一种伺服控制器过电压泄放保护电路的制作方法

本实用新型属于伺服控制器过压保护技术领域，具体涉及一种伺服控制器过电压泄放保护电路。

背景技术：

伺服控制器是用来控制伺服电机实现高精度定位或跟随运动的设备。目前，主流的伺服控制器都采用微控制器(单片机、DSP等)作为控制核心实现完备的控制、监测和保护功能。

伺服控制器包括控制电路和功率电路。功率电路一般包括整流电路和和逆变电路，整流电路和逆变电路通过母线(即直流母线)进行连接，为防止工作时出现负载发电(如刹车、顺载等情况)使直流母线电压过高而导致电路损坏，一般可在母线之间跨接由开关电路构成的泄放通道，当检测到母线电压过高后，控制板控制泄放通道导通，对母线电压进行放电，使得电压回到常态值，然后控制板控制泄放通道断开。

目前的过压泄放保护多采用软件泄放控制或固定阈值的硬件泄放控制。

软件泄放控制通过微控制器程序对采样和A/D转换电路对直流母线电压进行实时检测，当检测到直流母线电压超过设定的保护阈值时，控制泄放通道进行过压泄放，达到保护系统的目的。但软件泄放控制有如下不足：(1)相对于硬件泄放保护，可靠性低。当软件上出现故障时，泄放保护功能丧失；(2)软件保护最终还是要通过硬件动作，相对硬件保护，实时性较差；

