TW201541854A - 伺服馬達驅動器 - Google Patents

Abstract

一種伺服馬達驅動器，用以驅動兩個以上的伺服馬達，並包含一主控制單元、一電源單元及一伺服驅動模組。該伺服驅動模組包含一通訊介面單元、一輸入/輸出單元、一微處理單元、一場域可編程閘陣列、一電流控制單元及一切換單元。該電流控制單元包含一智慧型功率模組及一電流感測器。根據該微處理單元的命令資料，驅使該智慧型功率模組控制該切換單元切換至其中一接點，以控制該切換單元啟動任一個伺服馬達，真正實現一台伺服驅動模組能控制多台伺服馬達的目的。

Description

伺服馬達驅動器

本發明是有關於一種伺服驅動裝置，且特別是有關於一種能以一台驅動器連接數台伺服馬達，以達到節省成本之伺服馬達驅動器。

近年來，隨著高效率、高品質生產技術的提昇，使得機械設備已朝向快速化、系統化和自動化高速發展，相對的，機械設備各系統之間的關連性也越來越密切，且更加複雜化。

以電腦數值控制工具機為例，其加工方式通常是依照所需加工工件規格大小來建立CAD/CAM指令程式，以規劃設計出輪廓與刀具路徑，機台的控制單元再解譯出相對應的指令程式，並藉由伺服驅動器將控制單元所解譯的程式指令，以脈波命令或類比電壓形式、或網路通訊型式驅動終端的伺服馬達進行輸出，並將伺服馬達編碼器訊號回授至伺服驅動器作閉迴路控制，使工具機能準確完成所要加工的工件。

而為了提高加工效率，在單一機台上增加軸數的多軸複合工具機，已成為近年來工具機產業的重要發展趨勢，而在加工軸數增加的情況下，為了協調各軸之動作並監控機台的運作，多軸伺服控制系統乃應運而生，其常規做法是通過數位控制系統來操控多台伺服驅動器，每台伺服驅動器分別用來控制一軸的伺服馬達。但這種模式由於是採用多台的伺服驅動器，勢必會佔用較多的機台空間與成本，常見的改善方案是將多台伺 服驅動器以同軸電纜或光纖線來串連並排，但這種作法在實際上還是一台驅動器連接一台伺服馬達，而非以一台驅動器連接數台伺服馬達，所以整個伺服驅動系統並不能真正的節省空間與成本。

此外，我國公告第I308819號發明專利進一步地揭露了一種三合一的交流伺服驅動器，其主要是將數台馬達所需的電源模組及控制模組放在同一個模塊裡，對於控制單元部分可以節省重複部分，如通訊介面、顯示單元、輸入/輸出單元，而電源模組上的IGBT模組之匯流排電容量也可共用而減少，體積也可因此較原本數台電源模組的總合體積要來得小，並可有效節省成本、配線及安裝時間。但是，在該電源模組中，需要控制數個伺服馬達，就必須相對設置等數的換流器(Inverter)及電流感測器(Current Sensor)，此法不但增加擴增電源模組的佔用體積，且換流器為大電流、大功率的電路，價格相當高昂，因此在整個驅動系統的製造成本上，更是有增無減，不夠經濟與實惠。其次，在此電源模組內部雖設置有一可共用的煞車單元，以在電源匯流排的電壓過高時，利用放電原理將其能量釋放掉，但是，此舉不但浪費電力，且不環保。

綜上所述，即使有號稱可連接一對多台馬達的伺服驅動器產品，但其設計卻是以擴充電源模組來實現，如此，使得整個伺服驅動系統在效能、成本及體積的節省上，並不會產生太大的效果之外，相反地卻衍生高製造成本，同時亦可能耗費配線與安裝的工時之困擾。

本發明所提供之一種伺服馬達驅動器，利用一個智慧型功率模組控制一切換單元以分別驅動數台伺服馬達，不但不須擴充電源，且在 製造成本及體積上亦可有效地節省，以真正實現一台伺服驅動器控制多台伺服馬達的使用目的與功效。

本發明的伺服馬達驅動器，在電源單元的輸出端上接設有一剎車回充單元，以使得伺服馬達操作在減速狀態，利用充電原理將電流回充至電源單元，達到節能之使用目的，使兼具有環保效益。

