CN211018694U - 一种低压交流伺服电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于工业控制领域，具体涉及一种低压交流伺服电机驱动装置，包括伺服控制板以及伺服驱动板，所述伺服控制板连接于所述的伺服驱动板。所述伺服控制板包括数据处理单元、核心算法单元、检测单元、控制单元，所述数据处理单元包括光纤接口，可提供高通信速率。本实用新型所述的低压交流伺服电机驱动装置采用光纤作为通信的媒介提高传输速度可满足高实时性场合的要求。

Description

一种低压交流伺服电机驱动装置

技术领域

本实用新型属于工业控制领域，具体涉及一种低压交流伺服电机驱动装置。

背景技术

随着自动化生产技术的发展，在运动控制系统中要用到许多伺服和伺服驱动器，而且在某些场合对多个伺服运动的实时性要求较高。现有的伺服驱动器一般使用RS-485、CAN总线进行通信，传输速度慢且传输的数据少很难满足要用到多个伺服和伺服驱动器且要求高实时性的场合。

现有大多数驱动器为满足伺服驱动电压要求以及为控制部分提供合适电压，需要进行电压转换，电压转换电路不仅占据驱动器较大的空间还会造成转化过程中的电量损耗。现有大多数驱动器为解决电机制动时产生的动能转化为电能对驱动器造成影响的问题需要添加额外的电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低压交流伺服电机驱动装置，通过现场可编程逻辑门阵列芯片以及光纤收发器接收外部控制器的信息，信息以光纤为媒介进行传递，使得通信速度大大提高，满足对实时性较高要求的场合。利用外部的直流母线电源，可以减少伺服驱动器电压转换所需的电路同时减小伺服驱动器的体积以及降低电压转换所带来的电能损耗。

为解决上述技术问题，本使用新型提供了以下技术方案：

一种低压交流伺服电机驱动装置，包括：伺服控制板以及伺服驱动板；其特征在于，

所述伺服控制板连接于所述的伺服驱动板；

所述伺服控制板包括数据处理单元、核心算法单元、检测单元和控制单元；

所述数据处理单元主要集成于第一个芯片内，所述的核心算法单元集成于第二个芯片内，所述检测单元集成于第三个芯片内，所述的控制单元集成于第四个芯片内；

所述数据处理单元通过并行总线连接于控制单元，通过串行总线连接于检测单元；所述核心算法单元通过串行总线连接于控制单元。

进一步的，所述第一个芯片和第三个芯片为现场可编程门阵列，所述第二个芯片为电机驱动专用集成芯片，所述第四个芯片为微控制单元。

进一步的，所述数据处理单元包括通信单元、IO单元、显示单元和编码器单元。

进一步的，所述通信单元包括光纤收发器和光纤接口。

进一步的，所述的伺服驱动板包括：电源模块、母线电压滤波模块和功率模块；所述功率模块连接于核心算法控制单元，驱动电机运动。

进一步的，所述数据处理单元支持增量式编码器和串行编码器信号处理。

进一步的，所述检测单元检测电机运行时的状态，当伺服驱动装置或电机处于不安全状态时通知数据处理单元由数据处理单元发出指令最终使电机停止运行。

进一步的，所述核心算法单元输出电机运行控制信号完成相应运动指令。

进一步的，所述核心算法单元包括位置环、速度环、电流环。

进一步的，所述核心算法单元包括数模转换器。

有益效果：

本实用新型所述的低压交流伺服电机驱动装置采用光纤作为通信的媒介提高传输速度可满足高实时性场合的要求。另外，本实用新型所述的低压交流伺服电机驱动装置支持两路编码器信号处理，一路是电机编码器信号最终传输给核心算法单元，另一路可根据实际应用，连接到伺服驱动器所服务的设备上，外部控制器可根据编码器信息完成所驱动设备闭环控制，同时根据需求外部控制器可根据电机编码器上的信息，完成伺服的速度环或位置环闭环控制而不使用核心算法单元的速度环和位置环。另外，本实用新型采用共直流母线结构，本身不再需要开关电源电路，可减小伺服驱动器的体积，降低伺服驱动器的成本，提高了驱动器的稳定性和可靠性，降低了电能的损耗。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的一种低压交流伺服电机驱动装置的结构示意图。

图2为本实用新型的实施例的一种低压交流伺服电机驱动装置作为从站拓展多轴应用的结构示意图。

图3为本实用新型的实施例的一种低压交流伺服电机驱动装置前视图。

图4为本实用新型的实施例的一种低压交流伺服电机驱动装置左视图。

图5为本实用新型的实施例的一种低压交流伺服电机驱动装置拆分示意图。

图6为本实用新型的实施例的一种低压交流伺服电机驱动装置整体示意图。

图中标识：1、光纤接口；2、IO接口；3、串口；4、编码器接口；41、第一编码器接口；42、第二编码器接口；5、oled显示；6、电机接口；7、控制电接口；8、母线电接口；9、伺服驱动板；10、伺服控制板；11、伺服控制板和伺服驱动板数据连接接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

