CN205490286U - 一种伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种伺服驱动器，包括功率电路和控制电路；所述功率电路用于对外部输入的电流进行整流、逆变，以及为控制电路提供电源；所述控制电路用于对编码器信号进行输入调理，采样；所述功率电路分别连接至伺服电机的功率端子UVW三个端子。通过改伺服驱动器，既可以安装并测试增量型编码器也可以用于绝对值编码器，只需要设置相应的控制模式就可以，在安装、和检测不同类型的编码器需要不同工装和测试仪器，降低了对安装和检测人员的专业技能的要求，使用本实用新型提供的伺服驱动器进行编码器安装和检测，操作步骤简单，工作效率较高，能够方便地适应多种类型编码器的安装、检测和调试，能够适应大批量生产。

Description

一种伺服驱动器

技术领域

本实用新型涉及伺服电机驱动器和编码器领域，尤指一种用于电机编码器安装、检测和调试的伺服驱动器。

背景技术

由于永磁交流伺服电机具有体积小、效率高、转动惯量低等优点,其在高精度、高可靠性、宽调速范围的航空航天、数控加工、机器人等伺服领域的应用占据主导地位。在这些伺服控制系统中，永磁交流伺服电机作为执行部件，主要依靠安装的编码器检测速度和位置。在永磁交流伺服电机的矢量控制时，为了使dq轴解耦，需要永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场，才能获得最佳的出力效果。因此永磁交流伺服电机的编码器及其装配精度对伺服系统的控制精度有重要影响。

目前在电机上安装的编码器类型主要有增量型编码器和绝对值编码器。

增量型编码器轴的每转动一周，输出一定数量的脉冲。通过周期性的测量或者单位时间内的脉冲计数可以测量电机的速度和位置。增量型编码器输出信号包括A、B两相相差90度的信号，可通过判断A相在前还是B相在前，来判别编码器的正转与反转，一个Z相脉冲以代表零位参考位，U、V和W信号，用于在电机启动时刻确定电机的电矢量角，每转输出U、V和W信号的个数与电机的极对数相关。增量型编码器的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。

绝对值编码器由机械位置确定编码，为每一个轴的位置提供一个独一无二的编码数字值。绝对编码器一般采用串行通讯的方式与驱动器对接。绝对值编码器的优点有1)在一个检测周期内对不同的角度有不同的编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的；2)在掉电时编码器的位置不会改变，上电 后立即可以取得当前位置数据。

对于增量型编码器，目前常用的电机码盘零位检测方法是人工利用示波器观测法。由于电机磁场方向的测量较难实现，因此广泛采用的方法是测量电机反电势与编码器输出信号的相位关系。具体方法是：一般电动机的引出线是三条，没有中点，通过制造出一个人工中点G来进行测量，结合图1所示，为电阻网络示意图，如图1所示，在电机UVW三相的外面接三个电阻，分别为3个阻值相等的电阻，然后将三个电阻的另一端短接，此短接点就是人工中点)，制造出一个人工中点G。并将人工中点G与编码器的信号地(0V)短接。

示波器探头地接在人工中点G，示波器1通道接电动机引出线U相，示波器2通道接编码器信号+U，转动电动机，面向电机轴看是逆时针(CCW)，观测电动机的反电势U相信号和编码器的+U信号的关系，编码器相位关系如图2所示。

为了检测编码器的好坏，需将驱动器连接至编码器，驱动器输入预定的驱动信号，并判断编码器输出的对应的各个输出信号是否正常，对于正常的编码器信号来说，各信号均有高、低变化，例如，A+，A-，B+和B-频率较高，U+，U-，V+，V-，W+和W-信号频率较低，Z+和Z-每转有一个脉冲，各信号高电平为5V,低电平为0V，如果各个信号符合上述关系，则说明编码器安装正常，如果各个信号不符合上述关系，则说明编码器安装错误。

上述编码器检测方法的缺点是：一、操作步骤繁琐，工作效率不高，不能适应大批量生产；二、一般的驱动器大多只能支持某一类型的编码器，不能实现通用化；三、对工人专业技能要求高。

对于绝对值型编码器，零位确定方法一般是给电机某一确定电矢量角的控制信号，把电机的转子固定在确切的位置，此时读取编码器的位置，就可以根据电矢量角，编码器读值确定零位位置。

