CN211127631U - 一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，以TMS320F28335为核心控制模块，设计了电源电路、信号隔离电路、驱动电路、逆变电路、转子位置信号检测电路、转速和位置检测电路、反馈电流信号检测电路、过电流采样电路、直流母线电压采样电路，保证电机运行的稳定性、可靠性。要使电机能够安全可靠地工作，必须全面考虑驱动、保护和吸收这三个问题。保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作，以免对电路和电机造成损害。

Description

一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路

技术领域

本实用新型属于电机控制领域，具体涉及一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路。

背景技术

自机器人技术兴起以来，为满足日益旺盛的自动化生产需求，工业领域率先开启了对机器人的大范围应用，并用极短的时间实现了规模化的发展。由伺服电机和驱动器组成的高性能运动控制技术，已经在各个领域得到了相当广泛的应用。无刷直流电动机既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电动机运行效率高、调速性能好等诸多特点，是机器人制作必不可少的组成部分，它主要作用是为系统提供必须的驱动力，用以实现其各种运动。对于三相桥式无刷直流电动机，保证其开关电路正常工作是至关重要的，电机驱动系统的性能直接影响到机器人的整体技术水平。因此，实现机器人的快速、稳定、可靠地实行各种操作，电机驱动系统的设计至关重要，尤其是保护电路的设计。

对于采用MOSFET作为功率开关器件，必须全面考虑驱动、保护和吸收这三个问题。MOSFET用于无刷直流电动机的开关电路时，需要不断地调整开关频率来实现电机的调速，因此，要使电机能够安全可靠地工作，驱动电路相当重要。在常规设计中，三相桥式PWM变换器中有六个功率开关器件，需要六个驱动器，同时还必须向每个驱动器提供相应的独立隔离电源，这给系统设计带来了不便，而且使系统结构显得庞大。保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，在软件里设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作，以免对电路和电机造成损害。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，包括DSP核心控制模块、电源电路模块、信号隔离电路模块、驱动电路模块、逆变电路模块、转子位置信号检测电路模块、转速和位置检测电路模块、反馈电流信号检测电路模块、过电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块，所述DSP核心控制模块与上位机交互，电源电路模块、信号隔离电路模块、驱动电路模块、逆变电路模块、转子位置信号检测电路模块、转速和位置检测电路模块、反馈电流信号检测电路模块、过电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块均与DSP核心控制模块连接，电源电路模块与逆变电路模块连接，逆变电路模块分别与直流无刷伺服电机和过电流采样电路模块连接，直流无刷伺服电机分别与电机转速和位置检测模块以及转子位置信号检测电路模块连接。

具体的，所述DSP核心控制模块采用TI公司的TMS320F28335为核心控制芯片搭建核心电路，DSP核心控制模块包括PWM模块、ADC模块、QEP模块、SCI模块，SCI模块与上位机连接，PWM模块与驱动电路模块连接，QEP模块与电机转速和位置检测模块连接，ADC模块与反馈电流信号检测电路模块连接。电机的运行是基于TMS320F28335芯片的PWM模块产生PWM控制信号，经隔离后控制三相逆变桥的开通和关断来完成伺服控制。作为DSP数字控制器的TMS320F28335接受上位机控制指令和反馈信号，按一定的控制策略和算法，实时的控制电机的运行。

进一步地，所述电源电路模块包括DSP核心板所需电压电路，需要产生+5V、+3.3V和+1.9V电压。控制部分+5V电压使用TPS5430电源模块得到，使用TPS75833产生+3.3V电压，使用输出电压可调的TPS75801稳压器产生+1.9V电压，利用两款芯片的使能输入端，配合外部逻辑电路可以控制TMS320F28335的上电顺序。

进一步地，所述电源电路模块还需要为功率驱动板的功率主电路提供+24V电压，作为无刷直流电机供电电源，同时还需要+15V、-15V、+5V电源给板上其它芯片供电。系统所需+24V电源由外部能提供5A电流的开关电源提供，功率驱动板的±15V电源采用DC/DC由+24V得到，+5V电源采用7805三端稳压集成电路输出。

具体的，所述信号隔离电路模块采用光耦芯片。主要是减小电磁干扰并保证DSP可靠工作。DSP产生电机控制信号PWM波，PWM输出信号为数字信号，属于弱电信号，而逆变电路属于高电压、大电流，必须做DSP的弱电信号与逆变电路之间的隔离处理。功率驱动芯片IR2136不具备强弱电信号隔离的功能，系统设计时，需要采用光耦芯片将控制电路与驱动电路进行隔离。另外由于DSP产生的PWM波是3.3V，IR2136接受5V的PWM信号，需要经过电平转换。所以信号隔离电路必须具有抬高PWM电平的功能。隔离光耦采用快速隔离光耦TLP521，3.3V的PWM信号通过光耦TLP521再经过反相器74HC04最后得到5V的PWM波形。

