CN219068091U - 伺服驱动器的主电路及伺服驱动器和伺服系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种伺服驱动器的主电路及伺服驱动器和伺服系统，本实用新型的伺服驱动器的主电路，包括与外部直流电源模块连接的DC直流电源接口模块，以及与伺服电机连接的三电平逆变模块。本实用新型所述的伺服驱动器的主电路，通过采用直流输入的供电方式，可减少母线纹波，且逆变模块采用三电平方案，还可降低电路内部的热损耗，降低电路中关键发热元器件的温升，确保伺服驱动器在高温环境下的功率输出，而可提升伺服驱动在高温环境下的使用效果，延长其使用寿命。

Description

伺服驱动器的主电路及伺服驱动器和伺服系统

技术领域

本实用新型涉及伺服驱动器技术领域，特别涉及一种伺服驱动器的主电路。同时，本实用新型还涉及一种伺服驱动器及伺服系统。

背景技术

随着工业自动化的发展，自动化产线的需求逐渐增加，EtherCAT(以太网控制自动化技术)总线逐渐成为国内主流工业总线，其中部分特殊应用场景环境温度较高，使用环境温度可达60℃，且对伺服驱动器的无故障运行时间也有较高要求。

然而，国内工业领域现有EtherCAT伺服驱动器产品一般标明使用环境温度在0～55℃，且在45℃以上每升高5℃需降额10％，也即若伺服驱动器在55°的环境下工作时只有80％的功率输出。而在某些高温应用条件下，环境温度可能会达到60℃，绝大多数伺服驱动器在该环境温度下工作时，难以满足相关的工作要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种伺服驱动器的主电路，以利于提升伺服驱动器在高温环境下的工作性能。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种伺服驱动器的主电路，包括主电路，所述主电路包括与外部直流电源模块连接的DC直流电源接口模块，以及与伺服电机连接的三电平逆变模块。

进一步的，所述三电平逆变模块包括逆变电路，所述逆变电路包括逆变正极电路和逆变负极电路，以及并联在所述逆变正极电路和所述逆变负极电路之间的三组逆变子电路，三组所述逆变子电路分别连接输出端子，以输出电机所需的三路驱动电源。

进一步的，所述逆变子电路中包括依次连接的四个驱动模块，对应各所述驱动模块设置的四个功率模块，并在所述逆变子电路中连接有第一二极管和第二二极管，所述驱动模块用于接收所述主电路中驱动电路发送的PWM信号并控制所述功率模块的通断；

所述逆变子电路中由连接所述逆变正极电路的一端至连接所述逆变负极电路的一端，所述第一二极管的一端连接在第一个所述驱动模块和第二个所述驱动模块之间，所述第一二极管的另一端连接在所述逆变电路的中位点处，所述第二二极管的一端连接在第三个所述驱动模块与第四个所述驱动模块之间，所述第二二极管的另一端连接在所述中位点处。

进一步的，所述三电平逆变模块中的功率模块采用IGBT模块；和/或，所述第一二极管与所述第二二极管均采用快恢复二极管。

进一步的，所述外部直流电源模块为310V直流供电电源。

进一步的，所述主电路中连接有串联的两个母线电容。

相对于现有技术，本实用新型具有以下优势：

本实用新型所述的伺服驱动器的主电路，通过采用直流输入的供电方式，可减少母线纹波，且逆变模块采用三电平方案，还可降低电路内部的热损耗，降低电路中关键发热元器件的温升，确保伺服驱动器在高温环境下的功率输出，而可提升伺服驱动在高温环境下的使用效果，延长其使用寿命。

此外，通过在主电路中串联有两个母线电容，则串联后每个电容承受的电压值减半，在外界环境温度较高的情况下，母线电容的温升也不高，可以保证使用寿命满足设计要求。

本实用新型的另一目的在于提出一种伺服驱动器，所述伺服驱动器包括如上所述的伺服驱动器的主电路。

进一步的，所述伺服驱动器包括与所述主电路通过内部接口相连的控制电路，所述控制电路主要用于向所述主电路发出控制信号。

进一步的，所述控制电路中具有FPGA芯片、ARM芯片和EtherCAT总线芯片，所述FPGA芯片和所述ARM芯片相连，且所述ARM芯片通过所述EtherCAT总线芯片收发EtherCAT总线数据。

本实用新型所述的伺服驱动器，通过设有如上所述的伺服驱动器的主电路，便于保证其在高温环境下的功率输出，从而提升其在高温环境下的使用效果，并延长其使用寿命。

本实用新型还提出了一种伺服系统，所述伺服系统中设有如上所述的伺服驱动器。

本使用新型所述的伺服系统，与上述的伺服驱动器相对于现有技术具有相同的技术效果，在此不再进行赘述。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述的伺服驱动器内部电路的示意图；

图2为本实用新型实施例所述的三电平逆变模块的电路图。

附图标记说明：

1、DC直流电源接口模块；2、三电平逆变模块；3、母线电容；4、FPGA芯片；5、ARM芯片；6、EtherCAT总线芯片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现“上”、“下”、“内”、“外”等指示方位或位置关系的术语，其为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，若出现“第一”、“第二”等术语，其也仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”“连接件”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例一