以上安装，检测不同类型的编码器需要不同工装和测试仪器，因此给生产带来很大的不便。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种伺服驱动器，用于电机编码器安装、检测和调试。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出了一种伺服驱动器，用于电机编码器的安装，检测和调试，所述伺服驱动器包括：

功率电路和控制电路；所述功率电路用于对外部输入的电流进行整流、逆变，以及为控制电路提供电源；

所述控制电路用于对编码器信号进行输入调理，采样；

所述功率电路中设置有功率U端、功率V端、和功率W端，分别用于连接至伺服电机的功率端子UVW三个端子；

所述控制电路中设置有第二通信接口，第二通信接口连接至伺服电机编码器的输出线。

优选地，所述伺服驱动器还包括工作模式输入接口，用于接收安装模式设置信号或检测模式设置信号；所述功率电路还包括第一驱动模块和第二驱动模块，

在接收到安装模式设置信号的情况下，第一驱动模块输出0矢量角电压矢量；

在接收到检测模式设置信号的情况下，第二驱动模块输出以开环的方式控制电机转动的控制信号。

优选地，所述控制电路还包括第一通信接口和DSP单元；

所述DSP单元包括输入输出模块、编码器采样模块、相电流采样模块、；其中，

所述输入输出模块连接至所述第一通信接口，通过所述第一通信接口，接收伺服使能信号，控制模式选择，报警清除信号等控制信号的输入；

所述编码器采样模块连接至所述第二通信接口，用于采样编码器信号，对编码器信号进行解析处理；

所述相电流采样模块连接至功率U端和功率W端，用于执行电机U相和W相相电流的调理，通过调理的信号输入DSP的输入输出模块，输出电机控制信号。

优选地，所述DSP单元还包括：接触器驱动模块、直流母线电压测量模块、栅极驱动和保护模块，和控制模块；其中，

所述接触器驱动模块和直流母线电压测量模块，用于输出驱动器母线电压控制信号；

所述栅极驱动和保护模块，用于输出电压逆变驱动保护信号，输出功率管驱动电机控制信号，以及功率模块保护信号；

所述控制模块实现编码器信号采样，解析，电机PID控制，输入信号有编码器反馈信号，电机U相电流和W相电流信号，输出PWM控制信号。

优选地，所述编码器采样模块包括增量编码器信号输入电路；

所述增量编码器信号输入电路包括AIN输入端、BIN输入端和ZIN输入端。

优选地，所述编码器采样还包括绝对值编码器信号输入电路；

所述绝对值编码器信号输入电路包括485DI输入端、485SC输入端和485RO输出端。

优选地，所述DSP单元还包括上位机通信模块、所述上位机通信模块用于连接至上位机，用于对驱动器参数设置。

优选地，所述DSP单元还包括键盘及显示驱动模块；

所述键盘及显示驱动模块连接至按键输入单元、以及连接至显示单元。

优选地，所述增量编码器信号接收子模块包括芯片26LS32。

优选地，所述绝对值编码器信号输入电路包括芯片MAX485。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括：伺服驱动器包括功率电路和控制电路；所述功率电路用于对外部输入的电流进行整流、逆变，以及为控制电路提供电源；所述控制电路用于对编码器信号进行输入调理，采样； 所述功率电路中设置有功率U端、功率V端、和功率W端，分别用于连接至伺服电机的功率端子UVW三个端子；所述控制电路中设置有第二通信接口，第二通信接口连接至伺服电机编码器的输出线。通过本发明的方案，在使用本实用新型提供的伺服驱动器进行编码器安装和检测时，既可以安装并测试增量型编码器也可以用于绝对值编码器，只需要设置相应的控制模式就可以，在安装、和检测不同类型的编码器需要不同工装和测试仪器，降低了对安装和检测人员的专业技能的要求，使用本实用新型提供的伺服驱动器进行编码器安装和检测，操作步骤简单，工作效率较高，能够方便地适应多种类型编码器的安装、检测和调试，能够适应大批量生产。

附图说明

下面对本实用新型实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本实用新型的进一步理解，与说明书一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型保护范围的限制。

