專利名稱：通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，特別涉及一種適用于有刷直流電機和無刷直流電機控制的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代伺服控·制技術(shù)的發(fā)展，電機伺服控制系統(tǒng)對直流電機伺服驅(qū)動器的設(shè)計要求越來越高，在設(shè)計伺服驅(qū)動器時不僅要求高集成度、高控制精度、高可靠性、小體積，同時兼顧系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)字化和經(jīng)濟成本。傳統(tǒng)的全數(shù)字直流電機驅(qū)動器設(shè)計具有單一性，需要根據(jù)被控對象分別設(shè)計有刷直流電機驅(qū)動器和無刷直流電機驅(qū)動器，這就使得伺服驅(qū)動器的通用性降低，限制了伺服驅(qū)動器的應(yīng)用場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠同時滿足有刷直流電機和無刷直流電機應(yīng)用場合控制需要的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器包括控制器模塊和功率驅(qū)動模塊；所述控制器模塊包括微型控制器單元、可編程邏輯處理單元、人機接口單元和第一反饋信號接收單元；第一反饋信號接收單元包括差分信號轉(zhuǎn)換電路和霍爾信號接口電路；功率驅(qū)動模塊包括磁耦隔離放大單元和智能IPM功率驅(qū)動單元；可編程邏輯處理單元通過差分信號轉(zhuǎn)換電路與有刷直流電機或無刷直流電機的編碼器信號接口連接，通過霍爾信號接口電路與無刷直流電機的霍爾傳感器連接；差分信號轉(zhuǎn)換電路將電機編碼器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-6路差分/[目號轉(zhuǎn)換為A、B、Z 二路脈沖/[目號；可編程邏輯處理單兀接收A、B、Z三路脈沖信號并進(jìn)行計數(shù)，通過霍爾信號接口電路捕捉來自無刷直流電機霍爾傳感器接口的信號并進(jìn)行換向處理；微型控制器單元通過人機接口單元接收來自上位機的控制指令，并根據(jù)控制指令和來自可編程邏輯處理單元的編碼器計數(shù)值計算數(shù)字控制量，可編程邏輯處理單元讀取微型控制器單元的數(shù)字控制量并比較產(chǎn)生PWM控制信號；智能IPM功率驅(qū)動單元具有U、V、W三個接線端子；可編程邏輯處理單元產(chǎn)生的PWM控制信號經(jīng)過磁耦隔離放大單元輸出，驅(qū)動智能IPM功率驅(qū)動單元上、下橋臂的開關(guān)信號，從而調(diào)節(jié)加在電機兩端的電壓大小，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制。本發(fā)明中可編程邏輯處理單元可通過霍爾信號接口電路與無刷直流電機的霍爾傳感器連接，進(jìn)行換向處理；智能IPM功率驅(qū)動單元具有U、V、W三個接線端子，可以通過U、V兩個接線端子與有刷直流電機連接，也可以通過U、V、W三個接線端子與無刷直流電機連接，因而能夠適用于有刷直流電機和無刷直流電機的控制場合，實現(xiàn)了伺服控制的全數(shù)字化，具有集成度高、通用性強、控制靈活的特點。所述人機接口單元包括串口擴展芯片、RS232接口電路和RS422接口電路；微型控制器單元與串口擴展芯片連接，串口擴展芯片通過RS232接口電路、RS422接口電路與上位機連接，為微型控制器單元與上位機的全雙工通信提供通道。
所述控制器模塊還包括液晶顯示屏；液晶顯示屏與微型控制器單元連接，用于實時顯示伺服控制系統(tǒng)當(dāng)前的角位置、角速度以及系統(tǒng)運行狀態(tài)等控制信息；所述控制器模塊還包括編碼器接口，微型控制器單元通過編碼器接口與電機編碼器計數(shù)電路連 接，微型控制器單元根據(jù)接收的來自編碼器計數(shù)電路的碼值反饋信號和來自上位機的控制指令計算數(shù)字控制量。因此本發(fā)明不僅適用于帶有編碼器計數(shù)電路的電機控制，也適用于自身不帶有編碼器計數(shù)電路的電機控制。所述控制器模塊還包括電流傳感器單元和電流檢測單元；電流傳感器單元由兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM組成，兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM檢測智能IPM功率驅(qū)動單元輸出的兩相電流信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，電流檢測單元將兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為微型控制器單兀AD模塊可以米集的(T5V電壓；微型控制器單元利用電流檢測單元檢測到的電流采樣值、讀取的編碼器計數(shù)值和來自上位機的控制指令執(zhí)行控制器算法并輸出數(shù)字控制量到可編程邏輯處理單元。所述控制器模塊還包括故障檢測電路；智能IPM功率驅(qū)動單元通過故障檢測電路將檢測故障信號反饋到可編程邏輯處理單元，由可編程邏輯處理單元進(jìn)行故障處理。