CN208207166U - 一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，通过伸缩支架与防护壳配合，在闲置状态下的电路板与外界灰尘、水分隔离，从而延长了电路的工作寿命；通过弧形件与插销的配合，实现了电路板多角度的姿态定位，极大方便了教学展示和维修，提升了装置的教学效果和操作速度；电路板上的测试系统电路设计合理，利用通用性较强的功率电路模块、电源模块、电流采样模块、直流母线电压检测模块、光耦隔离电路以及通信接口，为永磁同步伺服电机驱动装置相关矢量控制算法的位置、转速闭环控制实验提供了坚实的硬件设备基础，也为后续的算法验证、硬件及软件升级提供了一个可以依托的开放性平台。

Description

一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置

技术领域

本实用新型涉及试验装置领域，尤其涉及一种同步伺服电机驱动试验平台装置。

背景技术

永磁同步电机由于结构简单、效率高、损耗小以及功率密度较大等特点，在伺服系统、电动汽车及白色家电产品得到广泛使用。据统计，国外品牌产品占据中国伺服市场的50％以上份额，而国内伺服电机驱动市场仍然处于比较初级的阶段，对于性能与功能的应用没有被放在重要位置。

永磁同步电机控制基本算法是矢量控制与直接转矩控制。在此基础上复合控制策略技术成为主流。经典PID算法融合了控制过程的过去、现在与将来，算法简单、可靠性高，广泛用于工业控制。但位置跟踪误差大，响应慢以及轻负载时位置超调大。因此，在传统PID控制基础上加入自适应控制、模糊控制、滑模变结构控制等策略，提高电机控制的精度与实时特性是科研的的方向。

目前市场上永磁伺服电机驱动试验平台主要是基于单片机处理器、DSP处理器及嵌入式处理器三种。但这些试验平台大多侧重于小功率试验，硬件电路设计简单，水平参差不齐。所以有必要发明一种结构简单、易于操作、功能丰富的同步伺服电机驱动试验平台装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种结构简单、易于操作、功能丰富的同步伺服电机驱动试验平台装置。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，包括底座、支架、电路板和永磁同步伺服电机；所述永磁同步伺服电机固定安装在底座上；所述底座上表面设置有放置槽；所述放置槽底部设置有伸缩槽；所述支架下端嵌设在伸缩槽内，沿伸缩槽的长度方向自由往复移动；所述电路板与支架上端铰接；所述放置槽上方滑动设置有防护壳；所述防护壳为透明材质制成。

进一步地，所述支架包括第一支架和第二支架；所述第一支架和第二支架相互平行；所述电路板设置在第一支架和第二支架之间；所述电路板面向第一支架的一侧固定设置有弧形件；所述弧形件与第一支架平行设置；所述弧形件的圆心与电路板和第一支架的铰接处重合；所述第一支架上设置有通孔；所述弧形件与通孔配合设置，随电路板同步转动；所述弧形件沿长度方向间隔设置有定位孔；设置所述第一支架背向电路板的一侧上贯穿设置有插孔；所述插孔与定位孔的运动路径对应设置；所述定位孔和插孔内配合设置有插销。

进一步地，所述放置槽的上表面平行间隔设置有托齿；所述托齿沿排列方向高度均匀增加；所述托齿为橡胶材料制成。

进一步地，所述电路板上设置有测试系统；所述测试系统包括处理器模块；所述处理器模块依次通过光耦隔离电路、IPM逆变器与永磁同步伺服电机控制连接；所述永磁同步伺服电机上连接设置有电流电压检测电路和光电编码器；所述电流电压检测电路、光电编码器与处理器模块通讯连接。

有益效果：本实用新型的一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，通过伸缩支架与防护壳配合，在闲置状态下的电路板与外界灰尘、水分隔离，从而延长了电路的工作寿命；通过弧形件与插销的配合，实现了电路板多角度的姿态定位，极大方便了教学展示和维修，提升了装置的教学效果和操作速度；电路板上的测试系统电路设计合理，利用通用性较强的功率电路模块、电源模块、电流采样模块、直流母线电压检测模块、光耦隔离电路以及通信接口，为永磁同步伺服电机驱动装置相关矢量控制算法的位置、转速闭环控制实验提供了坚实的硬件设备基础，也为后续的算法验证、硬件及软件升级提供了一个可以依托的开放性平台。

附图说明

附图1为试验平台装置整体结构示意图；

附图2为试验平台装置局部细节图；

附图3为测试系统整体架构图；

附图4为处理器模块电路图；

附图5为带软启动电路的整流滤波电路图；

附图6为伺服电机主功率电路图；

附图7为伺服电机驱动器光耦隔离电路图；

附图8为伺服电机驱动器电流采样电路；

附图9为直流母线电压采样电路图；

附图10为光电编码器对应的光耦隔离电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，如附图1所示，包括底座1、支架2、电路板3和永磁同步伺服电机4；所述永磁同步伺服电机4固定安装在底座1上；所述底座1上表面设置有放置槽11；所述放置槽11底部设置有伸缩槽12；所述支架2下端嵌设在伸缩槽12内，沿伸缩槽12的长度方向自由往复移动；所述电路板3与支架2上端铰接；所述放置槽11上方滑动设置有防护壳13；所述防护壳13为透明材质制成，在不使用试验平台时，将支架2回缩，将电路板3罩在防护壳13内避免灰尘和空气中水分对电路造成污染侵蚀，当需要使用该试验平台时再令支架2伸出。