图1为电阻网络示意图；

图2为编码器相位关系示意图；

图3A和图3B为本实用新型实施例提供的驱动器的框图示意图；

图4A为本实用新型实施例提供的驱动器的电路结构示意图；

图4B为本实用新型实施例提供的功率电路100的电路结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的增量编码器信号输入电路的电路结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的绝对值编码器信号输入电路的电路结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的相电流采样模块23的电路结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的直流母线电压测量模块25的电路结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的栅极驱动和保护模块27的电路结构示意 图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本实用新型作进一步的描述，并不能用来限制本实用新型的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的各种方式可以相互组合。

参见图3A，本实用新型提出了一种驱动器，所述驱动器包括：功率电路100和控制电路200；

所述功率电路100用于对外部输入的电流进行整流、逆变，以及为控制电路200提供电源、以及输出电机驱动信号；

所述控制电路200用于对编码器信号进行输入调理，采样；

所述功率电路中设置有功率U端、功率V端、和功率W端，分别用于连接至伺服电机的功率端子UVW三个端子；

所述控制电路中设置有CN3接口，CN3接口连接至伺服电机的编码器输出线。本示例中，第二通信接口以CN3接口为例进行了说明，第一通信接口以CN2接口为例进行了说明。

本实用新型实施例中，所述驱动器还包括工作模式输入接口，用于接收控制模式信号，控制模式信号包括安装模式设置信号和检测模式设置信号；所述功率电路还包括第一驱动模块和第二驱动模块；其中，在接收到安装模式设置信号的情况下，第一驱动模块输出0矢量角电压矢量；在接收到检测模式设置信号的情况下，第二驱动模块输出以开环的方式控制电机转动的控制信号。在对编码器进行安装的时候，向驱动器提供安装模式设置信号，在对编码器进行检测的时候，向驱动器提供检测模式设置信号。

其中，可以将安装模式设置信号和检测模式设置信号分别设置为高电平或者低电平的信号。当驱动器中所接收的控制模式信号为高电平时，驱动器工作在安装模式，安装模式用于编码器的初次安装，驱动器工作在安装模式时，驱动器固定输出0矢量角电压矢量，此时电机锁轴，工人可进行编码器的安装。

当驱动器中的接收的控制模式信号为低电平时，驱动器工作在检测模式，检测模式用于编码器的检测，驱动器工作在检测模式时，驱动器以开环的方式控制电机转动，并记录电机编码器A信号和B信号的个数，并判断A信号和B信号的相位关系，同时采集编码器U，V和W信号，并判断相位关系，并比较电机编码器Z信号的位置与电机相电流过零点的关系。

参见图3B为本实用新型实施例提供的驱动器的框图结构示意图。如图3B所示，本发明实施例提供的驱动器还包括控制电路CN2接口和DSP单元；

所述DSP单元包括输入输出模块21、编码器采样模块22、相电流采样模块23、接触器驱动模块24、直流母线电压测量模块25、栅极驱动和保护模块27，和控制模块28；其中，

所述输入输出模块21连接至所述CN2接口；通过CN2接口，可以接收伺服使能信号，控制模式信号，报警清除信号等控制信号的输入，输入输出模块21对不同的控制信号进行处理。其中，控制模式信号用于将编码器驱动器的工作模式设置为安装模式和检测模式。伺服使能信号用于使能驱动器和报警清除信号用于当驱动器产生报警时，清除报警。工作模式输入接口可以设置为连接至输入输出模块21，通过输入输出模块21接收控制模式信号。

所述编码器采样模块22连接至所述CN3接口；用于电机编码器信号的调理、整形和采集，输入DSP后，由DSP对编码器信号进行解析处理。

所述相电流采样模块23连接至功率U端和功率W端，用于电机U相和W相相电流的调理，通过调理的信号输入DSP的AD(模数转换)模块，完成对电机的控制。

所述接触器驱动模块24和直流母线电压测量模块25，实现对驱动器母线电压的控制。

所述栅极驱动和保护模块26，实现电压逆变驱动，控制功率管驱动电机，对功率模块进行保护。

所述控制模块28实现编码器信号采样，解析，电机PID控制，输入信号有编码器反馈信号，电机U相电流和W相电流信号，输出PWM控制信号。

参见图4A，为本实用新型实施例提供的驱动器的电路结构示意图。参见图4B，为本实用新型实施例提供的功率电路100的电路结构示意图。

本实用新型实施例中，所述编码器采样模块22包括增量编码器信号输入电路221；参见图5，为本实用新型实施例提供的增量编码器信号输入电路的电路结构示意图，如图5所示，所述增量编码器信号接收子模块包括AIN输入端、BIN输入端和ZIN输入端。其中，AIN输入端在编码器安装过程中连接至编码器输出信号A端子、BIN输入端在编码器安装过程中连接至编码器输出信号Z端子，ZIN输入端在编码器安装过程中连接至编码器输出信号A端子。

