CN218240688U - 可模块化拆分的伺服驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可模块化拆分的伺服驱动控制器。可模块化拆分的伺服驱动控制器，包括：驱动部件，用于驱动直流有刷力矩电机转动；控制器，与所述驱动部件相互独立，所述控制器用于接受上位机的控制命令，并结合角度编码器反馈的所述直流有刷力矩电机的运动信息，控制所述驱动部件。采用本实用新型，通过将伺服机构的伺服控制器拆分成为控制器与驱动部件两部份，实现模块化可拆分设计，在一定程度上，降低了结构设计的局限性，有助于实现系统轻量化、小型化、定制化设计，也便于控制器进行单独的安装调试、外场维修。

Description

可模块化拆分的伺服驱动控制器

技术领域

本实用新型涉及电机运动伺服控制领域，尤其涉及可模块化拆分的伺服驱动控制器。

背景技术

转台是一种重要的伺服机构，应用广泛，小到手持式，大到台座式，是监控行业的精密设备，适合于野外架设监控，远距离夜视或大范围监控系统等。常用于惯性导航系统和惯性元件检定、标定，模拟飞行器姿态运动，以及提供负载所需空间位置与姿态运动。

伺服驱动控制器作为转台等伺服机构的核心，主要实现电机控制，完成转台定位，运动控制、通信和各种附加功能，通常包含驱动功能和控制功能。

相关技术中的伺服驱动控制器大多都是将驱动和控制集成在一块板卡上，不可拆分，无法进行单独调试和维修维护，而且体积较大，如需安装这类控制器，必须提供一个较大的空间去容纳驱动控制器，这便使得它的应用范围受限。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种可模块化拆分的伺服驱动控制器，用以解决现有技术中伺服驱动控制器将驱动和控制集成在一块板卡上导致应用受限的问题。

根据本实用新型实施例的可模块化拆分的伺服驱动控制器，包括：

驱动部件，用于驱动直流有刷力矩电机转动；

控制器，与所述驱动部件相互独立，所述控制器用于接受上位机的控制命令，并结合角度编码器反馈的所述直流有刷力矩电机的运动信息，控制所述驱动部件。

根据本实用新型的一些实施例，所述控制器由母板和数字板通过连接器对插组合而成。

根据本实用新型的一些实施例，所述数字板采用DSP组合FPGA的硬件结构。

根据本实用新型的一些实施例，所述DSP的型号为TMS320F28377S；

所述FPGA的型号为10M16DCF256I7G。

根据本实用新型的一些实施例，所述数字板配备有Flash存储器，所述FPGA通过所述Flash存储器存储需要掉电保持的数据。

根据本实用新型的一些实施例，所述DSP与所述FPGA之间通过EMIF总线进行数据通信。

根据本实用新型的一些实施例，所述数字板上的数字板电源转换电路适于完成5V转3.3V，5V转2.5V，5V转1.2V电源转换。

根据本实用新型的一些实施例，所述母板包括母板电源转换电路、串行接口电路、编码器接口电路、驱动器接口电路；

其中，所述母板电源转换电路适于完成24V转5V，5V转3.3V电源转换；

所述串行接口电路包含3路RS422标准串口和4路RS485标准串口；

所述编码器接口电路适于完成所述角度编码器信号的接收；

所述驱动器接口电路与所述驱动部件上的光耦进行对接，将驱动控制信号发送给所述驱动部件。

根据本实用新型的一些实施例，所述驱动部件包括两个相互独立的驱动器，两个所述驱动器分别与两个直流有刷力矩电机连接，以分别控制监控设备的方位运动和俯仰运动。

根据本实用新型的一些实施例，所述驱动部件与所述控制器通过带接插件的线缆连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述驱动部件包括驱动器电源转换电路、控制器接口电路、电机驱动电路；