微型控制器單元通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線讀取可編程邏輯處理單元的編碼器計數(shù)值，利用電流檢測單元檢測到的電流采樣值、讀取的編碼器計數(shù)值和來自上位機的控制指令執(zhí)行控制器算法并通過上述總線輸出數(shù)字控制量到可編程邏輯處理單元，可編程邏輯處理單元根據(jù)讀取的數(shù)字控制量比較產(chǎn)生PWM控制信號。所述功率驅(qū)動模塊還包括電源輸入單元；電源輸入單元包括直流輸入接口、單相交流輸入接口、整流濾波電路，直流輸入接口直流電壓的正極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的P端，負(fù)極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的N端；單相交流輸入接口通過整流濾波電路連接到智能IPM功率驅(qū)動單元。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖I為本發(fā)明的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器由控制器模塊和功率驅(qū)動模塊兩大部分組成?？刂破髂K包括微型控制器單元、可編程邏輯處理單元、人機接口單元、液晶顯示屏、第一反饋信號接收單元、第二反饋信號接收單元以及電流傳感器單元、電流檢測單元和故障檢測電路。功率驅(qū)動模塊包括磁耦隔離放大單元、智能IPM功率驅(qū)動單元和電源輸入單元。控制器模塊的微型控制器單元是全數(shù)字伺服控制器的核心，與液晶顯示屏、第二反饋信號接收單元、人機接口單元、可編程邏輯處理單元、電流檢測單元相連接。它通過第二反饋信號接收單元接收來自直流電機編碼器的計數(shù)碼值反饋信號，通過人機接口單元接收來自上位機的控制指令，并控制液晶顯示屏實時顯示控制信息，同時通過AD接口采集來自電流檢測單元的電流，完成控制算法的計算和向可編程邏輯處理單元輸出數(shù)字控制量。液晶顯示屏實時顯示電機伺服控制系統(tǒng)當(dāng)前的角位置、角速度以及系統(tǒng)運行狀態(tài)等控制信息。第二反饋信號接收單元包括兩個編碼器接口，微型控制器單元通過兩個編碼器接口與直流電機的編碼器計數(shù)電路連接，接收來自直流電機編碼器的計數(shù)碼值反饋信號。控制器模塊的人機接口單元包括串口擴展芯片、RS232接口電路和RS422接口電路。微型控制器單元與串口擴展芯片連接，串口擴展芯片通過RS232接口電路和RS422接口電路與上位機連接；擴展的串口為微型控制器與上位機的全雙工通信提供了通道。控制器模塊的可編程邏輯處理單元與第一反饋信號接收單元、故障檢測電路、磁耦隔離放大單元相連接，它主要負(fù)責(zé)協(xié)同微型控制器單元進(jìn)行通信并完成PWM控制信號的產(chǎn)生和輸出，通過第二反饋信號接收單元接收來自直流電機(包括有刷直流電機和無刷直 流電機)編碼器信號接口的脈沖信號并進(jìn)行計數(shù)，捕捉來自直流電機霍爾傳感器接口的信號并進(jìn)行換向處理，檢測來自智能IPM功率驅(qū)動單元的故障信號并進(jìn)行及時的故障處理。第二反饋信號接收單元包括差分信號轉(zhuǎn)換電路和霍爾信號接口電路；差分信號轉(zhuǎn)換電路將直流電機編碼器輸出的差分信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z三路脈沖信號，并送給可編程邏輯處理單元；霍爾信號接口電路檢測無刷直流電機換向信號并將其送給可編程邏輯處理單元，由可編程邏輯處理單元進(jìn)行換向處理?？刂破髂K的電流傳感器單元的輸入接智能IPM功率驅(qū)動單元的U、V兩個接線端子，輸出接電流檢測單元的輸入，電流檢測單元的輸出接微型控制器單元的AD采樣接口 ；智能IPM功率驅(qū)動單元的輸出接故障檢測電路的輸入，故障檢測電路的輸出接可編程邏輯處理單元的引腳。智能IPM功率驅(qū)動單元輸出的電流值經(jīng)電流傳感器單元和電流檢測單元反饋給微型控制器單元，用于完成電流信號的調(diào)理；故障檢測電路檢測故障信號并將其反饋到可編程邏輯處理單元，由可編程邏輯處理單元進(jìn)行及時的故障處理。功率驅(qū)動模塊的磁耦隔離放大單元的輸入與編程邏輯處理單元的PWM輸出相連接，它的輸出連接到智能IPM功率驅(qū)動單元的控制信號端。功率驅(qū)動模塊的智能IPM功率驅(qū)動單元內(nèi)部集成了過壓、欠壓、短路、過熱等故障檢測電路，簡化了外圍電路設(shè)計和增強了系統(tǒng)的可靠性。電流傳感器單元由兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM組成，無論是有刷直流電機還是無刷直流電機，只需檢測其中的兩相電壓即可。本發(fā)明用于驅(qū)動有刷直流電機時，智能IPM功率驅(qū)動單元通過U、V兩個接線端子與有刷直流電機連接；用于驅(qū)動無刷直流電機時，智能IPM功率驅(qū)動單元通過U、V、W三個接線端子與無刷直流電機連接。功率驅(qū)動模塊的電源輸入單元由直流輸入接口、單相交流輸入接口、整流濾波電路組成，直流電壓的正極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的P端，負(fù)極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的N端。