本实用新型实施例中，所述编码器采样22还包括绝对值编码器信号输入电路222；参见图6，为本实用新型实施例提供的绝对值编码器信号输入电路的电路结构示意图，如图6所示，所述绝对值编码器信号输入电路包括485DI输入端、485SC输入端和485RO输出端。485DI输入端、485SC输入端和485RO输出端与编码器采样模块22连接。

本实用新型实施例中，所述DSP单元还包括上位机通信模块29、和键盘及显示驱动模块27；

所述上位机通信模块29用于连接至上位机；

所述键盘及显示驱动模块用27于连接至按键输入单元(图中未示出)、以及连接至显示单元(图中未示出)。

参见图7，为本实用新型实施例提供的相电流采样模块23的电路结构示意图。参见图8，为本实用新型实施例提供的直流母线电压测量模块25的电路结构示意图。参见图9，为本实用新型实施例提供的栅极驱动和保护模块27的电路结构示意图。

下面结合具体的实施场景进行说明。

首先对增量型编码器安装过程进行说明，该安装过程包括：

步骤11、连接电机的动力线UVW与驱动器的功率电路中的功率UVW端子；功率电路通过UVW端子为电机提供电流。

步骤12、连接电机的编码器线与驱动器CN3接口的增量编码器信号接收子模块221，用于电机编码器信号的调理、整形和采集，输入DSP的编码器采样模块后，由DSP对编码器信号进行解析处理。

步骤13、设置驱动器的工作模式为编码器安装模式，即把输入输出模块21的控制模式信号置位高电平；

步骤14、使能驱动器，给电机通0度矢量角的电压矢量，则电机转子被固定在电矢量角为零的位置，此时固定编码器定子，转动编码器转子，则驱动器显示编码器零位Z信号的位置，当显示为0时，则表示编码器零位Z信号与电机反电势过零点重合，安装完成。

在增量型编码器安装过程完成之后，可以对安装的增量型编码器进行检测，检测内容包括：

步骤21、检测电机编码器A，B信号的相位关系；

步骤22、检测电机编码器U，V和W信号的相位关系；

步骤23、检测电机编码器Z信号的位置；

步骤24、检测电机编码器的线数；

步骤25、检测电机编码器的极对数。

此外，也可以对现有的增量型编码器进行检测，下面对增量型编码器检测过程进行说明，该检测过程包括：

步骤31、连接电机的动力线UVW与驱动器的功率电路中的功率UVW端子；功率电路通过UVW端子为电机提供电流。

步骤32、连接电机的编码器线与驱动器CN3接口的增量编码器信号接收子模块221，用于电机编码器信号的调理、整形和采集，输入DSP的编码器采样模块后，由DSP对编码器信号进行解析处理。

步骤33、设置驱动器的工作模式为编码器检测模式，即把输入输出模块21的控制模式信号置位低电平；

步骤34、使能驱动器，驱动器以开环的方式控制电机转动，并记录电机 编码器A信号和B信号的个数，并判断A信号和B信号的相位关系，同时采集编码器U，V和W信号，并判断相位关系，并比较电机编码器Z信号的位置与电机相电流过零点的关系。

下面对绝对值编码器安装过程进行说明，该安装过程包括：

步骤41、连接电机的动力线UVW与驱动器的功率电路中的功率UVW端子；功率电路通过UVW端子为电机提供电流。

步骤42、连接电机的编码器线与驱动器CN3接口的绝对值编码器信号接收子模块222，用于电机编码器信号的调理、整形和采集，输入DSP的编码器采样模块后，由DSP对编码器信号进行解析处理。

步骤43、设置驱动器的工作模式为编码器安装模式，即把输入输出模块21的控制模式信号置位高电平；

步骤44、使能驱动器，给电机通0度矢量角的电压矢量，则电机转子被固定在电矢量角为零的位置，此时固定编码器定子，转动编码器转子，则驱动器显示编码器当前的反馈位置，当显示为0时，则表示编码器零位信号与电机反电势过零点重合，安装完成。