具体的，所述驱动电路模块采用IR公司生产的IR2136芯片作为驱动芯片。IR2136芯片是专门为驱动MOSFET开关器件而设计的一种专用集成电路，能够驱动母线电压在600V之内的功率器件。IR2136芯片内集成了死区电路，可以有效防止同一桥臂两个开关器件同时导通的发生，提高了系统安全性。芯片内部采用自举技术，因此只需输入一路直流电源就可以驱动六路MOSFET器件，使得电路设计大大简化。

具体的，所述逆变电路模块采用IRF640型MOSFET构建三相逆变桥电路。选用两相导通星形三相六状态方式，根据电机参数，选用MOSFET作为功率开关器件，选用的型号是IRF640器件。该器件是压控器件，栅源电压差为10-20V时器件饱和导通，输入电流小、阻抗大，漏极电流可达18A，可承受高达200V的漏源电压。应用功率MOS管对必须为其设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。在MOS管频繁的关断中，若栅极和源极之间的阻抗太高，漏源间的电压突然变化会通过极间电容耦合到栅极，导致栅源间产生相当高的尖峰电压，这一电压会直接击穿功率管氧化层，对MOS管造成永久破坏。为保护MOS管安全工作，在栅极和源极间选择并接一个电阻与齐纳二极管。

具体的，所述转子位置信号检测电路，电机HALL传感器输出代表转子位置的3个霍尔信号HALLA、HALLB和HALLC经过相应光耦隔离处理，进入TMS320F28335的CAP口。电机转子的位置信号可以通过检测3个霍尔传感器得到。每一个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号。三个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差。在每一个机械转中共有6个上升或下降沿，正好对应着6个换相时刻。通过将DSP设置为双边沿触发捕捉中断功能，就可以获得这6个时刻。在得到换相时刻的同时，将CAP1～CAP3设置为I/O口并检测该口的状态，就可以确定换哪一相。

具体的，所述电机转速和位置检测模块使用增量式光电编码器，实现电机位置和速度检测。编码器输出波形SIG A，SIG B为互错90°的脉冲。根据SIG A、SIG B的相位差就可以判断电机的旋转方向。为了提高系统的分辨率，编码器信号输入到DSP的正交编码接口，DSP内部集成了四倍频电路，因此避免了在外部搭建四倍频电路，提高了系统可靠性。利用码盘信号可以准确的检测电机的转速和位置。

进一步地，所述反馈电流信号检测电路，检测母线电流作为电流环的反馈信号。根据无刷直流电机三相星形连接两两导通方式的工作原理，在任何时刻只有两相导通，两相电流幅值相等方向相反，其大小就等于母线电流，因此母线电流的大小完全可以反映电机的工作电流大小以及电机的转矩变化情况。为了提高精度，选用霍尔电流传感器来检测电流。具体选用CSM005A系列霍尔传感器，该传感器应用霍尔效应闭环原理，具有测量精度高、反应快、线性度好等优点，同时可以使电流检测原边和副边完全隔离，能测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形电流。

进一步地，过流保护信号由两个功率采样并联电阻上的电压经过运放OP07CP得到，运算放大器除了实现按要求放大采样信号的作用外，还可以使过流信号输入端与主电路母线端达到一定的隔离作用。

进一步地，驱动电路的过压检测通过运算放大器的比较功能实现，由于运放OP07CP开环增益非常高，当电阻R34上的电压降大于R35上的压降时，运放输出端立即得到反向输出负15V，光耦U14导通输出过电压信号，C34用来滤除高频干扰信号，防止误动作。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型以TMS320F28335为核心控制模块，设计了电源电路、信号隔离电路、驱动电路、逆变电路、转子位置信号检测电路、转速和位置检测电路、反馈电流信号检测电路、过电流采样电路、直流母线电压采样电路，保证电机运行的稳定性、可靠性。要使电机能够安全可靠地工作，必须全面考虑驱动、保护和吸收这三个问题。保护电路主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成，设置电压、电流的阈值，直接对电压、电流进行检测并产生相应的保护，能够在异常情况下及时对电机做出保护动作，以免对电路和电机造成损害。

