CN201174041Y - 全数字通用交流伺服定位控制驱动器 - Google Patents

全数字通用交流伺服定位控制驱动器 Download PDF

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CN201174041Y CNU2007201122302U CN200720112230U CN201174041Y CN 201174041 Y CN201174041 Y CN 201174041Y CN U2007201122302 U CNU2007201122302 U CN U2007201122302U CN 200720112230 U CN200720112230 U CN 200720112230U CN 201174041 Y CN201174041 Y CN 201174041Y
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一种全数字通用交流伺服定位控制驱动器,它主要由控制板和驱动板组成,所述的控制板中,由高速数字信号处理器DSP、复杂可编程逻辑电路CPLD、多通道模拟数字ADC转换芯片、多通道数字模拟DAC转换芯片、通信接口芯片、输入控制信号/输出状态信号接口、高速光耦隔离、驱动放大电路、按键及LED显示组成全数字通用型交流伺服驱动器的控制电路;所述的驱动板中,由开关电源、专用智能功率模块IPM、电机相电流检测电路、母线整流滤波电路、IPM模块报警信号处理电路、上电控制电路、高速光耦隔离电路、制动泻放回路组成根据控制信号输出驱动信号到伺服电机的全数字通用型交流伺服驱动器的驱动功率电路;它具有结合简单、合理,控制驱动器精度高、功能全、兼容性好、适用范围广的特点。

Description

全数字通用交流伺服定位控制驱动器技术领域本实用新型涉及的是一种全数字通用交流伺服定位控制驱动器,属于运动控制技术、 伺服传动装置等控制设备技术领域。 背景技术目前,通用型交流伺服驱动器多采用数字处理器DSP做控制核心芯片,为了实现诸多 的系统功能,需要采用很多的外围集成电路芯片,有的甚至单独加一单片机MCU专门做外 围按键处理及显示功能,这样易导致整个系统存在结构复杂,逻辑混乱,抗干扰能力差等 不足。同时系统对电机相电流采样主要是通过,电流传感器、运算放大器以及AD转换器 完成,流传感器本身存在体积大,成本高,等不足之处,并且其电流采样输出线性度低, 使得采样精度较低,从而降低了系统控制性能。 发明内容本实用新型的目的在于提供一种结构简单合理,控制驱动器精度高、功能全、兼容性 好、适用范围广的的全数字通用交流伺服定位控制驱动器。本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的,它主要由控制板和驱动板组成,所 述的控制板中,由高速数字信号处理器DSP、复杂可编程逻辑电路CPLD、多通道模拟数 字ADC转换芯片、多通道数字模拟DAC转换芯片、通信接口芯片、输入控制信号\输出 状态信号接口、高速光耦隔离、驱动放大电路、按键及LED显示组成全数字通用型交流伺 服驱动器的控制电路。所述的DSP芯片通过接口电路接收到外部的指令信号和光电编码器反馈的位置信号 后,对它们进行计算处理,再输出控制信号到接口电路;接口电路再将控制信号进行适当 的转换后送到驱动板。所述的驱动板中,由开关电源、专用智能功率模块IPM、电机相电流检测电路、母线 整流滤波电路、IPM模块报警信号处理电路、上电控制电路、高速光耦隔离电路、制动泻 放回路组成根据控制信号输出驱动信号到伺服电机的全数字通用型交流伺服驱动器的驱 动功率电路。所述的DSP外部控制线WE、 RD、 IS、 STRB与LC4128V的10 口 WE、 RD、 IS、 STRB相 连,提供DSP通过CPLD对外部10芯片读写的控制信号;DSP的时钟输出CLK0UT信号与LC4128V时钟输入口 CLK/I相连,提供LC4128V逻辑处理需要的时钟信号;DSP的地址总 线A(TA7与LC4128V的A0〜A7相连,进行DSP访问不同外部信号的地址选址;DSP的数据 总线D(TDll与LC4128V的D0〜D11相连。所述的数字处理器DSP的数据总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连,数字 信号处理器DSP的地址总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连。DSP的外部扩展 控制线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连,DSP通过CPLD可方便实现DSP的外 围芯片扩展及电路相关信号的双向数据传输。