一種基于分段pi控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，涉及一種基于分段pi控制的低壓直 流伺服驅(qū)動(dòng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器 人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械，比如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、自 動(dòng)流水線等。目前國(guó)內(nèi)伺服市場(chǎng)是以外資品牌為主，主要來(lái)自日本、歐洲和美國(guó)品牌，占據(jù) 份額達(dá)到76.8%，內(nèi)資品牌占23.2%，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。
[0003] 相比于工業(yè)用伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)，軍用級(jí)伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)具有產(chǎn)品需求訂制化、競(jìng)爭(zhēng)相 對(duì)較少、國(guó)產(chǎn)化要求等特點(diǎn)，同時(shí)，軍用級(jí)伺服驅(qū)動(dòng)器要求具有更高的可靠性，能滿(mǎn)足更苛 刻的使用環(huán)境和性能要求。據(jù)調(diào)研，在特種工控及軍事工業(yè)中，由于其應(yīng)用環(huán)境惡劣，往往 要求產(chǎn)品具有較高的環(huán)境適應(yīng)性，而類(lèi)似的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品較少，其原因如下：1、國(guó)外產(chǎn)品眾 多，但對(duì)國(guó)內(nèi)仍實(shí)行技術(shù)封鎖，即使通過(guò)特殊途徑能采購(gòu)到軍工級(jí)產(chǎn)品，其后續(xù)保障也存在 風(fēng)險(xiǎn)；2、國(guó)內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，現(xiàn)有產(chǎn)品普遍存在價(jià)格昂貴、功能單一、體積大等缺 點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種體積小、環(huán)境適應(yīng) 性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和可靠性高的基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器。
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明是一種基于 分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其特點(diǎn)是： 該伺服驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)包含三個(gè)控制回路：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，該伺服驅(qū)動(dòng)器 在接收到上位機(jī)的使能信號(hào)后，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)工作模式，由A/D轉(zhuǎn)換電路或通訊接口量化上位機(jī) 的位置、速度或力矩電流信號(hào)，作為位置環(huán)、速度環(huán)或電流環(huán)的輸入信號(hào)，控制M0SFET逆變 電路輸出以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī);同時(shí)由增量編碼器及電流采樣電路檢測(cè)角度、速度、電流數(shù)據(jù)作 為三環(huán)的反饋信號(hào)，DSP處理器根據(jù)命令數(shù)據(jù)及反饋數(shù)據(jù)的PI控制算法控制M0SFET驅(qū)動(dòng)電 路輸出以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī);在M0SFET驅(qū)動(dòng)電路前端加入邏輯處理電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn) M0SFET逆變電路驅(qū)動(dòng)保護(hù)和PWM邏輯電平保護(hù)。
[0006] 本發(fā)明所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案是:該伺服驅(qū)動(dòng)器的電路主要包括電源單元、主控單元、逆變單元、信號(hào)調(diào)理單元、電機(jī) 速度及角度測(cè)量單元、故障保護(hù)單元和通訊單元。
[0007] 本發(fā)明所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案是:各單元電路具體為： a)電源單元 包括主控制5V電源、12V驅(qū)動(dòng)電源兩部分； 主控制5V電源電路用于產(chǎn)生控制電路工作所需的電源供給； 12V驅(qū)動(dòng)電源電路用于產(chǎn)生MOSFET驅(qū)動(dòng)電路所需的電源供給； 伺服驅(qū)動(dòng)器電源單元輸入端設(shè)有濾波電容以及由單向?qū)щ姸O管、TVS、壓敏電阻、電 感組成的浪涌保護(hù)電路； b) 主控單元 主控單元主要包括DSP信號(hào)處理器電路； DSP信號(hào)處理器電路主要完成指令接受、各種信號(hào)采集、PWM信號(hào)生成、輸出力矩控制、 速度跟蹤控制、故障處理任務(wù)； c) 逆變單元 逆變單元主要包括MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、MOSFET逆變電路及故障信號(hào)檢測(cè)電路； MOSFET驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)； MOSFET逆變電路主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制； 故障信號(hào)檢測(cè)電路主要用于逆變過(guò)程中電流電壓等易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)故障的信號(hào)進(jìn)行反饋 處理的電路； d) 信號(hào)調(diào)理單元 信號(hào)調(diào)理單元主要包括三相電流采樣電路、直流母線電壓采樣電路、模擬輸入接口電 路及I/O信號(hào)接口電路； 調(diào)理電路對(duì)各種模擬輸入信號(hào)進(jìn)行濾波、歸一化處理后送AD芯片采樣和DSP的AD輸入P; 調(diào)理電路對(duì)各種I/O信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離處理輸入輸出DSP; e) 電機(jī)速度及角度測(cè)量單元 電機(jī)速度及角度測(cè)量單元提供標(biāo)準(zhǔn)差分增量輸入接口； f) 故障保護(hù)單元 故障保護(hù)單元主要包括MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、制動(dòng)保護(hù)輸出、PWM信號(hào)邏輯保護(hù)； g) 通訊單元 提供RS232、CAN兩組通訊接口，可配置為與上位機(jī)通訊，用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)， 并用于數(shù)字位置控制、速度控制或力矩電流控制模式。