如附图2所示，所述支架2包括第一支架21和第二支架22；所述第一支架21和第二支架22相互平行；所述电路板3设置在第一支架21和第二支架22之间，两支点铰接其稳定性比单臂铰接更高；所述电路板3面向第一支架21的一侧固定设置有弧形件23；所述弧形件23与第一支架21平行设置；所述弧形件23的圆心与电路板3和第一支架21的铰接处重合；所述第一支架21上设置有通孔24；所述弧形件23与通孔24配合设置，随电路板3同步转动；所述弧形件23沿长度方向间隔设置有定位孔25；设置所述第一支架21背向电路板21的一侧上贯穿设置有插孔26；所述插孔26与定位孔25的运动路径对应设置；所述定位孔25和插孔26内配合设置有插销27，可以确保电路板3在任意对应的角度下保持稳定，且操作简单快捷；当需要进行教学展示或更换电路板3上的元器件时，可以通过弧形件23来调整板面角度，以此来适应不同操作者的身高，以及取得最佳的观察角度。

所述放置槽11的上表面平行间隔设置有托齿14；所述托齿14沿排列方向高度均匀增加，这样即使电路板3没有随支架2伸出放置槽11，依然能够以一个倾斜角方便操作者观察其工作状态；所述托齿14为橡胶材料制成，橡胶材质本身具有一定的弹性，可以在收放电路板3时提供一个缓冲，避免应冲击；同时相比于金属等其他材质，橡胶托齿14的加工精度可以适当放宽，依靠其自身变形适应即可与电路板3背面保持贴合，同时也可以兼容背板局部细微突起、磨损等凹凸不平的情况。

所述电路板3上设置有测试系统；如附图3所示，所述测试系统包括处理器模块31；所述处理器模块31依次通过光耦隔离电路32、IPM逆变器33与永磁同步伺服电机34控制连接；所述永磁同步伺服电机34上连接设置有电流电压检测电路35和光电编码器36；所述电流电压检测电路35、光电编码器36的信号输出端与处理器模块31的信号输入端通讯连接；

处理器模块31采用如附图4所示的低成本、高性价比的意法半导体STM32F103VET6处理器，其具有32位Cortex-M3内核，72MHz时钟频率。处理器模块31内的ADC通过电流电压检测电路35来采集电机相电流信号，实现park、clark坐标变换与反变换，并根据相关参数对电机电流环矢量控制；光电编码器36可以为处理器模块31提供电机的位置与转速信号；调节速度环与位置环参数可以测试永磁同步电机的三环控制效果；同时，主处理器提供CAN总线通信接口，结合上位LabVIEW虚拟仪器软件可以对驱动器性能进行测试，通过JTAG接口依次连接仿真器和计算机，用来对配套硬件进行检测观察。

由附图4可以看出，永磁同步伺服电机驱动主控制器PC1/2/3管脚分别检测电机相电流信号、温度、母线电压等模拟量；PA8/9/10、PB13/14/15分别定义为功率模块6路PWM波开关信号；PC0检测外部环境温度、PC5对外部电源电压检测，用做过压与欠压保护；PA0/1/2用于连接增量编码器输入信号Encode_A/B/C；另外STM32F103片内CAN模块PA11、PA12提供与外部设备通信接口。

附图5是带软启动电路的整流滤波电路图；当后级电路短路时保险丝F1切断电源输入，保护后级电路；压敏电阻VR1在正常电源电压输入情况下阻值无穷大，不影响电路特性；而当外部电压很大，并超过了压敏电阻的耐压值，热敏电阻降至1-2欧姆，这种情况下熔断保险丝对后续电路保护；安规电容C11与共模扼流圈Tl起滤波、抑制共模噪声作用；设定逆变器输出功率1000W，忽略功率桥损耗，选择KBPC2506作为整流桥D1；其内部二极管反向最大反向电压600V，额定电流25A；整流滤波电容由C8、C9、C10三个电解电容、一个无极性薄膜电容C12并联；电解电容参数470uF/400V，薄膜电容220nF/630V；串联3个10欧姆热敏电阻R19、R20、R21限流，并给电解电容预充电，减少对主电路冲击；光耦TLP185、PNP管Q1、继电器K1、功率电阻R25、R26组成软起动电路；程序正常工作后，控制器给sd端输入高电平，三极管导通，继电器吸合，使得三个热敏电阻和功率电阻短路，提供主电路正常工作电源DC_BUS；热敏电阻只是抑制开机瞬间浪涌电流；功率电阻提供系统断电瞬间电解电容快速放电。

