CN201928224U

CN201928224U - 一种直流有刷电机伺服驱动器

Info

Publication number: CN201928224U
Application number: CN2010206923347U
Authority: CN
Inventors: 吴国亮; 孙斌; 李大琦; 苏长青; 李均田
Original assignee: Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Current assignee: Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-12-31

Abstract

本实用新型涉及一种直流有刷电机伺服驱动器，包括功率驱动电路、智能保护与故障判断电路、直流伺服调速电路、整流电路以及高频隔离单元和驱动器散热装置，还包括PWM产生电路以及电流反馈电路和速度反馈电路，所述的PWM产生电路的输出直接接功率驱动电路的控制电压输入，功率驱动电路的输出直接与直流有刷电机输入相连，所述的电流反馈电路采用LEM传感器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，本装置采用了高集成度新型元器件IPM智能模块与高精度的电机控制PWM产生模块，同时对电磁兼容进行了精心的设计，使得直流有刷电机伺服驱动器的功率密度、控制精度、稳定性与可靠性以及电磁兼容性得到了很大的提高。

Description

一种直流有刷电机伺服驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种直流有刷电机伺服驱动器，尤其是一种高控制精度、大功率密度，具有保护功能和良好电磁兼容性的控制电机驱动的直流有刷电机伺服驱动器。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，工业控制领域对直流有刷电机伺服驱动器的需求趋于高控制精度、小体积、高功率密度、高稳定性与可靠性以及良好的电磁兼容性与散热性。目前工业中使用的直流伺服驱动系统的功率驱动电路是基于多个分立的IGBT模块搭建而成，这种模块集成度低，外围电路复杂，体积庞大，可靠性及散热性差，无法满足当前电机驱动领域对高精度、小体积、大功率的需要，且外围保护电路对故障的判断与处理响应速度慢，电磁兼容性较差，已无法满足当前工业控制中对直流伺服驱动系统的需求。

实用新型内容

本实用新型其目的就在于提供一种直流有刷电机伺服驱动器，具有小体积、大功率、高性能的特点，该驱动器能够高精度地控制直流有刷电机，并且具有良好的电磁兼容性与散热性以及快速的故障判断与处理能力。

实现上述目的而采取的技术方案，包括功率驱动电路、智能保护与故障判断电路、直流伺服调速电路、整流电路以及高频隔离单元和驱动器散热装置，还包括PWM产生电路以及电流反馈电路和速度反馈电路，所述的PWM产生电路的输出直接接功率驱动电路的控制电压输入，功率驱动电路的输出直接与直流有刷电机输入相连，所述的功率驱动电路还与智能保护与故障判断电路以及整流电路相连；所述的电流反馈电路采用LEM传感器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，所述的速度反馈电路采用测速机或编码器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，所述的直流伺服调速电路又与PWM产生电路相连。

与现有技术相比本实用新型具有以下优点。

由于采用了IPM智能功率模块的设计，因而体积小，功率大，在电机驱动方面可满足功率与体积的要求；同时，IPM智能功率模块内部集成大功率IGBT管、故障输出与保护电路，使得系统集成度非常高，体积小，输出功率大，外围电路设计简单，可靠性与电磁兼容性好；通过单片机实施监测系统故障信号，并对监测到的故障信号能进行判断处理，提高了系统对故障的反应速度；

由于采用了电机控制器实现PWM控制波形的产生，因而在简化电路的同时提高了系统的稳定性与控制精度；

由于采用了独特的散热设计，使得驱动器的散热性能提高。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

图1为本装置与直流电机相连的一种结构框图。

图2为本装置功率驱动电路的一种电路原理图。

图3为本装置调速电路的部分原理图。

图4为本装置的散热装置结构示意图。

图中：(1)PWM产生电路、(2)功率驱动系统电路、(3)智能保护与故障判断电路、(4)电流反馈电路、(5)速度反馈电路、(6)直流伺服调速系统电路、(7)整流电路以及(8)高频隔离电源。