[0008] 本發(fā)明所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案是:輸入工作主電源范圍為7.5V~59V，額定功率為960W;濾波電容以及浪涌保護(hù)電路在 伺服驅(qū)動(dòng)器器件外圍實(shí)現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案是:所述的伺服驅(qū)動(dòng)器提供RS232、CAN兩種通訊接口，用于系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測(cè);伺 服驅(qū)動(dòng)器的硬件接口包括：電源接口、電機(jī)接口、通訊接口、模擬接口、數(shù)字接口、編碼器接 □〇
[0010] 本發(fā)明所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案是:所述的伺服驅(qū)動(dòng)器的印制板設(shè)計(jì)為兩層即上層控制板與下層功率板，上層控制板 與下層功率板之間通過(guò)插針連接及固定，插針與印制板間連接采用焊接方式;功率板上面 裝有6個(gè)MOSFET模塊，分裝在兩條平行線上，與之相對(duì)應(yīng)的底面設(shè)計(jì)有左右兩條散熱焊條， 它們之間通過(guò)多層覆銅散熱，同時(shí)散熱焊條通過(guò)回流焊的方式與底部散熱板相連。
[0011] 本發(fā)明所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器，其進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù) 方案是:所述的伺服驅(qū)動(dòng)器外殼采用ΡΡ0塑料通過(guò)注塑成型的方式做成盒狀卡于散熱板上， 其中散熱板材料為鋁，表層鍍鎳;外殼、控制板及功率板上各預(yù)留2個(gè)灌封口，裝配時(shí)先進(jìn)行 上下兩板通過(guò)插針的焊接連接，再與底部散熱板焊接連接，最后再卡上塑料外殼，裝配完畢 后，進(jìn)行灌膠處理。
[0012] 本發(fā)明主要包含的三個(gè)控制回路，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，均采用PI調(diào)節(jié)器。電 流環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié);速度環(huán)用于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置環(huán)用于位置定位控制， 適當(dāng)設(shè)置其PI參數(shù)，可以有效增強(qiáng)調(diào)速系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力。系統(tǒng)采用帶霍爾傳感器的 增量編碼器來(lái)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置，分別用于轉(zhuǎn)速及位置閉環(huán)控制;采用小電阻分壓來(lái) 獲取電機(jī)三相電流，用于電流環(huán)的控制。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是:硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，體積小，維護(hù)方便，調(diào)速范 圍較寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和可靠性高等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1本發(fā)明驅(qū)動(dòng)器工作原理框圖； 圖2浪涌保護(hù)電路示意圖； 圖3主中斷程序流程框圖；圖4一6為圖3的局部放大圖； 圖7PWM邏輯保護(hù)電路示意圖； 圖8制動(dòng)電路原理框圖； 圖9電壓比較器電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0016] 實(shí)施例1，參照?qǐng)D1，一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器： 該伺服驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)包含三個(gè)控制回路：電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，該伺服驅(qū)動(dòng)器 在接收到上位機(jī)的使能信號(hào)后，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)工作模式，由A/D轉(zhuǎn)換電路或通訊接口量化上位機(jī) 的位置、速度或力矩電流信號(hào)，作為位置環(huán)、速度環(huán)或電流環(huán)的輸入信號(hào)，控制M0SFET逆變 電路輸出以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī);同時(shí)由增量編碼器及電流采樣電路檢測(cè)角度、速度、電流數(shù)據(jù)作 為三環(huán)的反饋信號(hào)，DSP處理器根據(jù)命令數(shù)據(jù)及反饋數(shù)據(jù)的PI控制算法控制M0SFET驅(qū)動(dòng)電 路輸出以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī);在M0SFET驅(qū)動(dòng)電路前端加入邏輯處理電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn) M0SFET逆變電路驅(qū)動(dòng)保護(hù)和PWM邏輯電平保護(hù)。
[0017] 實(shí)施例2,實(shí)施例1所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器中：該伺服 驅(qū)動(dòng)器的電路主要包括電源單元、主控單元、逆變單元、信號(hào)調(diào)理單元、電機(jī)速度及角度測(cè) 量單元、故障保護(hù)單元和通訊單元。
[0018] 實(shí)施例3,實(shí)施例2所述的一種基于分段PI控制的低壓直流伺服驅(qū)動(dòng)器中，各單元 電路具體為： a)電源單元 包括主控制5V電源、12V驅(qū)動(dòng)電源兩部分； 主控制5V電源電路用于產(chǎn)生控制電路工作所需的電源供給； 12V驅(qū)動(dòng)電源電路用于產(chǎn)生MOSFET驅(qū)動(dòng)電路所需的電源供給； 伺服驅(qū)動(dòng)器電源單元輸入端設(shè)有濾波電容以及由單向?qū)щ姸O管、TVS、壓敏電阻、電 感組成的浪涌保護(hù)電路； b) 主控單元 主控單元主要包括DSP信號(hào)處理器電路； DSP信號(hào)處理器電路主要完成指令接受、各種信號(hào)采集、PWM信號(hào)生成、輸出力矩控制、 速度跟蹤