附图说明

图1为直流无刷伺服电机控制系统硬件总体控制框图。

图2为DSP供电电源电路。

图3为DSP供电电源电路。

图4为DSP供电电源电路。

图5为PWM输出信号隔离电路图。

图6为驱动电路模块电路图。

图7为逆变电路模块电路图。

图8为转子位置信号检测电路模块电路图。

图9为转速和位置检测电路模块光电编码器接口电路图。

图10为反馈电流信号检测电路模块母线电流检测电路图。

图11为过电流采样电路模块过电流检测电路图。

图12为直流母线电压采样电路模块过压保护电路图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，包括DSP核心控制模块、电源电路模块、信号隔离电路模块、驱动电路模块、逆变电路模块、转子位置信号检测电路模块、转速和位置检测电路模块、反馈电流信号检测电路模块、过电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块，所述DSP核心控制模块与上位机交互，电源电路模块、信号隔离电路模块、驱动电路模块、逆变电路模块、转子位置信号检测电路模块、转速和位置检测电路模块、反馈电流信号检测电路模块、过电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块均与DSP核心控制模块连接，电源电路模块与逆变电路模块连接，逆变电路模块分别与直流无刷伺服电机和过电流采样电路模块连接，直流无刷伺服电机分别与电机转速和位置检测模块以及转子位置信号检测电路模块连接。

DSP核心控制模块采用TMS320F28335为核心控制芯片搭建核心电路，DSP核心控制模块包括PWM模块、ADC模块、QEP模块、SCI模块，SCI模块与上位机连接，PWM模块与驱动电路模块连接，QEP模块与电机转速和位置检测模块连接，ADC模块与反馈电流信号检测电路模块连接。PWM信号由TMS320F28335上的PWM模块产生，ADC模块采集电机反馈电流信号，QEP模块采集光电编码器反馈信号，CAP模块捕获霍尔传感器输出的转子位置信号。

电源电路模块使用TPS75833产生3.3V电压，使用输出电压可调的TPS75801稳压器产生1.9V电压。利用两款芯片的使能输入端，配合外部逻辑电路可以控制TMS320F28335的上电顺序。

信号隔离电路，主要使DSP的弱电信号与逆变电路之间进行隔离处理。采用光耦芯片将控制电路与驱动电路进行隔离，并且具有抬高PWM电平的功能。

驱动电路模块采用IR2136芯片作为驱动芯片。芯片内部采用自举技术，因此只需输入一路直流电源就可以驱动六路MOSFET器件，使得电路设计大大简化。

逆变电路模块采用IRF640型MOSFET构建三相逆变桥电路。器件输入电流小、阻抗大，漏极电流可达18A，可承受高达200V的漏源电压。设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。

转子位置检测模块将转子位置传感器输出的三相霍尔脉冲信号进行处理，转换成TMS320F28335的CAP引脚能接收到的电信号。

电机转速和位置检测模块使用增量式光电编码器。编码器信号输入到DSP的正交编码接口，实现电机位置和速度检测。

过流过压保护模块主要完成电机运行过程的实时保护，电机的过压、欠压和过电流保护，逆变电路控制信号的逻辑错误检测。

如图1-4所示，首先控制部分电源电路使用TPS5430和TPS75833电源模块产生+5V电压、+3.3V电压，使用输出电压可调的TPS75801稳压器产生+1.9V电压，利用两款芯片的使能输入端，配合外部逻辑电路可以控制TMS320F28335的上电顺序。功率驱动板电源电路为功率主电路提供+24V电压，以及产生+15V、-15V、+5V电源给板上其它芯片供电。上位机通过串口向TMS320F28335发送位置给定指令。TMS320F28335根据接收到的位置指令，通过位置环、速度环和电流环的调节来控制电机快速稳定的运行到某一特定位置。

如图5所示，采用光耦芯片将控制电路与驱动电路进行隔离，并具有抬高PWM电平的功能。隔离光耦采用快速隔离光耦TLP521，3.3V的PWM信号通过光耦TLP521再经过反相器74HC04最后得到5V的PWM波形。

利用TMS320F28335芯片的事件管理器A产生控制用的PWM信号。配置通用定时器l的计数周期来控制PWM的周期，系统设计的PWM周期为50μs，20KHz。利用全比较单元1/2/3来产生互补的PWM驱动信号。根据控制计算的要求实时改变比较寄存器的值来改变PWM的占空比。通过配置可编程的死区单元，保证在任何情况下，每个比较单元的两路PWM输出都不会使功率桥的上臂和下臂同时导通，即在一个功率器件没有被完全关断时，另一个器件不会导通。DSP控制系统采用的PWM控制方案是单极性PWM控制，即两个对角开关管中上桥臂采用定频PWM控制，另一个开关管常开，这样有利于减小电机的转矩脉动。