具体实施方式

包括功率驱动电路、智能保护与故障判断电路、直流伺服调速电路、整流电路以及高频隔离单元和驱动器散热装置，还包括PWM产生电路以及电流反馈电路和速度反馈电路，所述的PWM产生电路的输出直接接功率驱动电路的控制电压输入，功率驱动电路的输出直接与直流有刷电机输入相连，所述的功率驱动电路还与智能保护与故障判断电路以及整流电路相连；所述的电流反馈电路采用LEM传感器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，所述的速度反馈电路采用测速机或编码器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，所述的直流伺服调速电路又与PWM产生电路相连。

所述的功率驱动电路主功率器件采用IPM智能功率模块，所述的IPM智能功率模块电流输出端经高频隔离单元与电机相连。

所述的直流伺服调速电路采用电流、速度双闭环调节，其中电流环采用PI调节器，速度环采用PID调节器，所述的直流伺服调速电路的电流环为内环，电流环的输入端为速度环的输出，电流环的输出接PWM产生电路D8的16脚；所述的速度环为外环，速度环的输入端为外部DA设定信号，输出端为电流环的输入。

所述的直流伺服系统智能保护与故障判断电路使用STC单片机处理IPM故障输出信号与使能控制信号，故障输出信号采用光耦进行光电隔离。

所述的直流伺服调速电路采用速度电流双闭环串级调速电路，可对直流有刷电机进行高精度控制。

在控制信号输入与速度反馈输入端均使用513 A共轭电感滤除毛刺，在IPM控制信号输入端采用光电隔离，在IPM智能模块电流输出V、W端均加有滤波磁环，在直流电机与驱动器之间设有用于高频信号隔离与续流的高频隔离单元。

所述的驱动器散热装置包括风扇、底座、固定侧板、散热片固定装置、散热片，所述的散热片由多个1mm厚的铝材制成，并嵌入到装有大功率器件的底座上，散热片采用固定侧板11与散热片固定装置12固定于底座10上，散热片13前面装有风扇9进行通风散热。

本实用新型包括与直流有刷电动机绕组相连的功率驱动电路，还包括PWM产生电路、智能保护与故障判断电路、电流反馈电路、速度反馈电路、直流伺服调速电路、高频隔离单元、为整个伺服驱动系统提供电源的电源变换电路以及独特的散热设计。所述的功率驱动系统电路的输入接所述的PWM产生电路输出端，功率驱动系统电路的输出接所述的高频隔离单元输入，功率驱动系统电路还与所述的智能保护与故障判断电路相连。所述的PWM产生电路的输入接所述的直流伺服调速系统电路的输出，所述的直流伺服调速系统的输入接所述的速度反馈电路的输出与模拟控制信号输入，所述的速度反馈电路通过速度检测装置将检测回来的速度信号经过运放再与模拟控制信号输入经过运算电路处理后输入所述的直流伺服调速系统电路；所述的电流反馈电路的输入接电流传感器输出，电流反馈电路的输出接所述的直流伺服调速系统电路电流环输入；所述的高频隔离单元的输入接所述的功率驱动系统的输出，高频隔离单元的输出则与电机绕组相连。功率驱动系统电路采用IPM智能功率模块实现，IPM智能功率模块内部集成大功率IGBT管、故障输出与保护电路，使得系统体积小，输出功率大，可靠性及安全性好，外围电路设计简单；PWM产生电路采用专用电机控制器实现PWM控制波形的产生，简化了电路的同时提高了系统的稳定性与控制精度；智能保护与故障判断电路得到的采样信号为过热、过流、欠压及短路信号，IPM模块会立即被关断，使电机断电；驱动器的散热设计时采用了独特的固定装置将多个1mm厚的铝材散热片嵌入到安装功率器件的铝材底座上，在散热片附近安装了一个通风散热的风扇，这样的设计使得驱动器的散热效果非常好。