因此，本發明所提出之一種伺服馬達驅動器，供接設至少二個伺服馬達，且接受一主控制單元的訊號後而能驅動任一伺服馬達作動，進而使前述伺服馬達以非同步方式啟動各自的受控體，該種驅動器包含一主控制單元、一電源單元及一伺服驅動模組。該電源單元，用以供給以下各單元所需之電力。該伺服驅動模組，包含一通訊介面單元、一輸入/輸出單元、一微處理單元、一場域可編程閘陣列、一電流控制單元及一切換單元。該通訊介面單元，電連接在該主控制單元和該微處理單元之間，用以作序列式雙向傳輸資料。該輸入/輸出單元，電連接在該主控制單元和該場域可編程閘陣列之間，用以作數位/類比資料之雙向傳遞。該場域可編程閘陣列，根據該等伺服馬達的旋轉角度與轉速資料，轉換成數位旋轉角度資料與數位轉速資料，以返送至該微處理單元作運算處理。該微處理單元，與該通訊介面單元和該場域可編程閘陣列電連接，並根據來自於該主控制單元的速度、位置及扭矩命令資料，以及建入於該場域可編程閘陣列之該伺服馬達的旋轉角度及轉速資料，運算出數位載波訊號，用以非同步操控該等伺服馬達運轉。該電流控制單元，包含一智慧型功率模組及一用以檢測電流量的電流感測器，該智慧型功率模組接收來自於該微處理單元輸出的數位載波電流資料，作電流功率放大處理。該切換單元，根據前述微處 理單元的命令資料，驅使該智慧型功率模組控制該切換單元切換至其中一接點，進而啟動其中一個伺服馬達運轉。

依照上述之伺服馬達驅動器，其中，該電源單元具有一主電源及一受電於該主電源的控制電源，該主電源供給交流電給該智慧型功率模組，該控制電源則供給直電流該微處理單元及該場域可編程閘陣列。

依照上述之伺服馬達驅動器，其中，更包含一剎車回充單元，接設在該電源單元的輸出端，當該伺服馬達操作在減速狀態，能將電流回充至該電源單元。

依照上述之伺服馬達驅動器，其中，該通訊介面單元有一通訊序列匯流排(USB)、一RS232C序列傳輸埠、一RS485序列傳輸埠及一RS422序列傳輸埠，而該通訊介面單元還可連接至乙太網路及其它工業控制網路介面，如Mechatrolink、EtherCAT、CANbus等。

依照上述之伺服馬達驅動器，其中，該切換單元為接點開關、無接點開關之任一種。

而本發明所提出之另一種伺服馬達驅動器，供接設至少二個伺服馬達，一種伺服馬達驅動器，供接設至少二個伺服馬達，且接受一主控單元的訊號後而能驅動任一伺服馬達作動，進而使工具機之機具產生相對順序動作的關係，該種驅動器包含一主控制單元、一電源單元及至少一伺服驅動模組。該電源單元，用以供給以下各單元所需之電力。該伺服驅動模組，包含一通訊介面單元、一輸入/輸出單元、一微處理單元、一場域可編程閘陣列、一電流控制單元及一切換單元。該通訊介面單元，電連接在該主控制單元和該微處理單元之間，用以作序列式雙向傳輸資料。該輸 入/輸出單元，電連接在該主控制單元和該場域可編程閘陣列之間，用以作數位/類比資料之雙向傳遞。該場域可編程閘陣列，根據該等伺服馬達的旋轉角度與轉速資料，轉換成數位旋轉角度資料與數位轉速資料，以返送至該微處理單元作運算處理。該微處理單元，與該通訊介面單元和該場域可編程閘陣列電連接，並根據來自於該主控制單元的速度、位置及扭矩命令資料，以及建入於該場域可編程閘陣列之該伺服馬達的旋轉角度及轉速資料，運算出數位載波訊號，用以非同步操控該等伺服馬達運轉。該電流控制單元，包含一智慧型功率模組及一用以檢測電流量的電流感測器，該智慧型功率模組接收來自於該微處理單元輸出的數位載波電流資料，作電流功率放大處理。該切換單元，根據前述微處理單元的命令資料，驅使該智慧型功率模組控制該切換單元切換至其中一接點，進而啟動其中一個伺服馬達運轉。