下面对绝对值编码器检测过程进行说明，该检测过程包括：

步骤51、连接电机的动力线UVW与驱动器的功率电路中的功率UVW端子；功率电路通过UVW端子为电机提供电流。

步骤52、连接电机的编码器线与驱动器CN3接口的绝对值编码器信号接收子模块222，用于电机编码器信号的调理、整形和采集，输入DSP的编码器采样模块后，由DSP对编码器信号进行解析处理。

步骤53、设置驱动器的工作模式为编码器检测模式，即把输入输出模块21的控制模式信号置位低电平；

步骤54、使能驱动器，给电机通0度矢量角的电压矢量，则电机转子被固定在电矢量角为零的位置，此时读取编码器的反馈位置值，并存储到编码器内部的Rom中，则检测完毕。以后在使用过程中，在驱动器上电初始化时，读取编码器内部Rom中的偏移量，在计算电矢量角时，使用的是读取的当前 编码器的反馈位置值与偏移量的代数和。

需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本实用新型的保护范围，在不脱离本实用新型的实用新型构思的前提下，本领域技术人员对本实用新型所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伺服驱动器，用于电机编码器的安装，检测和调试，其特征在于，所述伺服驱动器包括：

功率电路和控制电路；所述功率电路用于对外部输入的电流进行整流、逆变，以及为控制电路提供电源；

所述控制电路用于对编码器信号进行输入调理，采样；

所述功率电路中设置有功率U端、功率V端、和功率W端，分别用于连接至伺服电机的功率端子UVW三个端子；

所述控制电路中设置有第二通信接口，第二通信接口连接至伺服电机编码器的输出线。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器还包括工作模式输入接口，用于接收安装模式设置信号或检测模式设置信号；所述功率电路还包括第一驱动模块和第二驱动模块，

在接收到安装模式设置信号的情况下，第一驱动模块输出0矢量角电压矢量；

在接收到检测模式设置信号的情况下，第二驱动模块输出以开环的方式控制电机转动的控制信号。

3.根据权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述控制电路还包括第一通信接口和DSP单元；

所述DSP单元包括输入输出模块、编码器采样模块、相电流采样模块；其中，

所述输入输出模块连接至所述第一通信接口，通过所述第一通信接口，接收伺服使能信号，控制模式选择，报警清除信号的输入；

所述编码器采样模块连接至所述第二通信接口，用于采样编码器信号，对编码器信号进行解析处理；

所述相电流采样模块连接至功率U端和功率W端，用于执行电机U相 和W相相电流的调理，通过调理的信号输入DSP的输入输出模块，输出电机控制信号。

4.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述DSP单元还包括：接触器驱动模块、直流母线电压测量模块、栅极驱动和保护模块，和控制模块；其中，

所述接触器驱动模块和直流母线电压测量模块，用于输出驱动器母线电压控制信号；

所述栅极驱动和保护模块，用于输出电压逆变驱动保护信号，输出功率管驱动电机控制信号，以及功率模块保护信号；

所述控制模块实现编码器信号采样，解析，电机PID控制，输入信号有编码器反馈信号，电机U相电流和W相电流信号，输出PWM控制信号。

5.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，

所述编码器采样模块包括增量编码器信号输入电路；

所述增量编码器信号输入电路包括AIN输入端、BIN输入端和ZIN输入端。

6.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述编码器采样还包括绝对值编码器信号输入电路；

所述绝对值编码器信号输入电路包括485DI输入端、485SC输入端和485RO输出端。

7.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述DSP单元还包括上位机通信模块、所述上位机通信模块用于连接至上位机，用于对驱动器参数设置。

8.根据权利要求3所述的伺服驱动器，其特征在于，所述DSP单元还包括键盘及显示驱动模块；

所述键盘及显示驱动模块连接至按键输入单元、以及连接至显示单元。

9.根据权利要求5所述的伺服驱动器，其特征在于，所述增量编码器信 号接收子模块包括芯片26LS32。

10.根据权利要求6所述的伺服驱动器，其特征在于，所述绝对值编码器信号输入电路包括芯片MAX485。