CN216647143U - 一种紧凑型伺服驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种紧凑型伺服驱动器，包括自下而上依次设置的控制板、预驱动板和功率板；所述控制板为设有中央处理器以及与其连接的存储器、通信接口的电路板，所述中央处理器通过第一连接器与预驱动板连接；所述预驱动板为设有预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路的电路板，所述预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路通过第一连接器与控制板的中央处理器连接；所述功率板为设有三相桥功率驱动电路的电路板，通过第二连接器与预驱动板的预驱动电路连接。本实用新型采用了三层叠放的圆形结构，减小了驱动器的面积，最大限度利用了安装空间，解决了协作机器人本体内部安装空间不足的问题。

Description

一种紧凑型伺服驱动器

技术领域

本实用新型研制一种体积小巧的圆形伺服驱动器，可应用于协作机器人手臂，实现对伺服电机的驱动功能。

背景技术

随着工业自动化及数字化进程的不断推进，工业及人机协作机器人已应用到工业自动化生产的各个行业，实现装配、焊接、打磨、搬运等各项工艺流程，促进生产效率及企业效益的持续提升。与此同时，机器人市场对人机协作机器人的要求也日益增多。当前的协作机器人需要满足小型化、轻量化、高精度、高集成度、低成本等功能特性。此外，高校和科研院所对协作机器人的研究也越来越深入，学生对机器人的研究兴趣也更强烈。高校需要轻量化、小功率、高性能的协作机器人产品，可通过高集成度的机器人完成教学和演示工作，同时可通过机器人开放的通信接口和编程系统实现工艺流程的二次功能开发。

协作机器人的推广应用离不开伺服系统的持续改进。系统的最终表现由三个核心部件驱动器、电机和编码器的性能决定。伺服性能代表系统整体的技术水平，任何一块短板都会产生木桶效应。对于协作机器人而言，伺服系统通常集成在机器人手臂中，手臂安装空间有限，驱动器的直径通常不大于10cm，在提供较高的功率密度的同时要考虑为驱动器提供良好的散热空间或者扩大其散热面积。同时还要考虑与编码器、电机的配合安装，将伺服系统模块化，便于安装与拆卸。

实用新型内容

本实用新型目的在于设计一种紧凑型的伺服驱动器，与绝对值编码器、无框力矩电机构成一套伺服系统，在协作机器人手臂各驱动轴组中实现应用。控制器采用堆叠式的板卡结构，并在板卡上设计了散热方案，解决了协作机器人本体安装空间不足且驱动器不能良好散热的问题。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于，包括自下而上依次设置的控制板、预驱动板和功率板；

所述控制板为设有中央处理器以及与其连接的存储器、通信接口的电路板，所述中央处理器通过第一连接器与预驱动板连接；

所述预驱动板为设有预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路的电路板，所述预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路通过第一连接器与控制板的中央处理器连接；

所述功率板为设有三相桥功率驱动电路的电路板，所述三相桥功率驱动电路通过第二连接器与预驱动板的预驱动电路连接。

所述通信接口包括：EtherCAT接口、RS485接口、SPI接口、IO接口、JTAG 接口中的至少一种。

所述预驱动板还设有U、V、W三相电机输入接口和U、V、W三相电机输出接口；

所述U、V、W三相电机输入接口与相电流采样电路连接，所述U、V、W 三相电机输出接口与预驱动电路连接，并经第二连接器、与功率板(3)的三相桥功率驱动电路连接。

所述预驱动电路采用预驱动芯片；所述预驱动芯片的高电平输入端、低电平输入端通过第一连接器分别与控制板的中央处理器两个PWM输出端连接，所述高边门级驱动电压引脚通过自举电容C1与高边电源反馈端连接；