固定阈值的硬件泄放控制一般通过采样电路采样直流母线电压，通过比较器与基准电平比较，产生控制泄放通道开关的控制信号来实现泄放保护。固定阈值的硬件泄放控制由于比较的基准电平为固定值，因此泄放开水的电压值固定，灵活度不够。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其电路结构简单，设计合理，实现方便，利用硬件电路实现直流母线电压泄放管理，在保证泄放实时性的基础上，增加了泄放保护阈值电压设置的灵活性，同时增加了过压泄放保护失效监控功能，提高了伺服控制器的可靠性，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：包括微控制器和为装置中各用电单元供电的电源电路，以及直流母线电压采集电路、保护阈值设定电路和比较电路；所述电源电路与直流母线连接，所述微控制器的输入端接有A/D转换电路，所述直流母线电压采集电路的输入端与直流母线连接，所述直流母线电压采集电路的输出端与A/D转换电路的输入端和比较电路的输入端均连接，所述比较电路的输入端还与保护阈值设定电路的输出端连接，所述保护阈值设定电路的输出端还与A/D转换电路的输入端连接，所述比较电路的输出端接有过压泄放电路，所述过压泄放电路与直流母线连接，所述微控制器的输出端与逆变电路连接，所述逆变电路与直流母线连接；所述微控制器、A/D转换电路、保护阈值设定电路和比较电路均与电源电路的输出端连接。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述电源电路包括15V电压转换电路、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路和1.8V电压转换电路，所述15V电压转换电路包括芯片7815、快恢复二极管D2和快恢复二极管D3，所述芯片7815的第1引脚通过电阻R24与快恢复二极管D2的阴极连接，且通过并联的非极性电容C4和极性电容C5接地；所述快恢复二极管D2的阳极与直流母线连接，所述快恢复二极管D2的阴极通过非极性电容C3接地；所述快恢复二极管D3的阳极与芯片7815的第3引脚连接，所述快恢复二极管D3的阴极与芯片7815的第1引脚连接，所述芯片7815的第2引脚接地；所述芯片7815的第3引脚为所述15V电压转换电路的输出端，且通过并联的非极性电容C8、极性电容C6和极性电容C7接地；所述5V电压转换电路包括芯片7805和快恢复二极管D4，所述芯片7805的第1引脚通过电阻R25与所述15V电压转换电路的输出端连接，且通过并联的非极性电容C9和极性电容C10接地；所述快恢复二极管D4的阳极与芯片7805的第3引脚连接，所述快恢复二极管D4的阴极与芯片7805的第1引脚连接，所述芯片7805的第2引脚接地；所述芯片7805的第3引脚为所述5V电压转换电路的输出端，且通过并联的非极性电容C14和极性电容C13接地；所述3.3V电压转换电路包括芯片PS767D301、电阻R15、极性电容C11和非极性电容C12，所述芯片PS767D301的第1引脚、第5引脚、第6引脚、第11引脚和第12引脚均与所述5V电压转换电路的输出端连接，所述芯片PS767D301的第2引脚、第3引脚、第7～10引脚、第13～16引脚、第19～21引脚、第26引脚和第27引脚均接地，所述电阻R15的一端与所述芯片PS767D301的第22引脚和第28引脚连接，所述极性电容C11的负极和非极性电容C12的一端均接地，所述电阻R15的另一端、极性电容C11的正极和非极性电容C12的另一端相接且为所述3.3V电压转换电路的输出端；所述1.8V电压转换电路包括芯片PS767D301、电阻R16、电阻R23和极性电容C15，所述极性电容C15的正极与所述芯片PS767D301的第23引脚和第24引脚连接，所述电阻R23的一端和电阻R16的一端均与所述芯片PS767D301的第25引脚连接，所述极性电容C15的负极和电阻R23的另一端均接地，所述极性电容C15的正极和电阻R16的另一端连接且为所述1.8V电压转换电路的输出端。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述微控制器为DSP数字信号处理器TMS320F2808，所述A/D转换电路集成在所述DSP数字信号处理器TMS320F2808内部。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述保护阈值设定电路包括多圈精密电位器VR1、精密固定电阻器R13和非极性电容C1，所述多圈精密电位器VR1的一个固定端与电源电路的输出端连接，所述多圈精密电位器VR1的另一个固定端与精密固定电阻器R13的一端连接，所述多圈精密电位器VR1的滑动端与非极性电容C1的一端连接且为保护阈值设定电路的输出端VBreakSet，所述精密固定电阻器R13的另一端和非极性电容C1的另一端均接地；所述保护阈值设定电路的输出端VBreakSet与A/D转换电路的输入端和比较电路的输入端均连接。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述直流母线电压采集电路包括电阻分压电路、用于对直流母线电压的波动上限电压进行调理的第一信号调理电路和对直流母线电压的波动下限电压进行调理的第二信号调理电路，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路均与电阻分压电路的输出端连接。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述电阻分压电路包括串联的电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R2的一端与直流母线连接，电阻R4的一端接地，电阻R3和电阻R4的连接端为所述电阻分压电路的输出端；所述第一信号调理电路包括芯片TL082中的第一个运算放大器U1A和电阻R12，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的同相输入端通过电阻R8与所述电阻分压电路的输出端连接，且通过电阻R7接地，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的反相输入端通过电阻R9接地，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间接有电阻R10，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的输出端与电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端为所述第一信号调理电路的输出端；所述第二信号调理电路包括芯片TL082中的第二个运算放大器U1B和电阻R11，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的同相输入端通过电阻R5与所述电阻分压电路的输出端连接，且通过电阻R6接地，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的反相输入端通过电阻R17接地，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间接有电阻R18，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的输出端与电阻R11的一端连接，所述电阻R11的另一端为所述第二信号调理电路的输出端；所述第一信号调理电路的输出端和所述第二信号调理电路的输出端与A/D转换电路的输入端和比较电路的输入端均连接。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述比较电路包括比较器芯片LM293、电阻R14和三极管Q1，所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的同相输入端和第二个比较器U2B的同相输入端均与保护阈值设定电路的输出端VBreakSet连接，所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的反相输入端与所述第一信号调理电路的输出端连接，所述比较器芯片LM293中的第二个比较器U2B的反相输入端与所述第二信号调理电路的输出端连接，所述电阻R14的一端与所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的同相输入端和第二个比较器U2B的同相输入端均连接，所述电阻R14的另一端与所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的输出端和第二个比较器U2B的输出端均连接，所述三极管Q1的基极与所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的输出端和第二个比较器U2B的输出端均连接，且通过电阻R1与电源电路的输出端连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极为比较电路的输出端，且通过电阻19与电源电路的输出端连接。

上述的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，其特征在于：所述过压泄放电路包括泄放开关管Q2、续流二极管D1和稳压二极管D5，所述泄放开关管Q2的栅极通过电阻R21与稳压二极管D5的阴极连接，且通过电阻R20接地，所述电阻R21与稳压二极管D5的阴极的连接端与比较电路的输出端连接，所述泄放开关管Q2的源极和稳压二极管D5的阳极均接地，所述泄放开关管Q2的漏极通过电阻R23与直流母线连接，且通过串联的电阻R22和非极性电容C2接地，所述续流二极管D1的阳极与泄放开关管Q2的漏极连接，所述续流二极管D1的阴极与直流母线连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的电路结构简单，设计合理，实现方便。