10‧‧‧主控制單元

20‧‧‧電源單元

30‧‧‧伺服驅動模組

31‧‧‧通訊介面單元

311‧‧‧通訊序列匯流排

312‧‧‧序列傳輸埠

313‧‧‧序列傳輸埠

314‧‧‧序列傳輸埠

32‧‧‧輸入/輸出單元

321‧‧‧端部

33‧‧‧微處理單元

34‧‧‧場域可編程閘陣列

35‧‧‧電流控制模組

351‧‧‧智慧型功率模組

352‧‧‧電流感測器

36‧‧‧切換開關

361‧‧‧第一接點

362‧‧‧第二接點

37‧‧‧剎車回充單元

40‧‧‧伺服馬達

50‧‧‧伺服馬達

60‧‧‧伺服馬達

100‧‧‧工具機

110‧‧‧換刀臂

120‧‧‧刀庫

130‧‧‧刀具

140‧‧‧主軸

150‧‧‧刀具

第1圖為本發明之伺服馬達驅動器之電路方塊流程圖。

第2圖為本發明之伺服馬達驅動器的結構配置圖。

第3圖為本發明運用在刀庫和換刀臂上的組合側視圖。

第4圖為本發明之伺服馬達驅動器的另一結構配置圖。

參照第1、2圖所示，本發明之伺服馬達驅動器，供接設至少二個伺服馬達40、50，且接受一主控制單元10的訊號後而能驅動任一伺服馬達40、50作動，進而使前述伺服馬達40、50以非同步方式啟動各自 的受控體(工具機)。該種驅動器包含一主控制單元10、一電源單元20及至少一伺服驅動模組30。由於工具機的種類眾多，以下的具體實施例將以CNC工具機的刀庫及換刀凸輪箱的控制動作進行說明，但專利範圍並不以此為限。

該主控制單元10，為工具機之主要控制系統。

該電源單元20，用以供給以下各單元所需之電力。該電源單元20具有一主電源21(Main Power)及一受電於該主電源21的控制電源22(Control Power)。

該伺服驅動模組30，包含一通訊介面單元31、一輸入/輸出單元32、一微處理單元33、一場域可編程閘陣列34、一電流控制單元35及一切換單元36。

該通訊介面單元31，電連接在該主控制單元10和該微處理單元33之間，用以作序列式雙向傳輸資料。該通訊介面單元31有一通訊序列匯流排311(USB)、一RS232C序列傳輸埠312、一RS485序列傳輸埠313及一RS422序列傳輸埠314。此外，該通訊介面單元31更可透過乙太網路及其它工業控制網路介面的連接，以作遠端監控的運用，如Mechatrolink、EtherCAT、CANbus等。

該輸入/輸出單元32，電連接在該主控制單元10和該場域可編程閘陣列34之間，用以作數位/類比資料之雙向傳遞。而該輸入/輸出單元32更具有另一端部321(IN/OUT)，以使該輸入/輸出單元32可以讓該微處理單元33接收外部的輸入信號，或直接控制輸出信號。應用上，信號輸入部分可以連接Sensor、Switch、Button...等，信號輸出部分可連接控制電磁閥、 繼電器...等，也可以和外部電腦做簡單的交握通信(Handshake)。

該場域可編程閘陣列34(Field-Programmable Gate Arrays，FPGA)，由該控制電源22(Vcc)提供電力。該場域可編程閘陣列34是根據該等伺服馬達40、50的旋轉角度與轉速資料，轉換成數位旋轉角度資料與數位轉速資料，以返送至該微處理單元33作運算處理。此外，依據輸出控制模式之不同，可對該場域可編程閘陣列34作現場編程來改變組態設定，以控制工具機不同運作模式，此為現有功能，不再詳述。

該微處理單元33，由該控制電源12(Vcc)提供電力。該微處理單元33與該通訊介面單元31和該場域可編程閘陣列34電連接，並根據來自於該主控制單元10的速度、位置及扭矩命令資料，以及建入於該場域可編程閘陣列34之該伺服馬達40、50的旋轉角度及轉速資料，運算出數位載波訊號，用以非同步操控該等伺服馬達40、50運轉。

該電流控制單元35，包含一智慧型功率模組351及一電流感測器352(Current Sensor)。該智慧型功率模組351(Intelligent Power Module，IPM)，由該主電源21供應交流電力。該智慧型功率模組351接收來自於該微處理單元33輸出的數位載波電流資料，作電流功率放大處理，再經由電流感測器352轉成電壓信號，以返回該微處理單元33處理。

該切換單元36，根據前述微處理單元33的命令資料，驅使該智慧型功率模組351控制該切換單元36切換至其中一接點，進而啟動其中一個伺服馬達(40或50)運轉。本發明中，該切換單元36是一切換開關，並具有一第一接點361及第二接點362，該第一接點361連接於該伺服馬達40，該第二接點362連接於該伺服馬達50。該切換開關使用為一般接點開關、矽控整 流開關(無接點開關)之任一種，皆可達到相同功效，不再多加詳述。