高边控制输出端通过电阻R1经第二连接器与功率板的三相桥功率驱动电路中某相单桥的第一MOS管栅极连接；

低边控制输出端通过电阻R2经第二连接器与功率板的三相桥功率驱动电路中该相单桥的第二MOS管栅极连接；

高边电源反馈端与U、V、W三相电机输出接口中的某相接口连接，以使高边电源反馈端通过第二连接器与三相桥功率驱动电路中该相单桥的两个MOS 管之间的结点连接。

所述预驱动电路为三个，以使三个预驱动电路经U、V、W三相电机输出接口与三相电机的U、V、W相连接。

所述预驱动板还设有48V电源输入接口，与电源输入电路连接。

所述电源输入电路采用三个电源转换芯片，每个电源转换芯片输入端均与 48V电源输入接口连接，三个电源转换芯片的输出端分别作为24V输出端、15V 输出端和5V输出端，24V输出端通过第一连接器与控制板的中央处理器连接， 15V输出端与预驱动电路连接，5V输出端与母线电压检测电路、相电流采样电路连接。

所述功率板顶层采用铝基板，且三相桥功率驱动电路的所有MOS管表面与铝基板接触。

一种紧凑型伺服驱动器，所述控制板、预驱动板为圆形。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.驱动器采用了三层叠放的圆形结构，减小了驱动器的面积，最大限度利用了安装空间，解决了协作机器人本体内部安装空间不足的问题；

2.通过三层叠放的结构，将驱动器的控制电路和驱动电路有效分离，可以避免驱动部分的大电流输出对控制信号的干扰，提高通信信号的质量，提升驱动器与控制器通信的稳定性；

3.为了节省散热空间，同时不额外增加驱动器的高度，在最顶层功率板设计中采用了铝基板材质，具有高功率、大电流的MOS管紧贴在铝基板上，增加了器件的散热面积，降低了核心器件因为工作状态下温度过高导致的性能下降，甚至器件损坏的风险。

附图说明

图1为紧凑型伺服驱动器整体外观图；

图2为紧凑型伺服驱动器正视图；

图3为紧凑型伺服驱动器侧视图；

图4为紧凑型伺服驱动器层次结构框图；

图5为紧凑型伺服驱动器驱动电路原理示意图；

其中，1控制板、1-1程序下载接口、1-2 RS485接口、1-3绝对值编码器接口、1-4EtherCAT输入接口、1-5 EtherCAT输出接口、1-6抱闸信号接口、1-7 XMC4800微控制器、2预驱动板、2-1板对板连接器插座、2-2 48V 电源输入、2-3 U、V、W三相输出、3功率板、3-1板对板连接器插针、4机械安装孔、5固定孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

针对协作机器人手臂伺服系统的安装环境要求，本实用新型提供了一种体积小巧的圆形伺服驱动器方案。该驱动器安装于协作机器人手臂中，每个驱动器可控制一台伺服电机。采用EtherCAT总线方式通信，同时提供抱闸、电机、编码器、RS485等外设接口，实现电机的闭环控制。

紧凑型伺服电机驱动器采用三层叠放结构，共由三块电路板组成，相邻电路板间采用板对板连接器连接，并通过板间的安装孔通过螺柱和螺丝固定。

最底层为控制板，控制板包括中央处理器、存储器、通信接口。

中央处理器为英飞凌XMC4800微控制器，支持EtherCAT工业以太网总线，微控制器提供驱动电机所用的PWM信号，存储器控制信号，以及外部通信接口的控制信号。

存储器为微控制器外部扩展的EEPROM存储单元，与微控制器采用I2C接口通信，用于存放配置数据。

通信接口包括EtherCAT、RS485、SPI、IO、JTAG等接口，可用于连接机器人控制器、驱动器、编码器、电机等其他外部设备。

中间层为预驱动板，预驱动板包括预驱动电路，母线电压检测电路，相电流采样电路，电压输入接口以及U、V、W三相电机输出接口。

预驱动电路用于实现三相无刷电机的驱动功能，驱动电机的信号由微控制器提供，预驱动电路通过预驱动芯片对微控制器提供的信号与电机驱动信号进行有效的隔离，通过隔离实现对微控制器的保护，同时提高驱动能力。

母线电压检测电路用于电源输入电压的检测，通过对电压的实时监测实现电源过压以及欠电压的报警和驱动器的保护功能。

相电流采样电路采集无刷电机U、V相的相电流，并通过计算得出W相的电流，将反馈的电流值提供给微控制器，实现对电机相电流的实时监测。

电压输入接口提供驱动器48V电源输入的电源线接口。

三相电机输出接口提供电机U、V、W三相的驱动输出接口。

最上层为功率板，功率板包括主要包括了电机输出端所用的大功率MOSFET 器件，提升驱动器的带负载能力。为了扩大功率器件的散热效果，功率板顶层采用铝基板材质，使MOSFET器件与铝板良好接触，增大其散热面积，便于积累热量的快速释放。