所述的CPLD外围芯片和信号扩展包括4个按键KEY广KYE4; 5个LED,含片选信号 DISP1〜DISP5,八段LED的段码信号Da~Ddp;四通道的12位模拟数字转换芯片ADS7862, 含AD—A0、 AD_CS、 AD—RD、AD—CONST、AD_CLK等控制信号和AD—BUSY状态信号以及AD_D0〜AD11 12位AD转换结果信号。所述的双通道串行DAC芯片TLV5625,含时钟信号DAC_CLK、片选信号DAC—CS、串行 数据信号DAC一DATA;电机码盘信号U、 V、 W信号。本发明所述的伺服电机相电流检测通过串接的高精度采样精密电阻、以及连接采样电 阻与电流信号运放调理电路的高精度模拟隔离线性运算放大器。本实用新型与现有技术相比,具有结合简单、合理,控制驱动器精度高、功能全、兼 容性好、适用范围广的特点;它的出现为提升我国伺服产品在高端制造业的应用成为可能; 因此,本发明适应于机器人、加工中心、织袜机械、数控机床、印刷机械、、包装机械等 控制性能要求较高的行业。 附图说明图1为本实用新型的内部硬件结构电路图。图2为本实用新型的超高速复杂可编程逻辑电路CPLD外围扩展图。 图3为本实用新型的电流信号取样电路图。 具体实施方式下面将结合附图对本实用新型作详细的说明:本发明主要是通过高速数字信号处理器 DSP和超快可编程逻辑电路CPLD来进行独立设计。通过数字信号处理器来实现系统控制 算法,通过复杂可编程逻辑电路CPLD实现外部芯片扩展。本发明主要由控制板和驱动板组成,在控制板中,采用了高速数字信号处理器DSP、 高性能低功耗的复杂可编程逻辑电路CPLD作为核心控制电路,包括多通道AD转换电路、RS232/485、 CAN通讯接口,按键及LED显示等;在功率板中,采用以UC3844为核心的 开关电源电路,智能功率模块IPM为核心的主电路,以及高精度模拟隔离线性运算放大器 为核心的电流采样电路。数字处理器DSP的数据总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连,数字信号处 理器DSP的地址总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连。DSP的外部扩展控制线 与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连,DSP通过CPLD可方便实现DSP的外围芯片 扩展及电路相关信号的双向数据传输。伺服电机相电流检测通过串接的高精度采样精密电阻、以及连接采样电阻与电流信号 运放调理电路的高精度模拟隔离线性运算放大器。本发明通过高速数字处理器DSP来完成系统控制算法,通过采用超高速复杂可编程逻 辑电路CPLD来扩展外部按键和LED,扩展串行DAC及多通道高精度ADC,以及不同形 式位置指令信号的处理,同时实现外部信号电平转换功能;通过采用高精度模拟隔离线性 运算放大器的电流采样电路,并且通过多通道高精度模拟数字转换器实现系统电机电流的实时采样,提高电流采样的线性度和采样精度。本实用新型提供一种基于高速数字处理器DSP、超快可编程逻辑电路CPLD以及专用 智能功率模块IPM等核心器件组成的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,该产品硬件主 要由控制板和驱动板二部分组成。控制板硬件由高速数字处理器DSP作为核心控制芯片、 高性能低功耗的复杂可编程逻辑电路作为外围芯片扩展接口、高精度A/D转换电路、通信 电路、解码电路、直流母线电压检测电路、温度检测电路以及整形电路等组成;驱动板由 基于UC3844电流型PWM波电源控制芯片组成的高频开关电源、由日本三菱开发的专用智 能型IPM为核心的逆变电路、由美国安捷伦研制的高精度模拟隔离线性运算放大器7840 组成的电流取样电路以及TOSHIB研制的TLP114高速光耦隔离电路等组成。基于可靠而稳 定的硬件加上先进的交流电机控制算法(实现参数辨识技术、转矩观测技术、自适应的过 载保护技术、位置反馈信号内推技术),可实现永磁伺服电机位置控制、速度控制和转矩 控制,充分解决了目前国产伺服定位控制驱动器精度不高、功能不全、兼容性差、适用范 围窄的缺点,此产品的出现为提升我国伺服产品在高端制造业的应用成为可能。因此,该 产品适应于机器人、加工中心、织袜机械、数控机床、印刷机械、、包装机械等控制性能 要求较高的行业。如图l所示,本实用新型所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,、包括控制板、驱动板。