因此，如第1、2、3圖所示，實現在工具機之用為刀庫換刀的運用例上，該伺服馬達40作為驅動刀庫之刀盤的取刀作業，而該伺服馬達50作為驅動退刀、換刀作業。當工具機100之一換刀臂110欲進行換刀時，來自該主控制單元10的執行命令(速度、位置、扭矩命令資料)，將通過該通訊介面單元31將命令資料送至該微處理單元33，該微處理單元33再根據來自於該主控制單元10的速度、位置及扭矩命令資料，以及建入於該場域可編程閘陣列34之該伺服馬達40的旋轉角度及轉速資料，運算出數位載波訊號，經過該置智慧型功率模組351作功率放大處理，並令該切換開關36切換至一第一接點361，立刻啟動該伺服馬達40，刀庫120開始旋轉以進行選刀，執行選刀的過程中，該伺服驅動模組30接著命令該切換開關353切換至第二接點362，以啟動該伺服馬達50，這時該換刀臂110開始退刀(刀具130)，當主軸140上的刀具130退下之當時，該刀庫120也同時完成選刀作業，另一刀具150已向下旋轉至定位，再進行換刀作業，即完成。

據上可知，就前述所列舉之實施樣態，本發明利用一個伺服驅動模組30，即可控制兩台以上的伺服馬達40、50，以非同步之方式來控制選刀、退刀、換刀之動作，並達到快速換刀的目的與功效，針對現有工具機其刀庫和換刀臂各別使用一組驅動器與伺服馬達來驅動勢必大幅提高成本的控制方式，本發明不但更節省製造、設備成本，機具數量更為簡化，讓配置組裝上更容易。

而且，該伺服驅動模組30利用該智慧型功率模組351配合該切換單元36之設置，即可達成該等伺服馬達40、50之切換控制，且因該智 慧型功率模組351整合了控制功能、絕緣閘雙極性電晶體(IGBT)開關、保護電路等功能，並擁有體積小、品質穩定且價格低廉之各項優點，而該切換單元36之組配容易，模組化的設置也可使整個工具機系統的配線更精簡。

另外，該伺服驅動模組30更包含一剎車回充單元37(Revive Brake Regeneration)，該剎車回充單元37接設在該電源單元20的輸出端上，當該伺服馬達40、50操作在減速狀態，利用充電原理以將電流回充至該電源單元20，兼具有充電與節電的功能，更符合環保效益。

值得一提的，前述第2圖中所列舉的實施例，是以單一伺服驅動模組30控制兩個伺服馬達40、50，以分別驅動刀庫作選刀和驅動換刀臂執行退刀換刀之運用。如第4圖所示，因應現今多軸工具機之需求，以及各式機具之搭配運用，實施上更可使用單一伺服驅動模組30來控制三個伺服馬達40、50、60，甚至更多，如此，即可讓工具機在多軸控制運作上、製造成本上更為簡便，更節省成本，且有效降低製造使用成本。

歸納上述，相較於現有一對多台馬達的伺服驅動器產品，是以擴充電源模組來實現，而更增加成本與擴增佔用體積之問題；本發明的伺服馬達驅動器，根據微處理單元之命令資料，利用一個智慧型功率模組控制一切換單元以分別驅動數台伺服馬達，不但不須擴充電源，且在製造成本及體積上亦可有效地節省，以真正實現一台伺服驅動器控制多台伺服馬達的使用目的與功效。其次，本發明更在該電源單元的輸出端上接設有剎車回充單元，以使得伺服馬達操作在減速狀態，利用充電原理將電流回充至電源單元，達到節能之使用目的，使兼具有環保效益。

本發明前述實施例雖是列舉運用在工具機上，當然也可運用 於各式機具上，其運用模式相同，此不再多加說明。

10‧‧‧主控制單元

20‧‧‧電源單元

21‧‧‧主電源

22‧‧‧控制電源

30‧‧‧伺服驅動模組

31‧‧‧通訊介面單元

311‧‧‧通訊序列匯流排

312‧‧‧序列傳輸埠

313‧‧‧序列傳輸埠

314‧‧‧序列傳輸埠

32‧‧‧輸入/輸出單元

321‧‧‧端部

33‧‧‧微處理單元

34‧‧‧場域可編程閘陣列

35‧‧‧電流控制模組

351‧‧‧智慧型功率模組

352‧‧‧電流感測器

36‧‧‧切換開關

361‧‧‧第一接點

362‧‧‧第二接點

37‧‧‧剎車回充單元

40‧‧‧伺服馬達

50‧‧‧伺服馬達

Claims (6)