如图1，驱动器板卡采用三层叠放设计，标号1为驱动器的控制板，2为预驱动板，3为功率板，4为机械安装孔，用于板卡与外部安装机构的固定，5为板卡固定孔，用于驱动器三层板卡之间的固定。

如图2，驱动器采用中空结构，中间挖空的空间用于布放电气连线。板卡为圆形结构，体积小巧，最大程度利用安装空间进行元器件的摆放。1-2为RS485 接口，1-3为绝对值编码器接口，1-4为EtherCAT总线输入信号接口，1-5为 EtherCAT总线输出信号接口，1-6为抱闸信号接口，2-2为48V外部电源输入接口，2-3为三相电机输出接口，电源和电机接口采用焊盘方式，以焊接线缆的方式进行连接，增加电流过载量，提升驱动器的功率，同时节省板卡空间尺寸。

如图3，1-7为所述XMC4800微控制器，2-1为预驱动板连接器插座，3-1 为功率板连接器插针，预驱动板和功率板通过插针及插座进行连接与固定。

伺服驱动器的系统结构可以由图4说明。控制板上主要提供驱动器的控制电路以及与外部信号通信的接口。驱动器控制芯片采用英飞凌的XMC4800微控制器，为充分利用空间，减小芯片的面积，采用BGA封装；各关节的驱动器与机器人控制器采用菊花链的形式进行物理连接，所以在控制板上提供了一个输入、一个输出两个网络接口作为EtherCAT总线信号接口，并通过EtherCAT总线协议进行通信；控制板提供了一路抱闸信号所用的IO输出接口，用于电机的安全控制；此外，控制器板还提供了驱动电机的PWM信号、绝对值编码器的SPI 接口、调试所需的RS485接口，以及程序下载所用的JTAG接口。

中间层为预驱动板，包含电源电路，电流、电压采样电路，预驱动芯片电路。驱动器的外部供电电源为48V直流电压，电源输入接口在预驱动层板卡上，预驱动板卡通过电源芯片的转换提供3路电源输出，输出电源包括24V、15V和 5V直流电压。24V直流电压用于为控制板提供所需电源，15V电源用于为预驱动芯片提供电源，5V用于为U、V相电机电流采样芯片提供电源。电流采样电路主要用于采集电机U、V、W三相的相电压，通过实时采集电机各相电流值的反馈，实现对伺服电机电流环的闭环控制。相电流的检测可由电流采样电阻以及ADC 采用芯片来实现。采样电阻两端的电压信号，首先经过模拟滤波，再进入到隔离ADC芯片，ADC输出串行数字信号，通过板对板的连接器返回到控制板的数字接口，经过读取与计算得出各项的实际电流。母线电压检测采用预驱动板上的采样电路实现。通过电阻分压方式将48V的直流母线电压进行分压，经分压后的电压首先经过RC低通滤波器，然后通过比例差分电路输入到XMC4800微控制器的AD采样引脚，读取数据并经过比例转换后得到最终的实际母线输入电压值。

驱动器驱动部分电路如图5所示，微控制器XMC4800的两路PWM信号与预驱动芯片输入接口相连接，预驱动芯片采用英飞凌智能功率模块2ED2181S06，耐压650V，输出电流可达2.5A，内部集成IGBT驱动和硬件保护电路。芯片采用15V电源供电，芯片的高边和低边两路输出分别与上下两路NMOS管的G级连接，为48V力矩电机的U、V、W各相提供驱动电流。图5中绘制的是电机U相的部分驱动电路，V、W相电路与U相类似。

最上层的功率板主要包含由六个MOSFET构成的三相桥功率驱动电路，用于为无框力矩电机提供高功率的能量输出。功率板与预驱动板采用板对板连接器进行连接。板卡底面材料为FR4材质，为使大功率MOS器件能够良好散热，同时不增加驱动器的高度，功率板的顶层材料为铝基板，与MOS管的底部紧密贴合，扩大了散热面积，达到良好的散热效果。