單相交流輸入接口通過整流濾波電路連接到智能IPM功率驅(qū)動單元?？梢愿鶕?jù)電機的型號選擇電源輸入的類型。有刷直流電機不用霍爾信號接口 ；無刷直流電機U、V、W三個接線端子需要電子換向，在可編程邏輯處理單元中通過邏輯處理實現(xiàn)換向。有刷直流電機不需要換向，只需要調(diào)壓調(diào)速，因此不需要霍爾信號接口。所述的控制器模塊的微型控制器單元主要是由單片機芯片C8051F120組成，它通過自身的兩路串口 UARTO、UARTl接收來自電機編碼器計數(shù)板的碼值；利用GPI07端口擴展的兩路UART實現(xiàn)與上位機的通信；通過GPI05、GPI06端口控制液晶顯示屏實時顯示控制信息；采用GPI01、GPI02、GPI03端口實現(xiàn)與可編程邏輯處理單元(CPLD)的通信，同時控制系統(tǒng)的算法也在單片機內(nèi)實現(xiàn)。所述的控制器模塊的可編程邏輯處理單元是由CPLD芯片EPM570T100C5組成，利用CPLD的強大邏輯處理能力可以完成控制信號PWM的產(chǎn)生，檢測來自故障檢測電路的故障信號從而對PWM輸出進(jìn)行鎖存，接收來自電機編碼器的脈沖信號并進(jìn)行計數(shù)等功能。所述控制器模塊的兩個編碼器接口采用MAX3074/S0電平轉(zhuǎn)換芯片，微型控制器單元通過MAX3074/S0電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)RS422通信，接收電機編碼器計數(shù)電路的碼值。液晶顯示屏采用160X160全圖形點陣式液晶顯示模塊，用于顯示角位置、角速度、系統(tǒng)運行狀態(tài)等參數(shù)；串口擴展芯片采用TL16C752芯片，用于擴展兩路串口通信，實現(xiàn)微型控制器單元與上位機的全雙工通信。 所述差分信號轉(zhuǎn)換電路采用SP489芯片，將來自電機編碼器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-6路差分信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z三路信號，以便CPLD進(jìn)行脈沖計數(shù)。所述的功率驅(qū)動模塊的智能IPM功率驅(qū)動單元采用了智能PS21A79功率模塊，該模塊內(nèi)部封裝了 6個IGBT，內(nèi)部集成了過壓、欠壓、短路、過熱等故障檢測電路，模塊的容量達(dá)到600V/50A，可滿足大多數(shù)應(yīng)用場合。所述的功率驅(qū)動模塊的電流傳感器單元采用兩個多極電流傳感器LTS25-NP，用于高精度的檢測電機電流。所述的功率驅(qū)動模塊的電源輸入單元由交流輸入和直流輸入兩部分組成，交流輸入由整流、濾波環(huán)節(jié)組成，可為大功率直流電機提供電源；直流輸入是由外部電源直接提供的。直流電壓的正極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的P端，負(fù)極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的N端。所述的功率驅(qū)動模塊的電機接口單元由有刷直流電機接口和無刷直流電機接口組成，有刷直流電機接口的兩個端子分別接IPM功率輸出模塊的U相和V相，無刷直流電機接口的三個端子分別接IPM功率輸出的U相、V相和W相。
全數(shù)字伺服直流電機驅(qū)動器的具體工作原理每隔一個采樣周期單片機通過AD接口采集電流信號，同時通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線讀取CPLD的編碼器計數(shù)值，利用電流采樣值和讀取的計數(shù)碼值執(zhí)行控制器算法并通過上述總線輸出數(shù)字控制量到CPLD，CPLD根據(jù)讀取的數(shù)字控制量比較產(chǎn)生PWM控制信號，然后控制信號經(jīng)過磁耦隔離放大單元輸出，驅(qū)動智能IPM功率驅(qū)動單元上、下橋臂的開關(guān)信號，從而調(diào)節(jié)加在電機兩端的電壓大小，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制。本發(fā)明不限于上述實施方式，微型控制器單元、可編程邏輯處理單元、智能IPM功率驅(qū)動單元等還可以采用其他型號。
權(quán)利要求
1.一種通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于包括控制器模塊和功率驅(qū)動模塊；所述控制器模塊包括微型控制器單元、可編程邏輯處理單元、人機接口單元和第一反饋信號接收單元；第一反饋信號接收單元包括差分信號轉(zhuǎn)換電路和霍爾信號接口電路；功率驅(qū)動模塊包括磁耦隔離放大單元和智能IPM功率驅(qū)動單元；可編程邏輯處理單元通過差分信號轉(zhuǎn)換電路與有刷直流電機或無刷直流電機的編碼器信號接口連接，通過霍爾信號接口電路與無刷直流電機的霍爾傳感器連接；差分信號轉(zhuǎn)換電路將電機編碼器的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-6路差分信號轉(zhuǎn)換為A、B、Z三路脈沖信號；可編程邏輯處理單元接收A、B、Z三路脈沖信號并進(jìn)行計數(shù)，通過霍爾信號接口電路捕捉來自無刷直流電機霍爾傳感器接口的信號并進(jìn)行換向處理；微型控制