本实施例涉及一种伺服驱动器的主电路，整体构成上，如图1所示，该主电路包括与外部直流电源模块连接的DC直流电源接口模块1，以及与伺服电机连接的三电平逆变模块2。如此，便于保证伺服驱动器在高温环境下的功率输出，从而提升其在高温环境下的使用效果，且有利于延长其使用寿命。

基于上述的整体介绍，作为一种较优的实施方式，如图2所示，在本实施例中，三电平逆变模块包括逆变电路，逆变电路包括逆变正极电路和逆变负极电路，以及并联在逆变正极电路和逆变负极电路之间的三组逆变子电路，三组逆变子电路分别连接输出端子(输出端子分别为图2中的UVW接口)，以输出电机所需的三路驱动电源。

其中，具体来讲，上述逆变子电路中包括依次连接的四个驱动模块，对应各驱动模块设置的四个功率模块，并在逆变子电路中连接有第一二极管和第二二极管，驱动模块用于接收主电路中驱动电路发送的PWM信号并控制功率模块的通断。

并且，逆变子电路中由连接逆变正极电路的一端至连接逆变负极电路的一端，第一二极管的一端连接在第一个驱动模块和第二个驱动模块之间，第一二极管的另一端连接在逆变电路的中位点处，第二二极管的一端连接在第三个驱动模块与第四个驱动模块之间，第二二极管的另一端连接在中位点处。

作为优选的实施形式，本实施例中，三电平逆变模块2中的功率模块采用IGBT模块。且在具体实施时，功率模块可采用360V耐压的IGBT模块，相较于传统的两电平逆变模块中的功率模块所采用600V耐压的IPM集成模块，则IGBT模块由于导通时承受的电压较低，故而在输出同样电流的情况IGBT模块的导通损耗较低，可保证在高温环境输出额定功率。

同时，本实施例中的第一二极管与第二二极管均采用快恢复二极管，以取得开关特性好、反向恢复时间短的优点。此外，由于采用三电平逆变模块2后热损耗减少，所以伺服驱动器在工作时可不使用风扇进行散热，只靠伺服驱动器的自然散热即可满足使用要求，防止因为风扇在高温环境下失效而导致伺服驱动器失效。

值得提及的是，本实施例中主电路未提及的各部分，均可参照现有技术种常见的伺服驱动器产品中的相关结构部分，例如主电路中除了连接有驱动电路，还具有母线电压采样电路和开关电源电路。

具体使用时，上述母线电压采样电路可采用电阻分压方案，其采样芯片选择ACPL-C87，主要用于将电压信号转换为2路数字信号传输给伺服驱动器的控制部分(具体传输至下文述及的控制电路中的FPGA芯片4)。而上述驱动电路可采用型号为UCC23513的隔离光耦及12个驱动光耦组成，上述开关电源电路可采用NCP1253芯片作为控制主芯片，其电路中可设置有6路电源输出端。

三电平逆变模块2的逆变电路如图2中所示，从左至右分别为三组逆变子电路，具体而言，左侧的逆变子电路具有G1～G4四个驱动模块、VT1～VT4四个功率模块和第一二极管D1及第二二极管D2，中间的逆变子电路具有G5～G8四个驱动模块、VT5～VT8四个功率模块和第一二极管D3及第二二极管D4，右侧的逆变子电路具有G9～G12四个驱动模块、VT9～VT12四个功率模块和第一二极管D5及第二二极管D6。

其中，VT1～VT12代表12个IGBT模块，且IGBE的型号优选为STGB25N36LZAG。D1～D6代表6个快恢复二极管，快恢复二极管的型号优选为STTH20R04。G1～G12代表12路驱动模块，驱动模块的驱动信号是由图1中所示出FPGA芯片4给出的12路PWM信号经过驱动电路转换后对12个IGBT模块进行开通关断控制。DC+、DC-代表输入的母线电压，电压值为310V，逆变正极电路和逆变负极电路分别连接在DC+及DC-处。中位点O代表母线电压DC+和DC-的中位点，三电平电路拓扑需要中位点进行限位调节。

此外，作为进一步优选的，本实施例的外部直流电源模块为310V直流供电电源，如此，有利于减少母线纹波。另外，在本实施例中，于主电路中连接有串联的两个母线电容3，两个母线电容3的规格容量优选为250V、150uF，由于母线纹波较小，且串联后每个电容承受的电压值减半，则在外界环境温度较高的情况下，母线电容3的温升也不高，可以保证使用寿命满足设计要求。

需要说明的是，IGBT模块及母线电容3选择上述的规格型号，可使该主电路应用在额定功率为200W～1000W的伺服驱动器上，而对于额定功率在上述范围外的伺服驱动器，可选择不同的母线电容值以及IGBT模块型号。

本实施例的伺服驱动器的主电路，通过采用直流输入的供电方式，可减少母线纹波，且逆变模块采用三电平方案，还可降低电路内部的热损耗，降低电路中关键发热元器件的温升，确保伺服驱动器在高温环境下的功率输出，而可提升伺服驱动在高温环境下的使用效果，延长其使用寿命。

