CN201365221Y - 智能大功率直流电机伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种智能大功率直流电机伺服驱动器。它包括微控制器(MCU)、可编程逻辑器件(PLD)、IGBT模块构成的伺服驱动电路和外围接口(Interface)，可编程逻辑器件连接IGBT驱动电路，IGBT驱动电路驱动IGBT模块，IGBT模块输出端连接电机，外围接口包括总线接口、电枢电压接口、测速机接口、开关量处理和编码器接口。本实用新型可以实现开环控制、闭环伺服控制，具有参数智能调节功能，同时具有微型计算机接口，用以实现多路控制，并可用于1－10KW以上高精度驱动和控制，具有结构紧凑、可靠性高、使用方便、维护简单等优点。

Description

智能大功率直流电机伺服驱动器

(一)技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，具体涉及一种大功率直流电机伺服驱动器。

(二)背景技术

直流电机具有良好的起、制动性能，且宜于在广范围内平滑调速，在轧钢机、挖掘机、金属切削机床和高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛应用。

目前国内市场上应用的直流电动机驱动器大致有以下几种：

1.小功率(小于0.5KW)直流电机驱动，控制方式多为PWM调整，功率元件选用MOS器件，这类产品比较成熟，但多以模拟控制为主，即使采用微处理器控制，也还不具有智能。

2.中大功率(大于2KW)直流电机驱动，多采用可控硅整流器装置实现大电压大电流的控制。这类产品多为模拟控制，伺服控制精度低，不具有智能。

(三)发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可以实现开环控制、闭环伺服控制，具有参数智能调节功能，同时具有微型计算机接口，用以实现多路控制，并可用于1-10KW以上高精度驱动和控制，具有结构紧凑、可靠性高、使用方便、维护简单等优点的智能大功率直流电机伺服驱动器。

本实用新型的目的是这样实现的：它包括微控制器(MCU)、可编程逻辑器件(PLD)、IGBT模块构成的伺服驱动电路和外围接口(Interface)，可编程逻辑器件和外围接口分别连接微控制器，可编程逻辑器件连接IGBT驱动电路，IGBT驱动电路驱动IGBT模块，IGBT模块电流检测输出端连接微控制器，外围接口包括总线接口、电枢电压接口、测速机接口、开关量处理和编码器接口。

本实用新型还有这样一些技术特点：

1、所述的微控制器包括主控单片机U1，编码器接口包括编码器接口单片机U2，主控单片机U1通过并口PB口(PB0～PB7)与编码器接口单片机U2相连接；

2、所述的主控单片机U1的7、8引脚接晶振电路，晶振电路由电容C1、C2、晶振Y1构成，电容C3～C7分别接主控单片机U1的33～37引脚，电容C9～C12分别接主控单片机U1的电源引脚，主控单片机U1的RESET引脚接复位电路，复位电路由电容C8和电阻R1构成，主控单片机U1的13引脚输出PWM信号；

3、所述的编码器接口单片机U2的7、8引脚接晶振电路，晶振电路由电容C14、C15、晶振Y2构成，编码器接口单片机U2的19、20引脚接上拉电阻R3、R4，电容C16～C19分别接编码器接口单片机U2的电源引脚，编码器接口单片机U2的RESET引脚接复位电路，复位电路由电容C13和电阻R2构成；

4、所述的主控单片机U1把给定速度与反馈速度做比较输出PWM信号，输出的PWM信号通过隔离电路送到IGBT驱动电路，IGBT驱动电路驱动IGBT组成的H桥带动电机转动。隔离电路由芯片U3、U4组成，电阻R5～R8是上拉电阻，芯片U5、U6构成IGBT驱动电路，电容C20、C21为滤波电容，IGBT Q1、Q2、Q3、Q4组成H桥来带动电机转动，其输出端MOT-、MOT+接电机的两端。

本实用新型直流电动机伺服驱动器的功率范围：1～10KW，电压范围：DC24～DC220V，采用新型微处理器与IGBT技术相结合，控制方式采用PWM控制方式。可以实现开环控制，闭环伺服控制，具有参数智能调节功能，同时具有微型计算机接口，用以实现在多路控制。配有微型计算机软件，可以在线实时调节控制参数，以及观察记录系统的运行特性。伺服驱动器的参数还可以通过LED显示及键盘调节。

本实用新型有以下几个特点：

1、以PWM控制方式，功率电路采用H桥电路，功率达到10KW。

2、与微型计算机采用485总线接口，适用于计算机集中控制。

3、具有参数自整定功能，并可以在线调节控制参数。

4、具有微型计算机软件，用以调整参数及监测运行状态。

上述分析了在现有技术中，中小功率的直流电动机的驱动大多采用脉宽调制技术和功率器件，而大功率直流电动机还是采用传统的SCR驱动。本实用新型是用PWM技术和IGBT模块实现大功率直流电机伺服控制。PWM技术相对于传统的SCR技术有很大的优势，主要表现：

①开关损耗小，效率高；

②PWM经隔离，不会因为电网电压的波动影响调速效果；

③高频脉冲电流给电机的电枢供电，由于电机是感性负载，脉冲电流得以滤平，所以波系数小，电机发热量小，可以减小机械变形，从而提高工作机械的精度；

④系统响应频带宽，因此起制动快，抗负载扰动能力强；

⑤PWM系统很容易实现电机四象限运行。

本实用新型通过电路优化、资源共享而使调速装置结构紧凑，可靠性高，使用方便，维护简单。与现有的技术相比，本实用新型的优点有：采用PWM技术实现了大功率直流电机的驱动控制，使得电机的速度调节误差减小，使用效率得到了提高，同时使抗干扰能力增强。运用可编程逻辑器件对PWM信号取反，减小了因为硬件延迟而带来的直通现象的负面影响。另外通过优化设计和组合，使得由两台大功率驱动装置完成的工作由一台驱动装置就能完成，其结构简单，降低了制造成本，提高了运行可靠性，方便了使用和维护，使用范围广。