实施例1

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型的实施的附图，对本实用新型实时实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型的实施方式涉及一种低压交流伺服电机驱动装置。如图1所示，一种低压交流伺服电机驱动装置，包括：伺服控制板和伺服驱动板，所述伺服控制板连接于伺服驱动板。伺服控制板板负责电机的核心算法控制，并向电机提供运动控制信号(即向驱动板提供运动控制信号)，以及于外部控制器通信、输入输出控制、运行状态检测及显示等。伺服驱动板用于根据伺服驱动器提供的运行控制信号驱动电机。

本实施方式中，伺服控制板包括数据处理单元、核心算法单元、检测单元、控制单元，数据处理单元通过并行总线连接于控制单元，通过串行总线连接于检测单元；所述控制单元通过并行总线连接于数据处理单元，通过串行总线连接于核心算法控制单元；所述的核心算法单元输出电机运行控制信号。所述控制单元控制核心算法单元输出电机运行控制信号完成相应运动指令。数据处理单元集成于第一个芯片内，核心算法单元集成于第二个芯片内，检测单元集成于第三个芯片内，控制单元集成于第四个芯片内。其中第一芯片和第三个芯片采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)，第二个芯片采用电机驱动专用集成芯片，第四个芯片采用微控制单元(Microprocessor Control Unit,MCU, 又称单片机)。本实施方式通过四个芯片的相互协作完成伺服驱动器运动控制、外部通信、信息显示、输入输出控制等工作。所述数据处理单元支持增量式编码器和串行编码器信号处理。

进一步的，所述数据处理单元处理外部所有信号并向外部输出信号，所述数据处理单元包括通信单元，IO(Input Output,输入输出)单元、显示单元、编码器单元，所述通信单元包括光纤接口和光纤收发器，用于与外部控制主站进行通信，通过光纤可与外部高速通信和提高实时信息传递的内容，可极大提高伺服驱动器所在设备的整体实时性。所述IO单元包括输入和输出，通过相应参数可设定 IO的具体功能，可适应多种应用场景。所述IO单元通过光耦隔离接收外部输信号和向外部输出信号，用户可根据自己的需求设置输入和输出信号对应的功能，提高了输入输出控制的灵活性，极大的提高输入输出的实用性。所述显示单元通过驱动OLED(Organic Light-Emitting Diode,有机发光二极管)显示驱动器和电机运行的状态和发生故障时的故障信息等，方便用户观察驱动器的状态及使用。所述编码器单元可处理两路编码器信号，两路编码器都支持串行编码器和增量式编码器，从而使伺服驱动器对编码器的兼容性更高。所述编码器单元具有两个端口连接外部的两路编码器，所述编码器单元利用所述数据处理单元即FPGA的高速并行处理的特性，可同时处理两路编码器的信号。一路为电机编码器的信号经数据处理单元处理后作为电机运行算法输入的一部分最终会送到核心算法单元，另一路为可选，用户可根据需求将伺服驱动装置所在的设备上安装的编码器连接到伺服驱动装置的编码器接口，设置编码器相应的参数的到伺服驱动装置，编码器信息经伺服驱动装置处理后，外部控制器可读取编码器的信息，实现自己所需的功能。

进一步的，所述核心算法单元向伺服驱动板输出电机运动控制信号包括电流环、速度环、位置环，并集成了ADC可采集控制电机运动算法所需的电流信息。

其中，所述位置环、速度环、电流环，为完成运动控制需要大量的运算，一般的驱动器受限于驱动主控芯片的运算性能导致电流环的速度在15K Hz以内，而本实施例中核心算法单元集成在一个电机驱动芯片上，电机算法有硬件完成使得电流环速度最高可达到25KHz。并且可根据电机自身的参数调节电流环的速度，扩大了伺服驱动器的使用范围。另外所述核心算法单元中集成了ADC (Analog to Digital Converter,数模转换器)可进行电流采样，无需实用专用的 ADC芯片进行电流采样，可节省空间、降低成本。

进一步的，所述检测单元检测电机运行时的状态，时刻传递检测信息给数据处理单元，当伺服驱动器或电机处于不安全状态时通知数据处理单元由数据处理单元发出指令最终使电机停止运行。所述检测单元通过ADC芯片采集电压进而转换为检测所需的电压、电流、温度等，并将检测到信息通过各种算法计算确定伺服驱动器是否正常运行，并将最终结果通过串行总线传输给数据处理单元。