1. 一種伺服馬達驅動器，供接設至少二個伺服馬達，且接受一主控制單元的訊號後而能驅動任一伺服馬達作動，進而使前述伺服馬達以非同步方式啟動各自的受控體，該種驅動器包含一主控制單元、一電源單元及至少一伺服驅動模組：該電源單元，用以供給以下各單元所需之電力；該伺服驅動模組，包含一通訊介面單元、一輸入/輸出單元、一微處理單元、一場域可編程閘陣列、一電流控制單元及一切換單元；該通訊介面單元，電連接在該主控制單元和該微處理單元之間，用以作序列式雙向傳輸資料；該輸入/輸出單元，電連接在該主控制單元和該場域可編程閘陣列之間，用以作數位/類比資料之雙向傳遞；該場域可編程閘陣列，根據該等伺服馬達的旋轉角度與轉速資料，轉換成數位旋轉角度資料與數位轉速資料，以返送至該微處理單元作運算處理；該微處理單元，與該通訊介面單元和該場域可編程閘陣列電連接，並根據來自於該主控制單元的速度、位置及扭矩命令資料，以及建入於該場域可編程閘陣列之該伺服馬達的旋轉角度及轉速資料，運算出數位載波訊號，用以非同步操控該等伺服馬達運轉；該電流控制單元，包含一智慧型功率模組及一用以檢測電流量的電流感測器，該智慧型功率模組接收來自於該微處理單元輸出的數位載波電流資料，作電流功率放大處理，用以啟動該等伺服馬達之運作； 該切換單元，根據前述微處理單元的命令資料，驅使該智慧型功率模組控制該切換單元切換至其中一接點，進而啟動其中一個伺服馬達運轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器，其中，該電源單元具有一主電源及一受電於該主電源的控制電源，該主電源供給交流電給該智慧型功率模組，該控制電源則供給直電流該微處理單元及該場域可編程閘陣列。
3. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器，其中，更包含一剎車回充單元，接設在該電源單元的輸出端，當該伺服馬達操作在減速狀態，能將電流回充至該電源單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器，其中，該通訊介面單元有一通訊序列匯流排(USB)、一RS232C序列傳輸埠、一RS485序列傳輸埠及一RS422序列傳輸埠，而該通訊介面單元還可連接至乙太網路及其它工業控制網路介面，如Mechatrolink、EtherCAT、CANbus等。
5. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器，其中，該切換單元為接點開關、無接點開關之任一種。
6. 一種伺服馬達驅動器，供接設至少二個伺服馬達，且接受一主控單元的訊號後而能驅動任一伺服馬達作動，進而使工具機之機具產生相對順序動作的關係，該種驅動器包含一主控制單元、一電源單元及至少一伺服驅動模組：該電源單元，用以供給以下各單元所需之電力；該伺服驅動模組，包含一通訊介面單元、一輸入/輸出單元、一微處 理單元、一場域可編程閘陣列、一電流控制單元及一切換單元；該通訊介面單元，電連接在該主控制單元和該微處理單元之間，用以作序列式雙向傳輸資料；該輸入/輸出單元，電連接在該主控制單元和該場域可編程閘陣列之間，用以作數位/類比資料之雙向傳遞；該場域可編程閘陣列，根據該等伺服馬達的旋轉角度與轉速資料，轉換成數位旋轉角度資料與數位轉速資料，以返送至該微處理單元作運算處理；該微處理單元，與該通訊介面單元和該場域可編程閘陣列電連接，並根據來自於該主控制單元的速度、位置及扭矩命令資料，以及建入於該場域可編程閘陣列之該伺服馬達的旋轉角度及轉速資料，運算出數位載波訊號，用以非同步操控該等伺服馬達運轉；該電流控制單元，包含一智慧型功率模組及一用以檢測電流量的電流感測器，該智慧型功率模組接收來自於該微處理單元輸出的數位載波電流資料，作電流功率放大處理，用以啟動該等伺服馬達之運作；該切換單元，根據前述微處理單元的命令資料，驅使該智慧型功率模組控制該切換單元切換至其中一接點，進而啟動其中一個伺服馬達運轉。