芯片，可以采用10MHz晶振，内部DSP时钟可以为40MHz。

如图3所示，本实施例DSP系统控制模块1中所述可编程器件CPLD采用EPM7064芯片，实现地址译码和DSP的逻辑信号处理的功能。输入信号主要有来自数字信号处理器DSP的控制信号：IS、STRB、PS、DS、RD、WE、WR和DSP的地址信号A0、A1、A2、A15。处理的输出信号主要有选片信号SELA15、SELCE1、CS0、CS1。其编程通过设计的JTAG接口P8实现，可以在线进行编程。

如图4所示，DSP系统控制模块1中的CAN总线接口电路包括第一～二高速光电耦合隔离器U3～U4及总线驱动器U5，第一～二高速光电耦合隔离器U3～U4与上位机的连接是通过引脚CANTX和CANRX，经过第一～二高速光电耦合隔离器U3～U4隔离连接到总线驱动器U5的引脚TxD和RxD，由总线驱动器U5的CANH和CANL输出，形成CAN的接口到插座P4，用以连接其它具有CAN接口的设备。DSP芯片内部有CAN总线控制器，支持CAN2.0B协议。

如图5所示，RS232接口包括电平转换电路、RS232的总线驱动器，系统控制模块1中的数字信号处理器DSP的引脚SCITXD和SCIRXD，经过二极管D2、第24电阻R24、第25电阻R25、第26电阻R26组成的电平转换电路连接到总线驱动器U6的引脚T1IN和R1OUT，由总线驱动器U6的T1OUT和R1IN进行输出和输入，形成RS232接口连接到插座P7，用于连接其它具有RS232接口的设备。

如图6所示，DSP系统控制模块1中的数据存贮器RAM采用IS61LV6416芯片，它是64K*16的存贮芯片，用作系统的数据存贮；数字信号处理器DSP通过16位数据总线和16位地址总线与数据存贮器U7相连接，读写及选片信号来自数字信号处理器DSP的控制信号RD、WE及译码信号SELCE1、SELA15。

两个直流电机的码盘信号通过码盘接口P3A与DSP系统控制模块1中的数字信号处理器DSP相连接，如图7表示其中一个码盘接口的电路原理图，电机码盘信号采用差分的方式传送，信号为A+、A-、B+、B-、Z+、Z-，共有两路电机码盘信号。码盘的差分信号通过接口电路U8实现电平转换，通过数字信号处理器DSP的引脚CAP1、CAP2、CAP3送到数字信号处理器DSP中，数字信号处理器DSP内部的硬件正交信号输入接口实现码盘的硬件计数，分别得到两个直流电机速度和位置的反馈信号，从而实现电机控制的速度环和位置环的控制功能。

如图8所示，电机功率驱动模块2中的开关电源电路核心器件是控制器U10及反馈的第11光电耦合隔离器U11，隔离电路，还包括变压器TR1，其中控制器U10的S和D端与变压器TR1初级线圈串联连接，控制端接至在变压器TR1次级的一组线圈中串联设置的第11光电耦合隔离器U11，第11光电耦合隔离器U11的隔离输出接变压器TR1次级的另一组线圈。变压器TR1次级共设置有三路隔离输出电路，为功率驱动电路中H桥功率输出电路提供隔离的电源。

过流保护电路为两个运算放大器构成的比较电路结构，输入信号来自功率驱动电路，输出经控制接口接至数字信号处理器DSP。两个直流电机的过流保护电路结构相同，其中一个如图9所示，电流采样信号通过第12运算放大器U12构成比较电路，实际中设定了双比较的门槛值，即正反向的电流最大值，如果超出这个最大值的设定门槛值，过流保护电路的输出会产生低电压输出，向数字信号处理器DSP申请中断，同时数字信号处理器DSP关断的PWM信号输出，从而保证过流出现时，停止对电机的PWM输出，实现电机的保护功能。