本实用新型实现了一种低压直流伺服驱动器，采用了三层叠放的结构，减小了驱动器的体积，有效利用了安装空间，解决了协作机器人本体内部安装空间狭小，驱动器、电机、编码器不易安装集成的问题；

通过三层叠放的结构，将驱动器的控制电路和驱动电路有效分离，可以避免驱动部分的大电流输出对控制信号的影响，提高通信信号的质量，提升协作机器人的稳定性；

为了节省散热空间，同时不额外增加驱动器的高度，在最顶层板卡设计中采用了铝基板材质，具有高功率、大电流的MOS管紧贴在铝基板上，增加了器件的散热面积，降低了核心器件因为工作状态下温度过高导致的性能下降，甚至器件损坏的风险。

本实用新型中涉及到的中央处理器以及预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路、三相桥功率驱动电路等电路为现有技术。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所描述的板卡层次结构，圆形板卡的半径，外部连接器的摆放位置，可以根据外部环境的变化和约束而调整。例如，以上所描述的驱动器实施例仅针对协作机器人手臂末端关节驱动器的其中一种实施例，随着外部环境的变化，例如，机械臂本体关节尺寸的增大，或者带载要求的提升，所述驱动器会在板卡半径尺寸、功率器件选型、连接器摆放位置、散热铝基板的面积方面进行调整。

以上对本实用新型所提供的一种紧凑型伺服驱动器进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于，包括自下而上依次设置的控制板(1)、预驱动板(2)和功率板(3)；

所述控制板(1)为设有中央处理器以及与其连接的存储器、通信接口的电路板，所述中央处理器通过第一连接器与预驱动板(2)连接；

所述预驱动板(2)为设有预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路的电路板，所述预驱动电路、母线电压检测电路、相电流采样电路、电源输入电路通过第一连接器与控制板(1)的中央处理器连接；

所述功率板(3)为设有三相桥功率驱动电路的电路板，所述三相桥功率驱动电路通过第二连接器与预驱动板(2)的预驱动电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于，所述通信接口包括：EtherCAT接口、RS485接口、SPI接口、IO接口、JTAG接口中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于：所述预驱动板(2)还设有U、V、W三相电机输入接口和U、V、W三相电机输出接口；

所述U、V、W三相电机输入接口与相电流采样电路连接，所述U、V、W三相电机输出接口与预驱动电路连接，并经第二连接器、与功率板(3)的三相桥功率驱动电路连接。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于，所述预驱动电路采用预驱动芯片；所述预驱动芯片的高电平输入端HIN、低电平输入端LIN通过第一连接器分别与控制板(1)的中央处理器两个PWM输出端连接，高边门级驱动电压引脚VB通过自举电容C1与高边电源反馈端Vs连接；

高边控制输出端HO通过电阻R1经第二连接器与功率板(3)的三相桥功率驱动电路中某相单桥的第一MOS管栅极连接；

低边控制输出端LO通过电阻R2经第二连接器与功率板(3)的三相桥功率驱动电路中该相单桥的第二MOS管栅极连接；

高边电源反馈端Vs与U、V、W三相电机输出接口中的某相接口连接，以使高边电源反馈端Vs通过第二连接器与三相桥功率驱动电路中该相单桥的两个MOS管之间的结点连接。

5.根据权利要求3所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于：所述预驱动电路为三个，以使三个预驱动电路经U、V、W三相电机输出接口与三相电机的U、V、W相连接。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于：所述预驱动板(2)还设有48V电源输入接口，与电源输入电路连接。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于：所述电源输入电路采用三个电源转换芯片，每个电源转换芯片输入端均与48V电源输入接口连接，三个电源转换芯片的输出端分别作为24V输出端、15V输出端和5V输出端，24V输出端通过第一连接器与控制板(1)的中央处理器连接，15V输出端与预驱动电路连接，5V输出端与母线电压检测电路、相电流采样电路连接。

8.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于：所述功率板(3)顶层采用铝基板，且三相桥功率驱动电路的所有MOS管表面与铝基板接触。

9.根据权利要求1所述的一种紧凑型伺服驱动器，其特征在于：所述控制板(1)、预驱动板(2)为圆形。

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