所述控制板包含美国TI公司推出的适合电机控制的高速数字处理器TMS320 C2000芯片、CPLD采用LATTICE公司推出的高性能低功耗超高速LC4128V芯片、四通 道ADC转换芯片ADS7862、双通道DAC转换芯片TLV5625、 RS232/485/CAN通信接口 、 控制信号接口、按键及LED显示电路、电机码盘反馈信号接口; LATTICE 4128V CPLD 由3.3V电压供电,可接收5V的相关信号,因此具有电平转换功能;控制信号接口用于接 收来自上位机或外接输入/输出点的指令信号;电机码盘反馈接口,用于接收伺服电机的 光电编码器反馈的位置信号;DSP芯片通过接口电路接收到外部的指令信号和光电编码器 反馈的位置信号后,对它们进行计算处理,再输出控制信号到接口电路;接口电路再将控 制信号进行适当的转换后送到驱动板;所述驱动板包含开关电源、整流电路、电流信号检 测电路、继电器上电控制电路、采用T0SHIB研制的TLP114的高速光耦隔离电路、直流母 线过压释放电路、以及采用美国安捷伦研制的高精度模拟隔离线性运算放大器HCPL7840 组成的电流取样电路等部分;主电路接受来自控制板控制信号,根据控制信号输出驱动信 号到伺服电机,同时进行伺服电机电流相电流采样处理,送到运放电路调理电路,再经过 ADS7862完成电流AD采样。外部指令信号包括外部位置指令、外部模拟转速给定、外部 模拟转矩给定。外部位置指令由上位机发出,经CPLD统一处理为脉冲和方向信号后送到 DSP进行进一步处理,与位置反馈信号可进行位置控制。外部模拟转速给定经四通道模拟 数字转换器ADS7862转化为数字量,与伺服电机的反馈速度进行速度调节后可实现速度 控制。外部模拟转矩给定经通道模拟数字转换器ADS7862转化为数字量,与伺服电机的 电流采样信号进行转矩调节后可实现转矩控制。如图2所示,DSP外部控制线WE、 RD、 IS、 STRB与LC4128V的10 口 WE、 RD、 IS、 STRB相连,提供DSP通过CPLD对外部IO芯片读写的控制信号;DSP的时钟输出 CLKOUT信号与LC4128V时钟输入口 CLK/I相连,提供LC4128V逻辑处理需要的时钟信 号;DSP的地址总线A0〜A7与LC4128V的A0〜A7相连,进行DSP访问不同外部信号的 地址选址;DSP的数据总线D0〜D11与LC4128V的D0〜D11相连,进行信号数据的双向 传输。CPLD外围芯片和信号扩展包括4个按键KEY1〜KYE4; 5个LED,含片选信号 DISP1〜DISP5,八段LED的段码信号Da〜Ddp;四通道的12位模拟数字转换芯片ADS7862, 含AD—AO、 AD—CS、 AD—RD、 AD—CONST、 AD_CLK等控制信号和AD—BUSY状态信号 以及AD—D0〜AD11 12位AD转换结果信号;双通道串行DAC芯片TLV5625,含时钟信 号DAC—CLK、片选信号DAC—CS、串行数据信号DAC_DATA;电机码盘信号U、 V、 W信号等。由于DSP只能接收3.3V信号,LATTICE芯片LC4128V 3.3V供电,其可以接收 5V输入信号,所以LC4128V扩展外围芯片的同时,又起到了电平转换的作用。针对上述 诸多的外围型号,通过对LATTICE LC4128V进行VHDL编程,实现DSP对外围芯片的 访问和数据处理,完成系统的外围芯片及信号扩展功能。显然,通过使用复杂可编程逻辑 电路LATTICE芯片LC4128V,与使用常规小规模逻辑器件集成电路相比,减少了布线密 度,增加了集成度,提高了系统可靠性、抗干扰性、以及布局布线的灵活性。如图3所示,高精度精密电阻Rs串接在电机相绕组PH1中,将交流伺服电机相电流 量转化为电压量,而高精度模拟隔离线性运算放大器7840连接于采样电阻Rs与采样信号 调理电路U4之间。电机相绕组对应的智能功率模块IPM上桥臂悬浮电源Vp经限流电阻 R1及稳压二极管Z1后产生稳压电源VD1,此电源为隔离电源,作为高精度模拟隔离线性 运算放大器HCPL7840的初级供电电源,接于HCPL7840的1号脚和4号脚之间;HCPL 7840的次级供电电源由开关电源提供的系统电源供电,接于HCPL 7840的5号脚和8号 脚之间。精密采样电阻Rs的一端与HCPL 7840的3号脚相连,精密电阻的另一端则经过 滤波电阻Rf与HCPL 7840的2号脚相连,高精度模拟隔离线性运算放大器HCPL 7840的 2号脚与3号脚之间设置有滤波电容C3。HCPL7840的6号脚VO+与7号脚VO-之间电压 则为高精度模拟隔离线性运算放大器的输出电压,且HCPL7840的输出电压与精密采样电 阻Rs两端电压成正比。为了消除HCPL 7840供电电源中的谐波,提高电流采样精度,初 级电源中设置有滤波电容C4、次级电源中设置有滤波电容C2。当串接在电机相绕组PH1 中的精密采样电阻Rs流过电流时,在采样电阻Rs的两端产生的电压差,此电压差经过高 精度模拟隔离线性运算放大器HCPL 7840作用后自动输出一对与输入电压成正比的差动 电压信号,经运算放大器U3将此差动电压信号运算放大后输出一模拟电压信号,最后由 高精度ADCU4将该模拟电压信号转变为数字信号输出。由于高精度模拟隔离线性运算放 大器HCPL 7840的传输线性度相当高,其非线性度典型值为0.1%,现性放大倍数的典型 值为8.0,即使初级电压仅有毫伏级的变化,其次级输出的差动电压也会随之改变,因而 其电流采样精度非常高,从而使得整个系统的控制性能大大提高。