其中，所述检测单元集成于FPGA中，本实施例中单独使用一个FPGA芯片检测驱动器的状态，且FPGA具有高速并行的特点，可在发现伺服驱动器和电机出现故障时第一时间关掉算法核心单元输出到驱动板的电机控制信号，降低伺服驱动器损坏的概率及电机不正常运动造成的危害，极大的提高了伺服驱动的安全性。

进一步的，所述控制单元并行连接于数据处理单元，串行连接于核心算法单元。通过串口连接于外部上位机。

其中，所述控制单元通过解析数据处理单元的信息及进行相应的运算然后输出相应的命令给核心算法单元，最终核心算法单元会输出对应的电机控制信号到伺服驱动板。外部上位机可通过串口与控制单元相连，可根据具体应用设置伺服驱动装置的参数，以及通过上位机的可视化界面观察伺服驱动装置驱动电机时的各种参数波形，可使用户更加方便的使用伺服驱动装置。

进一步的，所述伺服驱动板包括功率模块，母线电压滤波模块、电源模块。本实施例中伺服驱动器没有开关电源，功率模块连接于核心算法控制单元，驱动电机运动；功率模块驱电机所需的电源来自经母线电压滤波模块滤波后的电压，其中母线电压滤波模块与外部提供的母线电相连。电源模块与外部直流母线电源和控制电源相连，并将控制电源隔离转换为控制板和某些芯片所需的电源，为伺服控制板提供电源。本实施例中伺服驱动器不需要开关电源电路和电机制动时消耗电能的制动电阻，减小伺服驱动器的体积、降低成本、减少电能的损耗、便于后期的维护。

进一步的，如图2所示，本实用新型提供的一种低压交流伺服电机驱动装置作为从站并由外部控制器作为主站完成控制，即外部控制器通过光纤接口连接1个到N个电机驱动装置，所述N大1，即一个外部主站可控制N个电机驱动装置驱动电机做不同的运动，另外外部控制器不必具有编码器接口，而将外部控制器所服务设备的某些元件上安装的编码器连接到伺服驱动装置的编码器接口，然后再从伺服驱动装置读回编码器的信息以完成自身的某些闭环控制。

进一步的，如图3、4、5所示，一种低压交流伺服电机驱动装置，伺服驱动板通过铜柱固定在L型板上。伺服控制板通过铜柱与伺服驱动板相连，然后通过螺丝固定伺服控制板10和伺服驱动板9。伺服控制板和伺服驱动板通过数据连接接口11传输数据，所述伺服控制板数据连接接口为排针，所述伺服驱动板数据连接接口为排母。整个伺服驱动装置可通过L型板的U型通孔固定。

一种低压交流伺服电机驱动装置，包括背板和侧板，所述背板上设置有光纤接口1、IO接口2、串口3、编码器接口4、oled显示5和电机接口6；所述编码器接口4包括第一编码器接口41和第二编码器接口42；所述侧板上包括控制电接口7和母线电接口8。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低压交流伺服电机驱动装置，包括：伺服控制板以及伺服驱动板；其特征在于，

所述伺服控制板连接于所述的伺服驱动板；

所述伺服控制板包括数据处理单元、核心算法单元、检测单元和控制单元；

所述数据处理单元主要集成于第一个芯片内，所述的核心算法单元集成于第二个芯片内，所述检测单元集成于第三个芯片内，所述的控制单元集成于第四个芯片内；

所述数据处理单元通过并行总线连接于控制单元，通过串行总线连接于检测单元；所述核心算法单元通过串行总线连接于控制单元。

2.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述第一个芯片和第三个芯片为现场可编程门阵列，所述第二个芯片为电机驱动专用集成芯片，所述第四个芯片为微控制单元。

3.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述数据处理单元包括通信单元、IO单元、显示单元和编码器单元。

4.根据权利要求3所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述通信单元包括光纤收发器和光纤接口。

5.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述的伺服驱动板包括：电源模块、母线电压滤波模块和功率模块；所述功率模块连接于核心算法控制单元，驱动电机运动。

6.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述数据处理单元支持增量式编码器和串行编码器信号处理。

7.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述检测单元检测电机运行时的状态，当伺服驱动装置或电机处于不安全状态时通知数据处理单元由数据处理单元发出指令最终使电机停止运行。

8.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述核心算法单元输出电机运行控制信号完成相应运动指令。

9.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述核心算法单元包括位置环、速度环、电流环。

10.根据权利要求1所述的低压交流伺服电机驱动装置，其特征在于，所述核心算法单元包括数模转换器。

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