集成式伺服驱动器的制作方法

本发明涉及压力机控制技术领域，具体涉及一种集成式伺服驱动器。

背景技术：

近年来，伺服压力机已广泛应用于冲压行业。不同于传统机械压力机，伺服压力机由伺服电机通过机械传动机构带动滑块上下运行，通过对工件进行灵活的冲压操作而完成材料成形加工。与传统压力机相比，伺服压力机的冲压过程可以灵活控制、精度高、能耗低，是压力机的发展方向。

目前，伺服压力机在全部压力机中所占的比例，欧美国家已达到了80%左右，国内尚不足10%。特别是在300吨以下的中小型压力机领域，国内虽然已经进行了大量的研发和生产尝试，但是伺服压力机一直未能大范围推广。其主要原因在于成本：同吨位伺服压力机通常是传统机械压力机价格的2到3倍，而国内中小型压力机用户对成本承受能力低。

伺服压力机相对于传统压力机成本增加部分在于电驱系统。现有技术中的伺服压力机控制系统由多个相互分离的模块组成，各模块之间通过总线和电缆连接。

首先，这些总线接口和电缆带来硬件成本增加，进行总线互联也需要投入研发、调试和安装成本。

其次，整个系统有功能冗余。上述系统中都有至少一个主要控制器和一个伺服控制器，每个控制器模块中都有复杂的数字运算单元。这些模块都有大量的等待和低效率运行期间。例如，在伺服压力机生产参数设置时，中央控制器进行大量运算，而驱动控制器处于待机状态；反之，在伺服压力机进行自动化生产时，中央控制器相对轻载，而驱动控制器处于满载运行状态。这种对计算资源不能充分利用的情况导致成本的提高。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种集成式伺服驱动器，大大减小伺服压力机控制系统的模块数量，提高控制器中硬件资源的利用率，并减少模块互联资源，能够降低中小型伺服压力机的产品成本和价格。

本发明是通过如下技术方案实现的：

提供一种集成式伺服驱动器，包括主电路和控制电路，控制电路设有中央控制器并通过内部接口与主电路连接；

主电路包括与电网连接的整流逆变模块，以及与伺服电机连接的驱动模块，整流逆变模块与驱动模块之间通过直流母线连接，直流母线上通过引出接口分别连接有电能缓冲模块和制动模块；

控制电路包括至少两个用来与外部设备进行通信的现场数据总线接口，还包括编码器接口、压力机信号处理的输入输出接口，以及扩展功能接口；

其中：

整流逆变模块：用于将来自电网的交流电转换为直流电，并在伺服电机制动时将直流母线上的电能转换为交流电回馈到电网中；

驱动模块：用于将直流母线上的直流电转换为驱动伺服电机运转的交流电，也能够将伺服电机制动时产生的电能转换为直流电输送到直流母线上；

电能缓冲模块：用于电能的临时存储，在电网和伺服电机之间的电能转换过程中起缓冲作用；

制动模块：连接有制动电阻，用于在整流逆变模块不能将直流母线上的电能及时回馈电网时，提供一个额外的电能泄放通路。

集成式伺服驱动器包含控制电路和主电路，控制电路通过内部接口与主电路相连，用来对主电路进行控制和监视，具体是指与主电路的整流逆变模块和驱动模块连接。

其中控制电路包含中央处理器（cpu），负责运行驱动器的全部软件，实现伺服驱动器的各种计算和控制功能。控制电路另外包含多个对外接口，至少包含两个现场数据总线，用来与其它外部设备进行通信，如机械手控制器、用户操作面板、触摸屏等，或者对本伺服驱动器的输入输出接口进行扩展，如可连接扩展输入输出模块、压力测量设备、编码器、上下料设备等。

控制电路另外配备若干编码器接口，可以用于与压力机不同位置的编码器连接，控制电路中另外有若干个输入输出接口，用来与少量外部设备相连，处理与压力机相关的工作信号，例如继电器动作、阀门状态、按钮输入、指示灯输出等。控制电路中另外还有扩展功能接口，用来与其它不同电气设备相连，如急停、报警、输入输出等。

进一步的，所述的现场数据总线接口中的一个接口采用数据电缆与可进行压力机参数设置并显示压力机工作状态的触摸屏连接。

触摸屏通过数据电缆与现场数据总线接口连接，可以通过触摸屏设置压力机参数，及显示压力机的工作状态，实现对压力机的操作控制。

更进一步的，所述的现场总线接口中的另一个接口采用数据电缆与连接按钮操作盘的输入输出模块连接。

按钮操作盘用于接收操作人员的按钮指令，并通过指示灯进行状态显示，按钮指令通过输入输出模块反馈给控制电路，由控制电路对压力机进行控制。

进一步的，所述的输入输出模块包括输入模块和输出模块，输入模块与压力机的传感器连接，输出模块与压力机的执行器连接。

输入模块通过压力机上的传感器采集信号，由输出模块通过压力机上对应的执行器进行动作执行，实现了自动化控制。

作为优选，所述的电能缓冲模块为电容器、电容柜和飞轮储能设备中的一种或几种组合。

通过直流母线引出接口外接电容器、电容柜或飞轮储能设备，用于电能的临时存储，在电网和伺服电机之间的电能转换过程中起缓冲作用，以便减小制动电阻上的能量消耗，提高系统能源效率。

本发明的有益效果：

一、和现有伺服驱动器相比，本发明的集成式伺服驱动器将原先分散于压力机控制系统中多个模块的功能包含进来，从而大大减小伺服压力机控制系统的模块数量，提高控制器中硬件资源的利用率，并减少模块互联资源，能够降低中小型伺服压力机的产品成本和价格。而价格过高是国内小型伺服压力机未能得到普及的主要问题。

