CN213633738U - 一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器。该伺服驱动器包括数字式交流伺服驱动器、伺服电机，其中交流伺服驱动器包括微控制器、运算放大器、电源模块、三端稳压器、功率模块、U相电流检测单元、V相电流检测单元；U相电流检测单元的一端与伺服电机的U相连接采集U相电流，另一端通过运算放大器接入微控制器；V相电流检测单元的一端与伺服电机的V相连接采集V相电流，另一端通过运算放大器接入微控制器；微控制器的输出端接入功率模块，功率模块的三个输出端分别连接伺服电机的U、V、W相；三端稳压器接入微控制器，电源模块接入运算放大器。本实用新型准确可靠、简单有效的实现了三相电机启动时的电机缺相检测。

Description

一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，特别是一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器。

背景技术

三相交流电机缺相即加载在交流电机上的交流电缺少一相或者多相。当电机缺相时，电子电流急剧增大，磁场严重不均匀，表现为电机抖动不能正常转动，或者转动无力、电机带载性能下降且噪音大，更严重时会导致电机发生短路，进而因电流过大、电机发热过大而烧毁电机。因此，对交流电机进行缺相检测是很有必要的。

目前，对于交流电机缺相检测的方案，大多采用具有各种复杂元器件的检测电路来检测电压的相位差或者相电流的大小。但是，这些检测方式对检测电路和计算单元都有较多的要求，结构复杂且成本高，检测过程繁琐，不方便实际使用。而且大多电机缺相故障检测是在电机运行的时候，这种检测方式不能在三相电机启动时对其进行有效的保护。当三相电机在启动时，如果出现缺相，则三相电机在启动过程中很容易出现故障，甚至损坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种准确可靠、简单有效的带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，实现三相电机启动时的电机缺相检测。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，包括数字式交流伺服驱动器、伺服电机，其中数字式交流伺服驱动器包括微控制器、运算放大器、电源模块、三端稳压器、功率模块、U相电流检测单元、V相电流检测单元；

所述U相电流检测单元的一端与伺服电机的U相连接采集伺服电机的U相电流，另一端通过运算放大器接入微控制器；V相电流检测单元的一端与伺服电机的V相连接采集伺服电机的V相电流，另一端通过运算放大器接入微控制器；微控制器的输出端接入功率模块，功率模块的三个输出端分别连接伺服电机的U相、V相、W相；三端稳压器的输出端接入微控制器，电源模块的输出端接入运算放大器。

进一步地，所述微控制器的芯片型号为STM32F103ZET6、运算放大器的芯片型号为AD8278ARZ、电源模块的芯片型号为PDL06-24S05、三端稳压器的芯片型号为LM3940IMP-3.3，功率模块采用的芯片型号为智能IPM模块PM75RL1A120。

进一步地，所述电源模块产生5V电压给运算放大器供电，三端稳压器产生3.3V电压给微控制器供电；运算放大器接受U、V相线性光耦的输出电压，经变换后再输出给微控制器的ADC模数转换端口PIN16、PIN17；

微控制器产生的6路PWM脉冲信号PIN39～PIN44经隔离后输出给功率模块的端口PIN3、PIN7、PIN11、PIN16、PIN17、PIN18；功率模块的U、V端子经取样电阻后分别连接电机的动力信号U相和V相，功率模块的W端子直接和电机的W相连接，驱动电机运行。

进一步地，所述U相电流检测单元包括U相取样电阻、U相线性光耦；

U相取样电阻的型号为WSHP2818R0100FEB，参数指标如下：额定功率P＝10W；阻值R＝10mΩ；误差＝5％；

U相线性光耦的型号为ACPL-C79B，参数指标如下：输入信号范围＝±200mV；信号放大增益＝8.2；信号线性误差＝±5％；

U相取样电阻对伺服电机的U相进行电流检测，产生的取样电压送至U相线性光耦，U相线性光耦将取样电压等比例放大8.2倍后通过运算放大器送至微控制器作为U相电流反馈值。

进一步地，V相电流检测单元包括V相取样电阻、V相线性光耦，V相取样电阻、V相线性光耦的型号分别同U相一致；

V相取样电阻对伺服电机的V相进行电流检测，产生的取样电压送至V相线性光耦V相线性光耦将取样电压等比例放大8.2倍后通过运算放大器送至微控制器作为V相电流反馈值。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：(1)实现了三相电机启动时的电机缺相检测，简单有效；(2)不需增加设计复杂的检测电路从而避免增加不稳定因素，提高了电机缺相检测的准确性和可靠性，而且也达到了降低成本的效果。

附图说明

图1为本实用新型带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本实用新型是一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，包括数字式交流伺服驱动器1、伺服电机2，其中数字式交流伺服驱动器1包括微控制器1-1、运算放大器1-2、电源模块1-3、三端稳压器1-4、功率模块1-5、U相电流检测单元、V相电流检测单元；