作为优选，所述的功率驱动系统电路采用IPM智能功率模块A2实现，功率驱动系统电路由A、B两组组成。A路信号经电阻R9与高速光耦D4的ANTHODE相连，高速光耦D9的输出VO与IPM智能功率模块的VP相连；D4的1、2相连；3、4相连；1、4间接有电阻；5、8间接有电容；6、8间接有电阻；IPM模块A2的5接驱动电源15V3-，8接驱动电源15V3+，5、8之间接有滤波电容。B路信号经电阻R8与高速光耦D3的ANTHODE相连，高速光耦D3的输出VO与IPM智能功率模块的WP相连；D3的1、2相连；3、4相连；1、4间接有电阻；5、8间接有电容；6、8间接有电阻；IPM模块A2的9接驱动电源15V3-，12接驱动电源15V3+，9、12之间接有滤波电容。IPM智能功率模块A2的母线端P、N接所述的整流电路输出，IPM智能功率模块A2的电流输出端V、W接所述的高频隔离单元的输入端。

作为优选，所述的PWM产生电路采用电机专用控制器D8实现，所述的直流伺服调速系统电流环输出接D8的16，D8的4、7分别接反向器1、3。

作为优选，所述的智能保护与故障判断电路采用STC系列单片机，其9、10分别接故障输出信号D11的8、10、12。6接使能控制信号D7的4，1接三极管V3的栅极。实现方便，性能稳定，可靠性高。

作为优选，所述的电流反馈电路采用LEM磁感应式电流传感器A1实现，A1的1接运放N2的6，2接-15V，3接+15V。电路实现方便，检测电流精度高。

下面通过实例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1：本实施例的直流有刷电机伺服驱动器，如图1所示：包括PWM产生电路(1)、功率驱动系统电路(2)、智能保护与故障判断电路(3)、电流反馈电路(4)、速度反馈电路(5)、直流伺服调速系统电路(6)、整流电路(7)以及高频隔离电源(8)。如图2所示：功率驱动系统电路(2)采用三菱PM系列IPM智能功率模块A2实现，功率驱动系统电路由A、B两组组成。A路信号经电阻R9与高速光耦D4的ANTHODE相连，高速光耦D4的输出VO与IPM智能功率模块的VP相连；D4的1、2相连；3、4相连；1、4间接有电阻；5、8间接有电容；6、8间接有电阻；IPM模块A2的5接驱动电源15V3-，8接驱动电源15V3+，5、8之间接有滤波电容。B路信号经电阻R8与高速光耦D3的ANTHODE相连，高速光耦D3的输出VO与IPM智能功率模块的WP相连；D3的1、2相连；3、4相连；1、4间接有电阻；5、8间接有电容；6、8间接有电阻；IPM模块A2的9接驱动电源15V3-，12接驱动电源15V3+，9、12之间接有滤波电容。IPM智能功率模块A2的母线端P、N接所述的整流电路输出，IPM智能功率模块A2的电流输出端V、W接所述的高频隔离单元的输入端。整流电路外接动力电源输入。如图3所示：PWM产生电路(1)的输入接伺服调速系统电流环输出，输出端通过光耦接IPM智能功率模块的控制信号输入端，通过改变PWM输出波形占空比控制IPM智能功率模块的通断，从而实现对电机的调速。如图3中：PWM控制器D8采用UC2637，伺服调速系统的电流环输出接D8的16，通过改变R64与C53可调节PWM输出频率。电流反馈电路(4)的输入端接LEM电流传感器A1的输出1，输出端与速度环输出信号经运算处理后接直流伺服系统电流环输入端。速度反馈电路(5)的输入端为速度检测装置的输出端，输出经过运放再与模拟控制信号输入经过运算电路处理后输入直流伺服调速系统电路的输入端。直流伺服调速系统电路(6)采用速度电流双闭环串级调速电路，直流伺服调速系统电路的输入端接模拟控制信号输入与速度反馈的整合信号，输出端接PWM产生电路PWM控制器的16。高频隔离单元(8)接在功率驱动系统电流输出端与电机绕组之间。