器單元通過人機接口單元接收來自上位機的控制指令，并根據(jù)控制指令和來自可編程邏輯處理單元的編碼器計數(shù)值計算數(shù)字控制量，可編程邏輯處理單元讀取微型控制器單元的數(shù)字控制量并比較產(chǎn)生PWM控制信號；智能IPM功率驅(qū)動單元具有U、V、W三個接線端子；可編程邏輯處理單元產(chǎn)生的PWM控制信號經(jīng)過磁耦隔離放大單元輸出，驅(qū)動智能IPM功率驅(qū)動單元上、下橋臂的開關(guān)信號，從而調(diào)節(jié)加在電機兩端的電壓大小，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述人機接口單元包括串口擴展芯片、RS232接口電路和RS422接口電路；微型控制器單元與串口擴展芯片連接，串口擴展芯片通過RS232接口電路、RS422接口電路與上位機連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述控制器模塊還包括液晶顯示屏；液晶顯示屏與微型控制器單元連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述控制器模塊還包括編碼器接口，微型控制器單元通過編碼器接口與電機編碼器計數(shù)電路連接，微型控制器單元根據(jù)接收的來自編碼器計數(shù)電路的碼值反饋信號和來自上位機的控制指令計算數(shù)字控制量。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述控制器模塊還包括電流傳感器單元和電流檢測單元；電流傳感器單元由兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM組成，兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM檢測智能IPM功率驅(qū)動單元輸出的兩相電流信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，電流檢測單元將兩個電流轉(zhuǎn)電壓檢測傳感器LEM輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為微型控制器單元AD模塊可以采集的(T5V電壓；微型控制器單元利用電流檢測單元檢測到的電流采樣值、讀取的編碼器計數(shù)值和來自上位機的控制指令執(zhí)行控制器算法并輸出數(shù)字控制量到可編程邏輯處理單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述控制器模塊還包括故障檢測電路；智能IPM功率驅(qū)動單元通過故障檢測電路將檢測故障信號反饋到可編程邏輯處理單元，由可編程邏輯處理單元進(jìn)行故障處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述功率驅(qū)動模塊還包括電源輸入單元；電源輸入單元包括直流輸入接口、單相交流輸入接口、整流濾波電路，直流輸入接口直流電壓的正極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的P端，負(fù)極性端接智能IPM功率驅(qū)動單元的N端；單相交流輸入接口通過整流濾波電路連接到智能IPM功率驅(qū)動單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述微型控制器單元為單片機芯片C8051F120 ;可編程邏輯處理單元采用CPLD芯片EPM570T100C5。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于所述串口擴展芯片采用TL16C752芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，其特征在于智能IPM功率驅(qū)動單元采用智能PS21A79功率模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通用全數(shù)字直流電機伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器的可編程邏輯處理單元通過差分信號轉(zhuǎn)換電路接收電機編碼器的脈沖信號并進(jìn)行計數(shù)，通過霍爾信號接口電路捕捉電機霍爾傳感器接口信號并進(jìn)行換向處理；微型控制器單元通過人機接口單元接收上位機的控制指令，并根據(jù)控制指令和編碼器計數(shù)值計算數(shù)字控制量，可編程邏輯處理單元根據(jù)讀取的數(shù)字控制量產(chǎn)生PWM控制信號；PWM控制信號經(jīng)過磁耦隔離放大單元輸出到驅(qū)動智能IPM功率驅(qū)動單元從而調(diào)節(jié)加在電機兩端的電壓大小，實現(xiàn)直流電機的閉環(huán)控制。本發(fā)明能夠適用于有刷直流電機和無刷直流電機的控制場合，實現(xiàn)了伺服控制的全數(shù)字化，具有集成度高、通用性強、控制靈活的特點。
文檔編號H02P7/18GK102801379SQ20121028105
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者李洪文, 鄧永停, 王建立 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所