2、本实用新型通过设置保护阈值设定电路，利用保护阈值设定电路中的多圈精密电位器，可根据伺服控制器应用场合设定泄放保护阈值电压，利用硬件电路实现泄放控制，兼顾灵活性和实时性，操作简单。

3、本实用新型通过设置微控制器和A/D转换电路，并对逆变电路进行控制，增加对泄放保护有效性的监控，在泄放保护失效情况下，断开输入和输出电路，确保系统和安全。

4、本实用新型对现有伺服控制器稍加改动即可实现，可实施性强，且增加成本低。

5、母线电压会在保护阈值电压附近上下波动，本实用新型通过设置由电阻分压电路、用于对直流母线电压的波动上限电压进行调理的第一信号调理电路和对直流母线电压的波动下限电压进行调理的第二信号调理电路构成的直流母线电压采集电路，再设置滞环比较电路，能够消除母线电压上下波动导致的泄放开关管频繁开关的问题，能够延长泄放开关管的使用寿命，从而延长过压泄放电路的使用寿命。

6、本实用新型的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本实用新型的电路结构简单，设计合理，实现方便，利用硬件电路实现直流母线电压泄放管理，在保证泄放实时性的基础上，增加了泄放保护阈值电压设置的灵活性，同时增加了过压泄放保护失效监控功能，提高了伺服控制器的可靠性，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型一种伺服控制器过电压泄放保护电路的电路原理框图。

图2为本实用新型电源电路的电路原理图。

图3为本实用新型微控制器和A/D转换电路的电路原理图。

图4为本实用新型直流母线电压采集电路的电路原理图。

图5为本实用新型保护阈值设定电路的电路原理图。

图6为本实用新型比较电路的电路原理图。

图7为本实用新型过压泄放电路的电路原理图。

附图标记说明:

1—电源电路；2—微控制器；3—A/D转换电路；

4—直流母线电压采集电路；5—保护阈值设定电路；6—比较电路；

7—过压泄放电路；8—逆变电路；9—直流母线。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的一种伺服控制器过电压泄放保护电路，包括微控制器2和为装置中各用电单元供电的电源电路1，以及直流母线电压采集电路4、保护阈值设定电路5和比较电路6；所述电源电路1与直流母线9连接，所述微控制器2的输入端接有A/D转换电路3，所述直流母线电压采集电路4的输入端与直流母线9连接，所述直流母线电压采集电路4的输出端与A/D转换电路3的输入端和比较电路6的输入端均连接，所述比较电路6的输入端还与保护阈值设定电路5的输出端连接，所述保护阈值设定电路5的输出端还与A/D转换电路3的输入端连接，所述比较电路6的输出端接有过压泄放电路7，所述过压泄放电路7与直流母线9连接，所述微控制器2的输出端与逆变电路8连接，所述逆变电路8与直流母线9连接；所述微控制器2、A/D转换电路3、保护阈值设定电路5和比较电路6均与电源电路1的输出端连接。

本实施例中，如图2所示，所述电源电路1包括15V电压转换电路、5V电压转换电路、3.3V电压转换电路和1.8V电压转换电路，所述15V电压转换电路包括芯片7815、快恢复二极管D2和快恢复二极管D3，所述芯片7815的第1引脚通过电阻R24与快恢复二极管D2的阴极连接，且通过并联的非极性电容C4和极性电容C5接地；所述快恢复二极管D2的阳极与直流母线9连接，所述快恢复二极管D2的阴极通过非极性电容C3接地；所述快恢复二极管D3的阳极与芯片7815的第3引脚连接，所述快恢复二极管D3的阴极与芯片7815的第1引脚连接，所述芯片7815的第2引脚接地；所述芯片7815的第3引脚为所述15V电压转换电路的输出端VDD_15V，且通过并联的非极性电容C8、极性电容C6和极性电容C7接地；所述5V电压转换电路包括芯片7805和快恢复二极管D4，所述芯片7805的第1引脚通过电阻R25与所述15V电压转换电路的输出端VDD_15V连接，且通过并联的非极性电容C9和极性电容C10接地；所述快恢复二极管D4的阳极与芯片7805的第3引脚连接，所述快恢复二极管D4的阴极与芯片7805的第1引脚连接，所述芯片7805的第2引脚接地；所述芯片7805的第3引脚为所述5V电压转换电路的输出端VDD_5V，且通过并联的非极性电容C14和极性电容C13接地；所述3.3V电压转换电路包括芯片PS767D301、电阻R15、极性电容C11和非极性电容C12，所述芯片PS767D301的第1引脚、第5引脚、第6引脚、第11引脚和第12引脚均与所述5V电压转换电路的输出端VDD_5V连接，所述芯片PS767D301的第2引脚、第3引脚、第7～10引脚、第13～16引脚、第19～21引脚、第26引脚和第27引脚均接地，所述电阻R15的一端与所述芯片PS767D301的第22引脚和第28引脚连接，所述极性电容C11的负极和非极性电容C12的一端均接地，所述电阻R15的另一端、极性电容C11的正极和非极性电容C12的另一端相接且为所述3.3V电压转换电路的输出端3.3V；所述1.8V电压转换电路包括芯片PS767D301、电阻R16、电阻R23和极性电容C15，所述极性电容C15的正极与所述芯片PS767D301的第23引脚和第24引脚连接，所述电阻R23的一端和电阻R16的一端均与所述芯片PS767D301的第25引脚连接，所述极性电容C15的负极和电阻R23的另一端均接地，所述极性电容C15的正极和电阻R16的另一端连接且为所述1.8V电压转换电路的输出端1.8V。