二、本发明降低了控制系统整体复杂度，提高了伺服压力机控制系统的可靠性。

三、本发明提出一种专门针对标称压力在300吨以下中小型机械伺服压力机的集成式伺服驱动器，这种压力机只用一台伺服电机即可产生足够压力。本发明目的是降低这种压力机的成本，解决因为价格过高而导致的国内此类压力机不能被市场接受的问题。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图；

图2为本发明的软件结构示意图；

图3为本发明应用于机械式曲柄连杆式伺服压力机的结构示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种集成式伺服驱动器，包括主电路和控制电路，控制电路设有中央控制器并通过内部接口与主电路连接，中央处理器负责运行驱动器的全部软件，实现伺服驱动器的各种计算和控制功能。

主电路包括与电网连接的整流逆变模块，以及与伺服电机连接的驱动模块，整流逆变模块与驱动模块之间通过直流母线连接，直流母线上通过引出接口分别连接有电能缓冲模块和制动模块；

所述的电能缓冲模块为电容器、电容柜和飞轮储能设备中的一种或几种组合，作为本发明的一种实施方式，电能缓冲模块采用电容器，当然为了减小制动电阻上的能量消耗，提高系统能源效率，直流母线上还可以通过引线接口连接电容柜或飞轮储能设备等元件。

控制电路包括至少两个用来与外部设备进行通信的现场数据总线接口。

所述的现场数据总线接口中的一个接口采用rs485与可进行压力机参数设置并显示压力机工作状态的触摸屏连接。

所述的现场总线接口中的另一个接口采用can接口与连接按钮操作盘的输入输出模块连接。

控制电路还包括编码器接口、压力机信号处理的输入输出接口，以及扩展功能接口；

编码器接口用于连接压力机上不同位置的编码器，将编码器位置处的信息数据收集并输送给中央控制器。所述的输入输出模块包括输入模块和输出模块，输入模块与压力机的传感器连接，输出模块与压力机对应传感器的执行器连接。

其中：

整流逆变模块：用于将来自电网的交流电转换为直流电，并在伺服电机制动时将直流母线上的电能转换为交流电回馈到电网中；

驱动模块：用于将直流母线上的直流电转换为驱动伺服电机运转的交流电，也能够将伺服电机制动时产生的电能转换为直流电输送到直流母线上；

电能缓冲模块：用于电能的临时存储，在电网和伺服电机之间的电能转换过程中起缓冲作用；

制动模块：连接有制动电阻，用于在整流逆变模块不能将直流母线上的电能及时回馈电网时，提供一个额外的电能泄放通路。

本发明的伺服驱动器的软件结构如图2所示，软件包括一个通用功能模块和多个专用功能模块。通用功能模块包含多个通用功能，如通信、显示、逆变、制动等。模块根据外部输入和驱动器状态同时或先后执行一个或多个通用功能，保证驱动器的基本工作状态。

驱动器软件包括多个专用功能模块，具体包括设置模块、手动模块、自动模块、和一个或若干个其它模块。这些模块根据压力机的工作特点进行设置。根据用户输入和驱动器状态，专用功能模块在某一时间内只有一个得到执行。

其中设置模块包含一个或多个设置功能，具体包含冲压曲线插补功能、压力参数设置功能、以及其它必要的设置功能。冲压曲线插补功能在用户输入关键点之后执行，任务是根据关键点计算得到平滑的冲压曲线。压力参数设置功能用来设置冲压过程中最大压力或压力变化曲线。

手动模块包含压力机手动运行所需要的功能，具体包含滑块点动功能、滑块手轮控制功能、滑块位置调整功能、以及其它相关功能。

自动模块包含压力机自动运行所需要的功能，具体包含伺服电机驱动功能、传动机构位置监控功能、以及其它自动运行功能。在压力机自动运行时，这个模块同时读取伺服电机编码器和传动机构位置编码器的信号，并将这两个编码器信号分别发送给伺服电机控制功能和传动机构位置监控功能，这两个功能根据前述插补功能得到的冲压曲线驱动电机运行，完成冲压操作。

软件另有一个或多个其它模块完成与压力机和伺服驱动器相关的其它必要功能。

如图3所示，应用本发明提出的伺服驱动器的一个机械式曲柄连杆式伺服压力机构造。

主电路上的整流逆变模块通过电网接口与外界三相交流电网连接，伺服电机通过电机接口与驱动模块连接。制动电阻接口与制动电阻连接。直流母线接口空闲不用，也可接电容柜或飞轮储能设备，可根据实际需要进行连接安装。

输入输出接口和扩展功能接口空闲不用。一个现场总线接口采用rs485，与触摸屏连接，进行压力机参数设置并显示压力机工作状态。另一个现场总线接口采用can接口，与外界输入输出模块连接，以便对本发明伺服驱动器对输入输出接口进行扩展。

控制电路上的一个编码器接口与伺服电机上的编码器连接，另一个编码器接口与曲柄编码器连接。

输入输出模块与压力机中的若干传感器和执行器连接，完成信号采集和命令发布任务。输入输出接口另外连接按钮操作盘，用来接收操作人员的按钮指令，并通过指示灯进行状态显示。

可见，与现有伺服压力机驱动和控制系统相比，本发明的方法大大减少了控制系统中模块数量，从而降低了成本。

另外，本系统具备扩展能力。比如通过两个现场总线接口，可继续外接其它兼容rs485和can总线协议上设备，比如机械手，或更高级的中央控制器。若按钮操作盘上按钮和指示灯数量不多，也可将操作盘与输入输出接口或其它接口连接。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。