所述U相电流检测单元的一端与伺服电机2的U相连接采集伺服电机2的U相电流，另一端通过运算放大器1-2接入微控制器1-1；V相电流检测单元的一端与伺服电机2的V相连接采集伺服电机2的V相电流，另一端通过运算放大器1-2接入微控制器1-1；微控制器1-1的输出端接入功率模块1-5，功率模块1-5的三个输出端分别连接伺服电机2的U相、V相、W相；三端稳压器1-4的输出端接入微控制器1-1，电源模块1-3的输出端接入运算放大器1-2。

进一步地，所述微控制器1-1的芯片型号为STM32F103ZET6、运算放大器1-2的芯片型号为AD8278ARZ、电源模块1-3的芯片型号为PDL06-24S05、三端稳压器1-4的芯片型号为LM3940IMP-3.3，功率模块1-5采用的芯片型号为智能IPM模块PM75RL1A120。

进一步地，所述电源模块1-3产生5V电压给运算放大器1-2供电，三端稳压器1-4产生3.3V电压给微控制器1-1供电；运算放大器1-2接受U、V相线性光耦的输出电压，经变换后再输出给微控制器1-1的ADC模数转换端口PIN16、PIN17；

微控制器1-1产生的6路PWM脉冲信号PIN39～PIN44经隔离后输出给功率模块1-5的端口PIN3、PIN7、PIN11、PIN16、PIN17、PIN18；功率模块1-5的U、V端子经取样电阻后分别连接电机的动力信号U相和V相，功率模块1-5的W端子直接和电机的W相连接，驱动电机运行。

进一步地，所述U相电流检测单元包括U相取样电阻1-6、U相线性光耦1-7；

U相取样电阻1-6的型号为WSHP2818R0100FEB，参数指标如下：额定功率P＝10W；阻值R＝10mΩ；误差＝5％；

U相线性光耦1-7的型号为ACPL-C79B，参数指标如下：输入信号范围＝±200mV；信号放大增益＝8.2；信号线性误差＝±5％；

U相取样电阻1-6对伺服电机2的U相进行电流检测，产生的取样电压送至U相线性光耦1-7，U相线性光耦1-7将取样电压等比例放大8.2倍后通过运算放大器1-2送至微控制器1-1作为U相电流反馈值。

进一步地，V相电流检测单元包括V相取样电阻1-8、V相线性光耦1-9，V相取样电阻1-8、V相线性光耦1-9的型号分别同U相一致；

V相取样电阻1-8对伺服电机2的V相进行电流检测，产生的取样电压送至V相线性光耦1-9V相线性光耦1-9将取样电压等比例放大8.2倍后通过运算放大器1-2送至微控制器1-1作为V相电流反馈值。

具体来讲，所述微控制器1-1，通过功率模块1-2控制电机三相的导通和截止。判断流程通过驱动器硬件电路实现，检测过程易于实现，包括以下步骤：

通过驱动器内部电流采样电路采集电机U相和V相的电流反馈值，再通过微控制器1-1内部硬件电路变换得出三相相电流给定值；通过对比三相相电流给定值与三相电流反馈值的差值，从而判断三相电机是否存在缺相故障。

当数字式交流伺服驱动器1、伺服电机2通电后，驱动器运行模式改为电流环运行，此时给电流环一个电流给定(设定电流为额定电流的5％)，对此电流给定进行Ipark变换和Iclark变换，从而得到相电流给定。同时电机三相电流产生时通过高精度取样电阻合成取样电压，再通过线性光耦等比例放大的电压送至主控电路，主控电路通过对三相相电流给定和采集的三相电流反馈进行比较，会得到三相电流的差异值。若在一定的时间周期内，持续出现差异值在设定范围外的结果出现，则判断电机出现缺相故障；若没有出现电机缺相故障，驱动器运行模式恢复为原来模式(比如速度环模式)。

如图1所示，本实用新型设有数字式交流伺服器驱动器1、伺服电机2，数字式交流伺服器驱动器1和伺服电机2连接，工作原理具体如下：

驱动器通电后，驱动器内部U相电流检测电路中的取样电阻1-6和V相电流检测电路中的取样电阻1-8对电机的U、V两相进行电流检测，产生的取样电压分别送至U相电流检测电路中的线性光耦1-7和V相电流检测电路中的线性光耦1-9，线性光耦再将等比例放大的取样电压送至微控制器1-1，微控制器1-1控制功率模块1-2控制电机三相的导通和截止。微控制器1-1内部根据三相电流值和为0可得出：Iw_Raw＝-(Iu_Raw+Iv_Raw)；得到三相电流实时反馈值Iu_Raw、Iv_Raw和Iw_Raw。锁死电机电角度，这样即使加了电流给定和使能，电机也不会动。