本实施例中，如图3所示，所述微控制器2为DSP数字信号处理器TMS320F2808，所述A/D转换电路3集成在所述DSP数字信号处理器TMS320F2808内部。具体实施时，所述微控制器2和A/D转换电路3均与所述3.3V电压转换电路的输出端3.3V连接。

本实施例中，如图5所示，所述保护阈值设定电路5包括多圈精密电位器VR1、精密固定电阻器R13和非极性电容C1，所述多圈精密电位器VR1的一个固定端与电源电路1的输出端连接，所述多圈精密电位器VR1的另一个固定端与精密固定电阻器R13的一端连接，所述多圈精密电位器VR1的滑动端与非极性电容C1的一端连接且为保护阈值设定电路5的输出端VBreakSet，所述精密固定电阻器R13的另一端和非极性电容C1的另一端均接地；所述保护阈值设定电路5的输出端VBreakSet与A/D转换电路3的输入端和比较电路6的输入端均连接。具体实施时，所述多圈精密电位器VR1的一个固定端与所述3.3V电压转换电路的输出端3.3V连接。

本实施例中，所述直流母线电压采集电路4包括电阻分压电路、用于对直流母线9电压的波动上限电压进行调理的第一信号调理电路和对直流母线9电压的波动下限电压进行调理的第二信号调理电路，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路均与电阻分压电路的输出端连接。

本实施例中，如图4所示，所述电阻分压电路包括串联的电阻R2、电阻R3和电阻R4，电阻R2的一端与直流母线9连接，电阻R4的一端接地，电阻R3和电阻R4的连接端为所述电阻分压电路的输出端VBus_Dsp；所述第一信号调理电路包括芯片TL082中的第一个运算放大器U1A和电阻R12，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的同相输入端通过电阻R8与所述电阻分压电路的输出端VBus_Dsp连接，且通过电阻R7接地，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的反相输入端通过电阻R9接地，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间接有电阻R10，所述芯片TL082中的第一个运算放大器U1A的输出端与电阻R12的一端连接，所述电阻R12的另一端为所述第一信号调理电路的输出端VBus_Up；所述第二信号调理电路包括芯片TL082中的第二个运算放大器U1B和电阻R11，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的同相输入端通过电阻R5与所述电阻分压电路的输出端VBus_Dsp连接，且通过电阻R6接地，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的反相输入端通过电阻R17接地，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的反相输入端与输出端之间接有电阻R18，所述芯片TL082中的第二个运算放大器U1B的输出端与电阻R11的一端连接，所述电阻R11的另一端为所述第二信号调理电路的输出端VBus_Down；所述第一信号调理电路的输出端VBus_Up和所述第二信号调理电路的输出端VBus_Down与A/D转换电路3的输入端和比较电路6的输入端均连接。具体实施时，所述电阻R2、电阻R3和电阻R4均为精密电阻，采用电阻R2、电阻R3和电阻R4对直流母线9电压进行串联分压。第一信号调理电路为电压变比为0.0658的信号调理电路，第二信号调理电路为电压变比为0.0694的信号调理电路。