本实用新型由控制板、驱动板两部分组成,用来驱动永磁同步交流伺服电机。在控制 板中,由高速数字信号处理器DSP、复杂可编程逻辑电路CPLD、多通道模拟数字ADC 转换芯片、多通道数字模拟DAC转换芯片、通信接口芯片、输入控制信号\输出状态信号 接口、高速光耦隔离、驱动放大电路、按键及LED显示组成全数字通用型交流伺服系统的控制电路,采用了数字信号处理器DSP作为系统控制核心、复杂可编程逻辑电路CPLD作 为数字信号处理器DSP外围功能芯片扩展核心,实现按键处理及LED显示功能、多通道 ADC实时采样、DAC扩展,并且CPLD同时具有电平转换功能。在功率板中,由开关电 源、专用智能功率模块IPM、电机相电流检测电路、母线整流滤波电路、IPM模块报警信 号处理电路、上电控制电路、高速光耦隔离电路、制动泻放回路组成全数字通用型交流伺 服驱动器的功率电路;电流检测釆用高精度精密电阻,将交流伺服电机相电流量转化为电 压量,采用高精度模拟隔离线性运算放大器进行电流电压量处理,线性度较好,检测精度 较高。

Claims (7)

1、一种全数字通用交流伺服定位控制驱动器,它主要由控制板和驱动板组成,其特征在于所述的控制板中,由高速数字信号处理器DSP、复杂可编程逻辑电路CPLD、多通道模拟数字ADC转换芯片、多通道数字模拟DAC转换芯片、通信接口芯片、输入控制信号\输出状态信号接口、高速光耦隔离、驱动放大电路、按键及LED显示组成全数字通用型交流伺服驱动器的控制电路;所述的DSP芯片通过接口电路接收到外部的指令信号和光电编码器反馈的位置信号后,对它们进行计算处理,再输出控制信号到接口电路;接口电路再将控制信号进行适当的转换后送到驱动板。
2、 根据权利要求1所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,其特征在于所述的 驱动板中,由开关电源、专用智能功率模块IPM、电机相电流检测电路、母线整流滤波电 路、IPM模块报警信号处理电路、上电控制电路、高速光耦隔离电路、制动泻放回路组成 根据控制信号输出驱动信号到伺服电机的全数字通用型交流伺服驱动器的驱动功率电路。
3、 根据权利要求1所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,其特征在于所述的 DSP外部控制线WE、 RD、 IS、 STRB与LC4128V的10 口 WE、 RD、 IS、 STRB相连,提供DSP 通过CPLD对外部10芯片读写的控制信号;DSP的时钟输出CLK0UT信号与LC4128V时钟输 入口 CLK/I相连,提供LC4128V逻辑处理需要的时钟信号;DSP的地址总线A0〜A7与LC4128V 的A(TA7相连,进行DSP访问不同外部信号的地址选址;DSP的数据总线D0〜D11与LC4128V 的D(TD11相连。
4、 根据权利要求1所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,其特征在于所述的 数字处理器DSP的数据总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连,数字信号处理器 DSP的地址总线与复杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连。DSP的外部扩展控制线与复 杂可编程逻辑电路CPLD的I/O 口相连,DSP通过CPLD可方便实现DSP的外围芯片扩展 及电路相关信号的双向数据传输。
5、 根据权利要求3或4所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,其特征在于所 述的CPLD外围芯片和信号扩展包括4个按键KEY1〜KYE4; 5个LED,含片选信号 DISP1〜DISP5,八段LED的段码信号Da〜Ddp;四通道的12位模拟数字转换芯片ADS7862, 含AD—A0、AD—CS、AD_RD、AD_CONST、 AD—CLK等控制信号和AD—BUSY状态信号以及AD—D0〜AD11 12位AD转换结果信号。
6、 根据权利要求1所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,其特征在于所述的 双通道串行DAC芯片TLV5625,含时钟信号DAC—CLK、片选信号DAC—CS、串行数据信号 DAC—DATA;电机码盘信号U、 V、 W信号。
7、 根据权利要求书2所述的全数字通用交流伺服定位控制驱动器,其特征在于:伺 服电机相电流检测通过串接的高精度采样精密电阻、以及连接采样电阻与电流信号运放调 理电路的高精度模拟隔离线性运算放大器。
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