其中，所述驱动器电源转换电路适于完成36V转5V、36V转12V电源转换；

所述控制器接口电路接收来自所述控制器的驱动控制信号，将所述驱动控制信号通过光耦进行隔离；；

所述电机驱动电路选用脉宽调制型开关放大器，内部采用H桥结构，完成所述直流有刷力矩电机的驱动。

采用本实用新型实施例，通过将伺服控制器拆分成为控制器与驱动部件，实现模块化可拆分设计，在一定程度上，降低了结构设计的局限性，有助于实现系统轻量化、小型化、定制化设计，也便于控制器进行单独的安装调试、外场维修。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型实施例中可模块化拆分的伺服驱动控制器实物示意图；

图2是本实用新型实施例中可模块化拆分的伺服驱动控制器硬件结构框图；

图3是本实用新型实施例中数字板电源电路结构框图；

图4是本实用新型实施例中驱动器电源电路结构框图；

图5是本实用新型实施例中母板电源转换电路结构框图；

图6是本实用新型实施例中电源转换电路图；

图7是本实用新型实施例中RS422串行接口电路图；

图8是本实用新型实施例中RS485串行接口电路图；

图9是本实用新型实施例中电机驱动电路图；

图10是本实用新型实施例中控制器接口电路图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。另外，在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

为了克服现有控制器整体体积大，维修维护无法拆分，灵活性差的问题，本实用新型实施例提出一种可模块化拆分的伺服驱动控制器。如图1-图3所示，本实用新型实施例的可模块化拆分的伺服驱动控制器，包括：

驱动部件，用于驱动直流有刷力矩电机转动；

控制器，与所述驱动部件相互独立，所述控制器用于接受上位机的控制命令，并结合角度编码器反馈的所述直流有刷力矩电机的运动信息，控制所述驱动部件。

可以理解，驱动部件与控制器是两个在结构组成上彼此独立的模块，可以单独制备。

采用本实用新型实施例，通过将伺服控制器拆分成为控制器与驱动部件，实现模块化可拆分设计，在一定程度上，降低了结构设计的局限性，有助于实现系统轻量化、小型化、定制化设计，也便于控制器进行单独的安装调试、外场维修，在减小单个电路板尺寸的同时提高了可维修性与互换性。而且，也便于维修，抗干扰性能也能得到优化。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本实用新型的一些实施例，所述控制器由母板和数字板通过连接器对插组合而成。母板负责信号转接处理。数字板负责控制计算。

例如，母板和数字板之间由接插件直接对插连接，共同组成控制器模块。

根据本实用新型的一些实施例，所述数字板采用DSP组合FPGA的硬件结构。

数字板是整个可模块化拆分的伺服驱动控制器的核心部分，数字板完成所有的软件设置、数据处理、算法编程等。数字板采用DSP组合FPGA的硬件结构，使用这两种处理芯片的架构设计，能充分利用FPGA芯片的高效可灵活配置能力以及DSP的丰富外设和灵活控制的功能。

根据本实用新型的一些实施例，所述DSP的型号为TMS320F28377S；

所述FPGA的型号为10M16DCF256I7G。

DSP选用TI公司的TMS320F28377S，这款DSP为3.3V、200MHz、32位浮点处理器，工作温度为-40℃～105℃。DSP软件主要用于实现伺服控制算法、完成和上位机的交互以及实现各项指令功能。DSP软件与上位机的接口为2个串口，与FPGA的接口为1个EMIF接口。

FPGA选用ALTERA公司的MAX 10系列的10M16DCF256I7G，包含15840个逻辑单元、549kbit的M9K RAM存储单元、2368kbit的FLASH存储单元、45个硬件乘法器、4个PLL，以及178个I/O引脚可供用户应用程序扩充，工作温度为-40℃～100℃。FPGA可以模拟存储器，从而实现与DSP交互，主要用于配合DSP完成伺服机构轴系的角度信息采集、角速度计算、生成用于驱动直流有刷力矩电机的PWM控制信号、完成角度实时查询功能。

由于DSP芯片自身串口有限，无法实现用现有串口同时接收多个传感器数据，因此，DSP的四个串口，其中两个串口主要用于和上位机连接，实现调试和控制，剩下的两个串口作为跟踪或测试串口。