(四)附图说明

图1为驱动装置主控单片机原理图；

图2为驱动装置编码器接口单片机原理图；

图3为隔离电路与IGBT驱动电路原理图；

图4为驱动控制单元原理框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明：

结合图4，本实施例装置的核心是驱动控制单元，它主要由单片机(MCU)系统、可编程逻辑器件系统(PLD)、驱动电路(Driver)、IGBT模块(IGBT)、外围接口(Interface)等部分组成。本实施例装置以单片机和可编程逻辑器件为控制核心，单片机的功能主要有系统初始化、产生PWM控制信号、伺服算法和通讯等，可编程逻辑器件的功能有PWM取反、速度反馈的编码器的四倍频和过流保护等。

结合图1，图中主控单片机U1通过并口PB口(PB0～PB7)与图2中的编码器接口单片机U2相连接。单片机U1的7、8引脚接晶振电路，其晶振电路由电容C1、C2、晶振Y1构成。电容C3～C7分别接33～37引脚，对其进行滤波。电容C9～C12分别接单片机的电源引脚，对其进行滤波。单片机的RESET引脚接复位电路，复位电路由电容C8，电阻R1构成。13引脚输出PWM信号。

结合图2，图中编码器接口单片机U2通过并口PB口与图1中的主控单片机U1相连接。编码器接口单片机U2的7、8引脚接晶振电路，其晶振电路由电容C14、C15、晶振Y2构成。19、20引脚接上拉电阻R3、R4。电容C16～C19分别接单片机的电源引脚，对其进行滤波。单片机的RESET引脚接复位电路，复位电路由电容C13，电阻R2构成。

结合图3，主控单片机把给定速度与反馈速度做比较，输出PWM信号，此输出的PWM信号通过隔离电路送到IGBT驱动电路，IGBT驱动电路驱动IGBT组成的H桥带动电机转动。其中隔离电路由芯片U3、U4组成，电阻R5～R8是上拉电阻。芯片U5、U6构成IGBT驱动电路，电容C20、C21为滤波电容。IGBT Q1、Q2、Q3、Q4组成H桥来带动电机转动，其输出端MOT-、MOT+接电机的两端。

外围接口提供了数字输入和模拟量输入两种模式，可供用户按其需求选择。数字接口为基于RS232标准的串行接口，模拟量接口为-10V～+10V的输入形式。串行接口通过RS232驱动芯片MAX232直接与MCU的串行口相连，模拟量输入接口±10V的输入经过运算放大器放大为±2.5V，在利用加法器将其转变成0～+5V的信号直接与MCU的A/D转换口相连。此外系统还实现了过流保护功能，防止了灾难的发生。具体原理：驱动电路检测到直流电机电枢回路电流超过预设值时，将会产生高电平(一般情况下是低电平)，使单片机进入外部中断模式，从而产生保护控制信号，完成过流保护功能，防止直流电机因堵转等引起的灾难的发生。

Claims (5)

1、一种智能大功率直流电机伺服驱动器，它包括微控制器和外围接口，其特征在于它还包括可编程逻辑器件、IGBT模块、IGBT驱动电路，可编程逻辑器件和外围接口分别连接微控制器，可编程逻辑器件连接IGBT驱动电路，IGBT驱动电路连接IGBT模块，IGBT模块的输出端连接电机，电流检测输出端连接微控制器，外围接口包括总线接口、电枢电压接口、测速机接口、开关量处理和编码器接口。

2、根据权利要求1所述的智能大功率直流电机伺服驱动器，其特征在于所述的微控制器包括主控单片机(U1)，编码器接口包括编码器接口单片机(U2)，主控单片机(U1)通过并口与编码器接口单片机(U2)相连接。

3、根据权利要求2所述的智能大功率直流电机伺服驱动器，其特征在于所述的主控单片机(U1)的7、8引脚接晶振电路，晶振电路由电容(C1、C2)、晶振(Y1)构成，电容(C3～C7)分别接主控单片机(U1)的33～37引脚，电容(C9～C12)分别接主控单片机(U1)的电源引脚，主控单片机(U1)的RESET引脚接复位电路，复位电路由电容(C8)和电阻(R1)构成，主控单片机(U1)的13引脚输出PWM信号。

4、根据权利要求3所述的智能大功率直流电机伺服驱动器，其特征在于所述的编码器接口单片机(U2)的7、8引脚接晶振电路，晶振电路由电容(C14、C15)、晶振(Y2)构成，编码器接口单片机(U2)的19、20引脚接上拉电阻(R3、R4)，电容(C16～C19)分别接编码器接口单片机(U2)的电源引脚，编码器接口单片机(U2)的RESET引脚接复位电路，复位电路由电容(C13)和电阻(R2)构成。

5、根据权利要求4所述的智能大功率直流电机伺服驱动器，其特征在于所述的主控单片机(U1)把给定速度与反馈速度做比较输出PWM信号，输出的PWM信号通过隔离电路送到IGBT驱动电路，IGBT驱动电路驱动IGBT组成的H桥带动电机转动。隔离电路由芯片(U3、U4)组成，电阻(R5～R8)是上拉电阻，芯片(U5、U6)构成IGBT驱动电路，电容(C20、C21)为滤波电容，IGBT(Q1、Q2、Q3、Q4)组成H桥来带动电机转动，其输出端MOT-、MOT+接电机的两端。

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