实施例二

本实施例涉及一种伺服驱动器，该伺服驱动器包括实施例一中的伺服驱动器的主电路。

此外，该伺服驱动器还包括与主电路通过内部接口相连的控制电路，控制电路主要用于向主电路发出控制信号。控制电路的架构示意图如图1中所示，

其中，显示面板LED用于显示伺服驱动器设置内容和伺服运行状态指示。CN1为普通IO接口，其包括3路数字信号输入接口，以及3路数字输出接口，其电压等级24V。CN2为高速IO接口，其包括2路5MHz输入差分信号，以及1路4MHz输出差分信号，其电压等级5V。CN3为EtherCAT总线接口，其包括1路输入网口，以及1路输出网口。CN4为编码器接口，其包括1路RS485通讯接口，以及1路5V电源。CN5为USB接口，其包括1路USB2.0接口。DC直流电源接口为DC 310V电源输入。UVW接口为电机UVW对应接口。

该控制电路和实施例一的主电路通过内部接口进行供电和控制。内部接口信号为：1路继电器控制信号，1路5V电源，1路24V电源，1路母线电压采样信号，12路PWM信号，1路温度检测信号以及2路电流检测信号。

此外，控制电路中还具有FPGA芯片4、ARM芯片5和EtherCAT总线芯片6，FPGA芯片4和ARM芯片5相连，且ARM芯片5通过EtherCAT总线芯片6收发EtherCAT总线数据。

其中，FPGA芯片4的型号优选为EP4CE22117C8N，其可用于处理电流采样信号并进行电流环计算，发出12路PWM信号控制三电平逆变模块2，与电机编码器进行通讯，实时反馈编码器位置信息，以及高速IO信号处理。

ARM芯片5的型号优选为STM32F407ZGT6，其可用于与FPGA通讯，进行速度环、位置环计算，与EtherCAT总线芯片6ET1100通讯，收发EtherCAT总线相关信息，控制对外显示LED，接收外部按键信息并显示伺服数据和状态，以及控制对外普通IO接口，按照设置要求进行IO状态控制。

EtherCAT总线芯片6的型号优选为ET1100，其可用于进行EtherCAT总线通讯。

本实施例的伺服驱动器，通过设有实施例一的伺服驱动器的主电路，便于保证其在高温环境下的功率输出，从而提升其在高温环境下的使用效果，并延长其使用寿命。

实施例三

本实施例涉及一种伺服系统，该伺服系统中设有实施例二的伺服驱动器。

本实施例的伺服系统，与上述的伺服驱动器相对于现有技术具有相同的技术效果，在此不再进行赘述。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伺服驱动器的主电路，其特征在于：

所述主电路包括与外部直流电源模块连接的DC直流电源接口模块，以及与伺服电机连接的三电平逆变模块。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器的主电路，其特征在于：

所述三电平逆变模块包括逆变电路，所述逆变电路包括逆变正极电路和逆变负极电路，以及并联在所述逆变正极电路和所述逆变负极电路之间的三组逆变子电路，三组所述逆变子电路分别连接输出端子，以输出电机所需的三路驱动电源。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器的主电路，其特征在于：

所述逆变子电路中包括依次连接的四个驱动模块，对应各所述驱动模块设置的四个功率模块，并在所述逆变子电路中连接有第一二极管和第二二极管，所述驱动模块用于接收所述主电路中驱动电路发送的PWM信号并控制所述功率模块的通断；

所述逆变子电路中由连接所述逆变正极电路的一端至连接所述逆变负极电路的一端，所述第一二极管的一端连接在第一个所述驱动模块和第二个所述驱动模块之间，所述第一二极管的另一端连接在所述逆变电路的中位点处，所述第二二极管的一端连接在第三个所述驱动模块与第四个所述驱动模块之间，所述第二二极管的另一端连接在所述中位点处。

4.根据权利要求3所述的伺服驱动器的主电路，其特征在于：

所述三电平逆变模块中的功率模块采用IGBT模块；和/或，所述第一二极管与所述第二二极管均采用快恢复二极管。

5.根据权利要求1所述的伺服驱动器的主电路，其特征在于：

所述外部直流电源模块为310V直流供电电源。

6.根据权利要求1所述的伺服驱动器的主电路，其特征在于：

所述主电路中连接有串联的两个母线电容。

7.一种伺服驱动器，其特征在于：

包括权利要求1至6中任一项所述的伺服驱动器的主电路。

8.根据权利要求7所述的伺服驱动器，其特征在于：

包括与所述主电路通过内部接口相连的控制电路，所述控制电路主要用于向所述主电路发出控制信号。

9.根据权利要求8所述的伺服驱动器，其特征在于：

所述控制电路中具有FPGA芯片、ARM芯片和EtherCAT总线芯片，所述FPGA芯片和所述ARM芯片相连，且所述ARM芯片通过所述EtherCAT总线芯片收发EtherCAT总线数据。

10.一种伺服系统，其特征在于：

所述伺服系统中设有权利要求7至9中任一项所述的伺服驱动器。

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