实施例2：本实施例的直流有刷电机伺服驱动器，如图4所示：驱动器散热设计由风扇、底座、固定侧板、散热片固定装置、散热片组成。其中，散热片由多个1mm厚的铝材制成，并嵌入到装有大功率器件的底座上，散热片采用固定侧板（11）与散热片固定装置（12）固定于底座（10）上，散热片（13）前面装有风扇（9）进行通风散热。

工作过程：模拟控制输入信号与电机速度反馈信号经运算处理后输入直流伺服系统速度环控制器，经PID调节后再与电流反馈信号做运算处理后输入电流环控制器，经PI调节后输入PWM控制器，调节PWM输出信号占空比，进而控制IPM功率管的通断，实现电机调速的目的。同时，STC单片机用来处理伺服系统的故障信号，一旦系统出现过热、过流、欠压及短路信号，立刻关断IPM功率模块输出，使电机断电。调速系统采用改进型速度电流双闭环串级调速电路，可对电机进行高精度控制。高集成度的IPM智能模块、专用高精度PWM控制器的使用以及良好的电磁兼容设计使得伺服系统性能指标、可靠性、电磁兼容性以及功率输出密度得到大幅度的提高，同时系统的体积得到了很好的控制。

Claims

1. 一种直流有刷电机伺服驱动器，包括功率驱动电路、智能保护与故障判断电路、直流伺服调速电路、整流电路以及高频隔离单元和驱动器散热装置，其特征在于，还包括PWM产生电路以及电流反馈电路和速度反馈电路，所述的PWM产生电路的输出直接接功率驱动电路的控制电压输入，功率驱动电路的输出直接与直流有刷电机输入相连，所述的功率驱动电路还与智能保护与故障判断电路以及整流电路相连；所述的电流反馈电路采用LEM传感器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，所述的速度反馈电路采用测速机或编码器为感应元件并与直流伺服调速电路相连，所述的直流伺服调速电路又与PWM产生电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种直流有刷电机伺服驱动器，其特征在于，所述的功率驱动电路主功率器件采用IPM智能功率模块，所述的IPM智能功率模块电流输出端经高频隔离单元与电机相连。

3.根据权利要求1所述的一种直流有刷电机伺服驱动器，其特征在于，所述的直流伺服调速电路采用电流、速度双闭环调节，其中电流环采用PI调节器，速度环采用PID调节器，所述的直流伺服调速电路的电流环为内环，电流环的输入端为速度环的输出，电流环的输出接PWM产生电路D8的16脚；所述的速度环为外环，速度环的输入端为外部DA设定信号，输出端为电流环的输入。

4.根据权利要求1所述的一种直流有刷电机伺服驱动器，其特征在于，所述的直流伺服系统智能保护与故障判断电路使用STC单片机处理IPM故障输出信号与使能控制信号，故障输出信号采用光耦进行光电隔离。

5.根据权利要求1所述的一种直流有刷电机伺服驱动器，其特征在于，所述的直流伺服调速电路采用速度电流双闭环串级调速电路，可对直流有刷电机进行高精度控制。

6.根据权利要求1所述的一种直流有刷电机伺服驱动器，其特征在于，在控制信号输入与速度反馈输入端均使用513 A共轭电感滤除毛刺，在IPM控制信号输入端采用光电隔离，在IPM智能模块电流输出V、W端均加有滤波磁环，在直流电机与驱动器之间设有用于高频信号隔离与续流的高频隔离单元。

7.根据权利要求1所述的一种直流有刷电机伺服驱动器，其特征在于，所述的驱动器散热装置包括风扇、底座、固定侧板、散热片固定装置、散热片，所述的散热片由多个1mm厚的铝材制成，并嵌入到装有大功率器件的底座上，散热片采用固定侧板（11）与散热片固定装置（12）固定于底座（10）上，散热片（13）前面装有风扇（9）进行通风散热。