FPGA可灵活配置，通过编写各传感器接收模块来接收传感器的数据信息，部分在FPGA里面直接进行数据解码，解码以后的数据信息通过EMIF总线传输给DSP，部分数据直接通过EMIF总线传输给DSP。

因此，各传感器的数据通过FPGA的IO口进入，再通过EMIF总线将信息输入给DSP。有效的解决了DSP串口数量不足以同时接收多个传感器数据的问题。

根据本实用新型的一些实施例，数字板配备有Flash存储器，所述FPGA通过所述Flash存储器存储需要掉电保持的数据。

根据本实用新型的一些实施例，数字板上的DSP与FPGA之间主要通过EMIF总线进行数据通信。

在本实用新型的一些实施例中，数字板的电源输入为5V，经过线性电源芯片降压后转换为3.3V、2.5V、1.2V三路电源，为DSP与FPGA供电，工作温度为-40℃～125℃，电源电路结构框图如图4所示。

根据本实用新型的一些实施例，所述母板包括母板电源转换电路、串行接口电路、编码器接口电路、驱动器接口电路；

其中，所述母板电源转换电路适于完成24V转5V，5V转3.3V电源转换；

所述串行接口电路包含3路RS422标准串口和4路RS485标准串口，见图7和图8所示；

所述编码器接口电路适于完成所述角度编码器信号的接收；

所述驱动器接口电路与所述驱动部件上的光耦进行对接，将驱动控制信号发送给所述驱动部件。

母板主要负责信号转接处理，并为各连接模块提供所需电源。母板上设计了电源转换电路，用来解决编码器，串口，驱动模块的信号与FPGA信号的电平不匹配的问题。

数字板工作电源为5V，但数字板的通信电平为3.3V，为了保证系统的正常通信，在电源转换电路中，母板输入电源为24V，需转换为5V电压才可以为数字板供电。经过LMZ23605DC/DC开关电源芯片降压后转换为5V为数字板和编码器提供工作电压。5V经过LM1117IMPX线性稳压电源芯片降压后转换为3.3V，为串口电路与驱动电路供电。硬件电路如图5所示。

由于母板的外接设备较多，因此需要良好的信号隔离以提高系统的抗干扰性，在电源设计中，采用DC/DC隔离电源，对不同模块进行独立供电；在串口设计中，串口总线收发器采用隔离型产品。串行接口电路包含3路RS422标准串口和4路RS485标准串口。

母板的串口在电路设计上均使用ADM2687芯片实现，通过不同的配置，实现RS422或RS485模式。PCB布局上，串口芯片分两边进行布局，对应的串口芯片尽可能靠近对应信号的接插件。

在本实用新型的一些实施例中，设计控制器长宽尺寸为76mm*92mm，最高位置高度尺寸30mm。

如图1-图2所示，根据本实用新型的一些实施例，所述驱动部件包括两个相互独立的驱动器，两个所述驱动器分别与两个直流有刷力矩电机通信连接，以分别控制监控设备的方位运动和俯仰运动。

在实际使用过程中，可以根据实际需求选择一个驱动器或两个驱动器使用。

根据本实用新型的一些实施例，所述驱动器与所述母板通过带接插件的线缆连接。由此，可以方便连接和拆卸，而且，可根据驱动器安装位置适当调节线缆长度，从而适应不同结构的需求。

根据本实用新型的一些实施例，所述驱动部件与所述控制器通过带接插件的线缆连接。

根据本实用新型的一些实施例，所述驱动部件包括驱动器电源转换电路、控制器接口电路、电机驱动电路；

其中，所述驱动器电源转换电路适于完成36V转5V、12V电源转换；驱动器电源电路如图6所示；

控制器接口电路的结构示意图如图10所示，所述控制器接口电路接收来自所述控制器的驱动控制信号，将所述驱动控制信号进行光耦隔离；

电机驱动电路的结构示意图如图9所示，所述电机驱动电路选用脉宽调制型开关放大器，内部采用H桥结构，完成所述直流有刷力矩电机的驱动。电机驱动电路将接收到的来自控制器输出的电机驱动控制信号(不具备驱动能力)进行放大，输出一个大功率高电压的PWM电源，实现对直流有刷力矩电机的驱动。