附图6是伺服电机主功率电路图；智能功率模块采用三菱公司PS21765，主功率模块将直流电网侧的直流电通过IPM内部IGBT开关管转换为电机驱动交流电；UP、VP、WP、UN、VN、WN由外部CPU提供6路SVPWM信号；功率模块采用15V电源供电；快恢复二极管D3、限流电阻R31、储能电容C14对功率模块内部半桥驱动电路上桥臂IGBT管持续导通提供浮动电源电压；二极管型号10DRA60,限流电阻10欧姆，自举电容22uF；PS21765模块联接直流母线电压DC_BUS与相电流信号Current_U、Current_W检测电路；内部IGBT管Vce＝600V，集电极电流Ic＝20A。

附图7是伺服电机驱动器光耦隔离电路32的电路图；功率电路与STM32F103VET6处理器六路输出PWM信号之间加电气隔离；隔离芯片选择SI8662,隔离峰值电压3750V，输出电流可达11mA，可满足驱动PS21765功率管要求；SI8662隔离芯片采用2.5V-5.5V宽电压工作范围；频率为10kHz脉宽调制信号经过光耦隔离后驱动功率模块；采用三片SI8662芯片对U、V、W三相半桥上桥臂、下桥臂驱动。

电流电压检测电路35包括电流采样电路和电压采样电路；附图8是伺服电机驱动器电流采样电路图；相电流Current_U经过电阻R4采样转化为小电压信号，滤波后经线性光耦HCPL-7840隔离放大；HCPL-7840输入电压范围在-200mV-200mV之间，线性特性很好；后级采用OPA2350运算放大器，光耦输出差分信号经放大调理后转换为单端信号，并确保电压信号范围0-3.3V；调理电路参考电压Vref＝2.5V，可由REF3325芯片提供。

附图9是直流母线电压采样电路图；直流母线电压由电阻R8、R12分压后经过电压跟随器隔离与阻抗匹配；高线性模拟光耦HCNR201隔离高电压侧与采样调理电路，R7与R9分别取30k欧姆，光耦两侧电压放大倍数为1；直流母线电压DC-BUS分压、隔离放大后转换为0-3V范围信号AC-VOL再由STM32F103VET6片内ADC采样。

附图10是光电编码器36对应的光耦隔离电路图；增量编码器信号A、B、C由高速光耦6N137隔离，光藕工作电压3.3V，输入侧限流电阻设计为270欧姆，输出侧采用5.1k电阻上拉；三路输出的编码器信号连接STM32F103F103捕获口获得电机转速、位置、方向信息；6N137隔离脉冲频率最大为10MHz。

该测试系统电路设计合理，利用通用性较强的功率电路模块、电源模块、电流采样模块、直流母线电压检测模块、光耦隔离电路以及通信接口，为永磁同步伺服电机驱动装置相关矢量控制算法的位置、转速闭环控制实验提供了坚实的硬件设备基础，也为后续的算法验证、硬件及软件升级提供了一个可以依托的开放性平台。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，其特征在于：包括底座(1)、支架(2)、电路板(3)和永磁同步伺服电机(4)；所述永磁同步伺服电机(4)固定安装在底座(1)上；所述底座(1)上表面设置有放置槽(11)；所述放置槽(11)底部设置有伸缩槽(12)；所述支架(2)下端嵌设在伸缩槽(12)内，沿伸缩槽(12)的长度方向自由往复移动；所述电路板(3)与支架(2)上端铰接；所述放置槽(11)上方滑动设置有防护壳(13)；所述防护壳(13)为透明材质制成。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，其特征在于：所述支架(2)包括第一支架(21)和第二支架(22)；所述第一支架(21)和第二支架(22)相互平行；所述电路板(3)设置在第一支架(21)和第二支架(22)之间；所述电路板(3)面向第一支架(21)的一侧固定设置有弧形件(23)；所述弧形件(23)与第一支架(21)平行设置；所述弧形件(23)的圆心与电路板(3)和第一支架(21)的铰接处重合；所述第一支架(21)上设置有通孔(24)；所述弧形件(23)与通孔(24)配合设置，随电路板(3)同步转动；所述弧形件(23)沿长度方向间隔设置有定位孔(25)；设置所述第一支架(21)背向电路板(3)的一侧上贯穿设置有插孔(26)；所述插孔(26)与定位孔(25)的运动路径对应设置；所述定位孔(25)和插孔(26)内配合设置有插销(27)。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，其特征在于：所述放置槽(11)的上表面平行间隔设置有托齿(14)；所述托齿(14)沿排列方向高度均匀增加；所述托齿(14)为橡胶材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步伺服电机驱动试验平台装置，其特征在于：所述电路板(3)上设置有测试系统；所述测试系统包括处理器模块(31)；所述处理器模块(31)依次通过光耦隔离电路(32)、IPM逆变器(33)与永磁同步伺服电机(34)控制连接；所述永磁同步伺服电机(34)上连接设置有电流电压检测电路(35)和光电编码器(36)；所述电流电压检测电路(35)、光电编码器(36)与处理器模块(31)通讯连接。