本实施例中，如图6所示，所述比较电路6包括比较器芯片LM293、电阻R14和三极管Q1，所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的同相输入端和第二个比较器U2B的同相输入端均与保护阈值设定电路5的输出端VBreakSet连接，所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的反相输入端与所述第一信号调理电路的输出端VBus_Up连接，所述比较器芯片LM293中的第二个比较器U2B的反相输入端与所述第二信号调理电路的输出端VBus_Down连接，所述电阻R14的一端与所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的同相输入端和第二个比较器U2B的同相输入端均连接，所述电阻R14的另一端与所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的输出端和第二个比较器U2B的输出端均连接，所述三极管Q1的基极与所述比较器芯片LM293中的第一个比较器U2A的输出端和第二个比较器U2B的输出端均连接，且通过电阻R1与电源电路1的输出端连接，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极为比较电路6的输出端BREAK，且通过电阻19与电源电路1的输出端连接。具体实施时，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与所述5V电压转换电路的输出端VDD_5V连接，所述三极管Q1的集电极通过电阻19与所述15V电压转换电路的输出端VDD_15V连接。所述比较器芯片LM293的第8引脚与所述5V电压转换电路的输出端VDD_5V连接，所述比较器芯片LM293的第4引脚接地。

本实施例中，如图7所示，所述过压泄放电路7包括泄放开关管Q2、续流二极管D1和稳压二极管D5，所述泄放开关管Q2的栅极通过电阻R21与稳压二极管D5的阴极连接，且通过电阻R20接地，所述电阻R21与稳压二极管D5的阴极的连接端与比较电路6的输出端连接，所述泄放开关管Q2的源极和稳压二极管D5的阳极均接地，所述泄放开关管Q2的漏极通过电阻R23与直流母线9连接，且通过串联的电阻R22和非极性电容C2接地，所述续流二极管D1的阳极与泄放开关管Q2的漏极连接，所述续流二极管D1的阴极与直流母线9连接。

采用本实用新型进行伺服控制器过电压泄放保护时，包括以下步骤：

步骤一、电源电路1将直流母线9输出给其的直流母线电压转换为所述微控制器2、A/D转换电路3、保护阈值设定电路5和比较电路6所需的供电电压，并为微控制器2、A/D转换电路3、保护阈值设定电路5和比较电路6供电；

步骤二、操作保护阈值设定电路5设定保护阈值电压VBreakSet，保护阈值设定电路5将电源电路1输出给其的电压调整到保护阈值电压VBreakSet后输出给比较电路6，同时，将保护阈值电压VBreakSet输出给A/D转换电路3进行A/D转换后输出给微控制器2；具体实施时，是通过调节保护阈值设定电路5中的多圈精密电位器VR1来设定保护阈值电压VBreakSet；

步骤三、直流母线电压采集电路4中的电阻分压电路对直流母线9输出的直流母线电压进行实时检测，将检测到的直流母线电压实时输出给A/D转换电路3进行A/D转换后输出给微控制器2；同时，直流母线电压采集电路4中的电阻分压电路将检测到的直流母线电压同时输出给直流母线电压采集电路4中的第一信号调理电路和第二信号调理电路，所述第一信号调理电路对直流母线9电压的波动上限电压进行调理后输出直流母线电压的实时采样值VBus_Up给比较电路6和微控制器2，所述第二信号调理电路对直流母线9电压的波动下限电压进行调理后输出直流母线电压的实时采样值VBus_Down给比较电路6和微控制器2；

步骤四、比较电路6对直流母线电压的实时采样值VBus_Up和VBus_Down与保护阈值电压VBreakSet进行比较，当直流母线电压的实时采样值VBus_Up大于保护阈值电压VBreakSet时，比较电路6产生5V的泄放控制信号BREAK输出给过压泄放电路7，当直流母线电压的实时采样值VBus_Down小于保护阈值电压VBreakSet时，比较电路6产生0V的输出信号输出给过压泄放电路7；

步骤五、当比较电路6产生5V的泄放控制信号BREAK输出给过压泄放电路7时，过压泄放电路7实现过压泄放保护功能，当比较电路6产生0V的输出信号输出给过压泄放电路7时，过压泄放电路7不工作；

步骤六、微控制器2对直流母线电压的实时采样值VBus_Up和VBus_Down与保护阈值电压VBreakSet进行比较，当在计算周期T内，出现以下两种工况中的任意一种工况时，认定为过压泄放电路7出现了故障，微控制器2控制逆变电路8停止工作；

工况一、保护阈值电压VBreakSet比微控制器2对直流母线电压的实时采样值VBus_Up低，且微控制器2接收到的直流母线电压不变或持续上升；

工况二、保护阈值电压VBreakSet比微控制器2对直流母线电压的实时采样值VBus_Down高，且微控制器2接收到的直流母线电压持续下降。

本实施例中，步骤六中所述计算周期T为1ms。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。