基于IR2136驱动芯片的功率驱动电路和逆变电路如图6、图7所示。TMS320F28335产生的六路PWM信号，经光电隔离电路进入驱动芯片IR2136进行处理后，输出六路驱动信号驱动功率开关管的导通。图中的CT1、CT2和CT3为三个自举电容，D6、D7和D8为三个恢复二极管。当开关器件Q7关断，Q3导通时，IR2136的供电电源通过迅速恢复二极管D8和Q3给自举电容充电，在功率管Q3关断、Q7开通时，可通过自举电容上储存的能量来驱动器件Q7，从而实现自举驱动的目的。为保护MOS管安全工作，在栅极和源极间并联一个20KΩ的电阻，再并联一个18V的齐纳二极管。由于电路中的各种寄生电容与电感，可能会形成震荡现象，不仅会增大MOS管的功率损耗，还有可能导致上下桥臂直通，烧坏功率管。在栅极前端加入一个缓冲电阻，可以有效调节MOS管开关速度，还可以防止上下桥臂直通。在栅极前端加入电阻，取值100Ω，而且采用了一个二极管与10Ω电阻并联，上电时二极管不工作，放电时二极管导通，电阻降低迅速放电，起到快速关断MOS管的作用。

无刷直流电机转子位置信号检测电路如图8所示。位置信号检测电路的主要功能就是将位置传感器输出的三相霍尔脉冲信号进行处理，转换成TMS320F28335的CAP引脚能接收到的电信号，并且还需保正霍尔信号的不失真。通过整形电路进行整形后送入TMS320F28335的捕获引脚。整形电路采用具有六个独立功能且带施密特触发性能的反相器74HCl4，该芯片输出低电平为0.3V，输出高电平为3.3V，转换速度为10ns左右；同时，74HCl4可用于消除三相霍尔信号的斜坡部分，并将其整形为比较标准的方波信号。霍尔位置传感器输出信号HALLA、HALLB和HALLC经过高速光电隔离后得到CAP1、CAP2和CAP3，再送入TMS320F28335的CAP进行处理。

光电编码器与TMS320F28335接口电路如图9所示。选用的光电编码器供电电压为5V，输出的是5V数字电平的脉冲，而TMS320F28335只能接受3.3V的电平信号，因此系统采用了八线总线收发器SN74LVC245进行电平转换。

图10为反馈电流信号检测电路，检测母线电流作为电流环的反馈信号。选用CSM005A系列霍尔传感器，可以使电流检测原边和副边完全隔离，能测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形电流。

驱动电路的过流过压保护电路如图11、图12所示。过流保护电路是从直流母线引出电流，两个功率采样并联电阻RC1、RC2上的电压输入到运放OP07CP中，放大了该电压信号，同时使过流信号输入端与直流母线隔离，电容C15的作用是滤除直流母线上的高频干扰信号。驱动电路的过压信号是经运算放大器的比较输出的，为了防止光电隔离芯片被击穿，在15V电源和光电隔离2管脚之间加一个2k的限流电阻R29，电容C34的取值为0.001μF，其作用是滤除高频干扰信号。将IR2136的故障输出端FAULT经过光电隔离电路，与过压保护信号进行逻辑与计算后送入TMS320F2812芯片TZ1管脚，TZ1管脚作为封锁脉冲的保护信号，一旦出现过电流、母线过电压中的任一情况，会让六路PWM控制信号的输出引脚变为高阻状态，阻止PWM信号的输出，及时达到保护驱动芯片1R2136的目的。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围。

本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，包括DSP核心控制模块、电源电路模块、信号隔离电路模块、驱动电路模块、逆变电路模块、转子位置信号检测电路模块、转速和位置检测电路模块、反馈电流信号检测电路模块、过电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块，所述DSP核心控制模块与上位机交互，电源电路模块、信号隔离电路模块、驱动电路模块、逆变电路模块、转子位置信号检测电路模块、转速和位置检测电路模块、反馈电流信号检测电路模块、过电流采样电路模块、直流母线电压采样电路模块均与DSP核心控制模块连接，电源电路模块与逆变电路模块连接，逆变电路模块分别与直流无刷伺服电机和过电流采样电路模块连接，直流无刷伺服电机分别与电机转速和位置检测模块以及转子位置信号检测电路模块连接。

2.如权利要求1所述的机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，所述DSP核心控制模块采用TMS320F28335为核心控制芯片搭建核心电路，DSP核心控制模块包括PWM模块、ADC模块、QEP模块、SCI模块，SCI模块与上位机连接，PWM模块与驱动电路模块连接，QEP模块与电机转速和位置检测模块连接，ADC模块与反馈电流信号检测电路模块连接。

3.如权利要求1所述的机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，所述电源电路模块使用TPS75833产生3.3V电压，使用输出电压可调的TPS75801稳压器产生1.9V电压。

4.如权利要求1所述的机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，所述信号隔离电路模块采用光耦芯片。

5.如权利要求1所述的机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，所述驱动电路模块采用IR2136芯片作为驱动芯片。

6.如权利要求1所述的机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，所述逆变电路模块采用IRF640型MOSFET构建三相逆变桥电路。

7.如权利要求1所述的机器人直流无刷伺服电机驱动及保护电路，其特征在于，所述电机转速和位置检测模块使用增量式光电编码器。

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