驱动直流有刷力矩电机转动的PWM电源是脉冲电源，是强干扰源，为了防止其对控制器产生电磁干扰，驱动器上设计了控制器接口电路，将驱动控制信号通过光耦进行隔离。

驱动部件的电源输入为36V，经过2路DC/DC电源芯片降压后转换为12V、5V两路电源，分别为驱动模块和接口供电。电源电路结构框图如图6所示。在本实用新型的一些实施例中，电机驱动电路选用WSA37脉宽调制型开关放大器模块。WSA37最大连续输出电流10A，峰值输出电流12A。模块内部采用H桥结构，桥臂采用全N道沟开关管，具有高效低功耗的特点，通过高精度厚膜电阻设定固定死区时间以保护桥臂，模块的驱动电压最高80V，控制电压10V～15V，逻辑电压5V，工作温度为-55℃～125℃。。硬件电路如图9所示。

驱动部件与控制器采用光耦隔离提高抗干扰性，硬件电路如图10所示。输出信号正与驱动器上的光耦输入二极管正端连接，输出信号负与驱动器上光耦输入二极管负端连接。

在本实用新型的一些实施例中，设计驱动器长宽尺寸为65mm*45mm，最高位置高度尺寸27mm。

需要说明的是，在本说明书的描述中，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

使用用于表示元件的诸如“模块”、“电路”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本实用新型的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。

参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (11)

1.一种可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，包括：

驱动部件，用于驱动直流有刷力矩电机转动；

控制器，与所述驱动部件相互独立，所述控制器用于接受上位机的控制命令，并结合角度编码器反馈的所述直流有刷力矩电机的运动信息，控制所述驱动部件。

2.如权利要求1所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述控制器由母板和数字板通过连接器对插组合而成。

3.如权利要求2所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述数字板采用DSP组合FPGA的硬件结构。

4.如权利要求3所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述DSP的型号为TMS320F28377S；

所述FPGA的型号为10M16DCF256I7G。

5.如权利要求3所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述数字板配备有Flash存储器，所述FPGA通过所述Flash存储器存储需要掉电保持的数据。

6.如权利要求3所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述DSP与所述FPGA之间通过EMIF总线进行数据通信。

7.如权利要求3所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述数字板上的数字板电源转换电路用于完成5V转3.3V，5V转2.5V，5V转1.2V电源转换。

8.如权利要求2所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述母板包括母板电源转换电路、串行接口电路、编码器接口电路、驱动器接口电路；

其中，所述母板电源转换电路用于完成24V转5V，5V转3.3V电源转换；

所述串行接口电路包含3路RS422标准串口和4路RS485标准串口；

所述编码器接口电路用于完成所述角度编码器信号的接收；

所述驱动器接口电路与所述驱动部件上的光耦进行对接，将驱动控制信号发送给所述驱动部件。

9.如权利要求2所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述驱动部件包括两个相互独立的驱动器，两个所述驱动器分别与两个直流有刷力矩电机连接，以分别驱动伺服机构的两个轴系的运动。

10.如权利要求1所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述驱动部件与所述控制器通过带接插件的线缆连接。

11.如权利要求9所述的可模块化拆分的伺服驱动控制器，其特征在于，所述驱动部件包括驱动器电源转换电路、控制器接口电路、电机驱动电路；

其中，所述驱动器电源转换电路用于完成36V转5V、36V转12V电源转换；

所述控制器接口电路接收来自所述控制器的驱动控制信号，将所述驱动控制信号通过光耦进行隔离；

所述电机驱动电路选用脉宽调制型开关放大器，内部采用H桥结构，完成所述直流有刷力矩电机的驱动。

Images