如图10所示，电机功率驱动模块2中的功率驱动电路共有两路，包括第15～16光电耦合隔离器U14～U15，第16～17桥驱动模块U16、U17及由MOSFET开关管构成的H桥功率输出电路，第15～16光电耦合隔离器U14～U15的输出均与第16～17桥驱动模块U16～U17的输入端相连，第16～17桥驱动模块U16～U17的输出端接H桥功率输出电路的开关管基极。

Claims

1.一种双电机同步伺服驱动器，其特征在于包括：

-DSP系统控制模块(1)，包括数字信号处理器(DSP)，可编程器件(CPLD)，存贮器电路(RAM)，以及RS232接口和CAN总线接口，码盘接口和控制接口，其中：所述数字信号处理器(DSP)通过CAN总线接口、RS232接口与上位计算机或控制系统相连接，接收总线的控制指令；数字信号处理器(DSP)还通过码盘接口同时连接第一～二电机码盘(E1～E2)，接收来自电机码盘的直流电机的实时速度位置反馈信号；

-电机功率驱动模块(2)，包括开关电源电路、功率驱动电路、过流保护电路，配有电源接口和双电机接口，通过控制接口与DSP系统控制模块(1)连接成一体；所述开关电源电路通过电源接口为电机功率驱动模块(2)供电；过流保护电路、功率驱动电路通过控制接口与DSP系统控制模块(1)中的数字信号处理器(DSP)通信，功率驱动电路输出一方面接至过流保护电路，另一方面经双电机接口与第一～二直流电机(M1～M2)电连接。

2.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：第一～二直流电机(M1～M2)及第一～二码盘(E1～E2)构成控制系统。

3.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：DSP系统控制模块(1)内部设有中央处理器(U1)，其CAN总线控制器采用CAN2.0B协议。

4.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：DSP系统控制模块(1)中的CAN总线接口电路包括第一～二高速光电耦合隔离器(U3～U4)及总线驱动器(U5)，第一～二高速光电耦合隔离器(U3～U4)一方面与上位机连接，另一方面隔离连接到总线驱动器(U5)，总线驱动器(U5)连接其它具有CAN接口的设备。

5.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：所述RS232接口电路包括电平转换电路、UART的总线驱动器，由二极管(D2)、第24电阻(R24)、第25电阻(R25)、第26电阻(R26)组成的电平转换电路连接到系统控制模块(1)中的数字信号处理器(DSP)，经总线驱动器(U6)连接其它具有RS232接口的设备。

6.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：电机码盘通过接口电路接数字信号处理器(DSP)，数字信号处理器(DSP)输出为两个直流电机速度和位置的反馈信号。

7.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：开关电源电路以控制器(U10)为核心器件，还包括反馈的第11光电耦合隔离器(U11)，隔离电路及变压器(TR1)，其中控制器(U10)的源极和漏极与变压器(TR1)初级线圈串联连接，控制端接至在变压器(TR1)次级的一组线圈中串联设置的第11光电耦合隔离器(U11)，第11光电耦合隔离器(U11)输出端与变压器(TR1)次级的另一组线圈相连；变压器(TR1)次级共设置有三路隔离输出电路，至功率驱动电路中H桥功率输出电路。

8.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：过流保护电路为两个运算放大器构成的比较电路结构，输入信号来自功率驱动电路中的电流信号，输出经控制接口接至数字信号处理器(DSP)；两个直流电机的过流保护电路结构相同，其中一个结构：电流采样信号通过第12运算放大器(U12)构成比较电路，第12运算放大器(U12)输出至数字信号处理器(DSP)。

9.根据权利要求1所述双电机同步伺服驱动器，其特征在于：功率驱动电路为两路结构，包括第15～16光电耦合隔离器(U14～U15)，第16～17桥驱动模块(U16、U17)及H桥功率输出电路，其中第15～16光电耦合隔离器(U14～U15)的输出均与第16～17桥驱动模块(U16～U17)的输入端相连，第16～17桥驱动模块(U16～U17)的输出端接H桥功率输出电路的开关管基极。