保存当前驱动器运行模式并将运行模式改为电流环模式，给电流环一个电流给定Iq_Ref(比较小，设定电流为额定电流的5％)，并给驱动器加使能。微控制器1-1内部比较电路将三相相电流给定值和反馈值的差异值得出：

Iu_dv＝|Iu_Ref-Iu_Raw|

Iv_dv＝|Iv_Ref-Iv_Raw|

Iw_dv＝|Iw_Ref-Iw_Raw|

在一定的时间内，如果Iu_dv、Iv_dv和Iw_dv其中一个或者一个以上的值出现在设定的范围外，就判断出现缺相故障，至此驱动器启动时的缺相检测结束，驱动器去掉使能。如果出现缺相故障，驱动器报故；如果没有出现缺相故障，驱动器恢复原来的运行模式(比如速度环)，锁死电角度解除。

三相电机缺相故障检测只是在驱动器启动过程中检测，整个检测时间可以设计在500毫秒之内，不会对驱动器正常工作造成干扰和负担。本实用新型解决了现有技术中对三相电机启动时不能有效保护电机的问题，进而达到了提高保护电机的效果。

Claims (5)

1.一种带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，其特征在于，包括数字式交流伺服驱动器(1)、伺服电机(2)，其中数字式交流伺服驱动器(1)包括微控制器(1-1)、运算放大器(1-2)、电源模块(1-3)、三端稳压器(1-4)、功率模块(1-5)、U相电流检测单元、V相电流检测单元；

所述U相电流检测单元的一端与伺服电机(2)的U相连接采集伺服电机(2)的U相电流，另一端通过运算放大器(1-2)接入微控制器(1-1)；V相电流检测单元的一端与伺服电机(2)的V相连接采集伺服电机(2)的V相电流，另一端通过运算放大器(1-2)接入微控制器(1-1)；微控制器(1-1)的输出端接入功率模块(1-5)，功率模块(1-5)的三个输出端分别连接伺服电机(2)的U相、V相、W相；三端稳压器(1-4)的输出端接入微控制器(1-1)，电源模块(1-3)的输出端接入运算放大器(1-2)。

2.根据权利要求1所述的带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，其特征在于，所述微控制器(1-1)的芯片型号为STM32F103ZET6、运算放大器(1-2)的芯片型号为AD8278ARZ、电源模块(1-3)的芯片型号为PDL06-24S05、三端稳压器(1-4)的芯片型号为LM3940IMP-3.3，功率模块(1-5)采用的芯片型号为智能IPM模块PM75RL1A120。

3.根据权利要求2所述的带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，其特征在于，所述电源模块(1-3)产生5V电压给运算放大器(1-2)供电，三端稳压器(1-4)产生3.3V电压给微控制器(1-1)供电；运算放大器(1-2)接受U、V相线性光耦的输出电压，经变换后再输出给微控制器(1-1)的ADC模数转换端口PIN16、PIN17；

微控制器(1-1)产生的6路PWM脉冲信号PIN39～PIN44经隔离后输出给功率模块(1-5)的端口PIN3、PIN7、PIN11、PIN16、PIN17、PIN18；功率模块(1-5)的U、V端子经取样电阻后分别连接电机的动力信号U相和V相，功率模块(1-5)的W端子直接和电机的W相连接，驱动电机运行。

4.根据权利要求1、2或3所述的带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，其特征在于，所述U相电流检测单元包括U相取样电阻(1-6)、U相线性光耦(1-7)；

U相取样电阻(1-6)的型号为WSHP2818R0100FEB，参数指标如下：额定功率P＝10W；阻值R＝10mΩ；误差＝5％；

U相线性光耦(1-7)的型号为ACPL-C79B，参数指标如下：输入信号范围＝±200mV；信号放大增益＝8.2；信号线性误差＝±5％；

U相取样电阻(1-6)对伺服电机(2)的U相进行电流检测，产生的取样电压送至U相线性光耦(1-7)，U相线性光耦(1-7)将取样电压等比例放大8.2倍后通过运算放大器(1-2)送至微控制器(1-1)作为U相电流反馈值。

5.根据权利要求4所述的带三相电机缺相检测的数字式交流伺服驱动器，其特征在于，V相电流检测单元包括V相取样电阻(1-8)、V相线性光耦(1-9)，V相取样电阻(1-8)、V相线性光耦(1-9)的型号分别同U相一致；

V相取样电阻(1-8)对伺服电机(2)的V相进行电流检测，产生的取样电压送至V相线性光耦(1-9)V相线性光耦(1-9)将取样电压等比例放大8.2倍后通过运算放大器(1-2)送至微控制器(1-1)作为V相电流反馈值。

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