一种具有故障检测功能的伺服驱动器的制作方法

本实用新型涉及伺服驱动技术领域，尤其涉及了一种具有故障检测功能的伺服驱动器的设计。

背景技术：

工业上对调速性能要求随着工业的发展越来越高。直流电动机可以分别对转速和转矩单独控制，而且控制比较简单。因此，直流电动机相对于交流电动机具有良好的调速性能。但是直流电动机结构比较复杂，故障多，维护起来困难，成本高，容量小，尤其是换向器结构相当复杂，容易产生火花，还需要长时间的维护。除此之外，工业上对电动机的容量要求随着工业的发展也越来越大，因此，在一些情况下直流电动机调速系统慢慢地被交流调速系统取代。异步电动机特别是鼠笼式异步电动机，这种电动机不仅结构简单，坚固耐用，而且还具有维护方便，成本低容量高等优点。但是异步电动机是一个高阶、高耦合的综合系统，要实现良好的调速系统性能就首先有一套完整的驱动控制系统。整个驱动控制系统结构精密复杂，调速过程复杂，传输的数据非常多，容易由于元器件损坏或者逻辑过程错误造成调速过程出错，排查错误原因的过程十分繁琐，造成时间和人力的浪费。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中故障原因不易排查的缺点，提供了一种具有故障检测功能的伺服驱动器。

本发明解决了故障原因不易排查的问题，本设计方案利用了多个用于报错的电路，分门别类的针对常见的故障进行检测和报警，能够在第一时间找到故障和故障的原因，某些故障能够由逻辑控制电路自行解决，提高了使用效率，节省时间。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种具有故障检测功能的伺服驱动器，包括控制模块和功率驱动模块，控制模块与功率驱动模块连接，功率驱动模块与待驱动电机的输入端连接，功率驱动模块包括IPM模块、IPM驱动电路、IPM故障信号电路、母线电压检测电路、交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路，IPM模块与控制模块连接，IPM驱动电路与IPM模块连接，IPM故障信号电路分别与IPM模块和控制模块连接，母线电压检测电路接入IPM模块输入电压，母线电压检测电路与控制模块连接，IPM模块分别与交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路连接，控制模块分别与交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路连接；其中，IPM模块，用于向外输出电机驱动信号；

IPM驱动电路，用于将三相交流电整流成直流电源为IPM模块供电；

IPM故障信号电路，用于接收IPM模块故障信号，将信号传输至控制模块；

母线电压检测电路，用于检测IPM模块输入电压，将检测值传输至控制模块；

交流缺相及掉电检测电路，用于检测IPM模块输出电压是否发生缺相或者掉电，将检测情况传输至控制模块；

交流过压报警检测电路，用于检测IPM模块输出电压是否过大，将检测情况传输至控制模块。

本实用新型中设置多个检测电路，分别针对IPM模块故障、母线电压异常和IPM 模块输出异常等常见的几种故障类型进行检测，并将检测结果反馈给控制模块，由控制模块下达控制指令，进行故障排除或者停止工作。能够有效及时的找出故障原因，节省大量时间，便于排除故障，避免内部电路或者电机损坏，延长工作寿命，提高安全性。

作为优选，IPM驱动电路包括电容C1、C3、C8、C50、C51和C73，电阻 R106、R107、R108和R109，发光二极管D23和三相整流桥DM1，三相整流桥连接在三相交流电源和IPM模块之间，三相整流桥上设有输出直流电的两个输出端，分别设为P输出端和N输出端；P输出端和N输出端分别与IPM模块连接，P输出端和IPM模块之间引出接线串联电容C1后接地，N输出端和IPM 模块之间引出接线串联电容C3后接地，电容C50、C51、C73和C8分别连接在 P输出端和N输出端之间，电容C50、C51、C73和C8相互并联；发光二极管 D23和电阻R106、R107、R108、R109连接在P输出端和N输出端之间，发光二极管D23和电阻R106、R107、R108、R109相互串联。IPM驱动电路将三相交流电整流成直流电源，为IPM模块供电。

作为优选，还包括软启动保护电路，软启动保护电路包括控制回路和动作回路，动作回路包括接插件JP8，二极管D22和直流继电器RL1，接插件JP8 串联在电阻R109和三相整流桥DM1的N输出端之间，直流继电器RL1的延时吸合触点与接插件JP8并联，直流继电器RL1的延时吸合触点一端与N输出端连接，另一端与IPM模块连接；直流继电器RL1的线圈一端接入正12V电压，另一端连接控制回路，直流继电器RL1的线圈与二极管D22并联，二极管D22 的输出端与正12V电压连接；控制回路包括开关光耦OP12，电阻R42、R48和 R85，电容C86，稳压管D18和N型MOS管Q8，开关光耦的发光件输入端接入正5V电压，输出端串联电阻R42后与控制模块连接，受光件输入端串联电阻 R48后接入正12V电压，输出端与N型MOS管Q8的栅极连接，N型MOS管 Q8的源极接地，漏极与二极管D22的输入端连接；受光件输出端与N型MOS 管Q8之间引出接线串联电阻R85后接地，受光件输出端与N型MOS管Q8之间引出接线串联电容C86后接地，受光件输出端与N型MOS管Q8之间引出接线串联稳压管D18接地；接插件JP8用于连接外接电阻串。

开关电源开启的瞬间浪涌电流特别大，如果电流不加以限流直接加在IPM 模块上那就会造成IPM模块烧毁，所以要在开始的时候加上限流电阻，当浪涌电流过后，电流恢复正常的时候控制模块传来一个信号就把用于限流的电阻串短路掉。

作为优选，IPM故障信号电路包括开关光耦OP9，电阻R31、R32和R33，电容C21、C22和三极管Q3，开关光耦OP9受光件输出端接地，输入端串联电阻R31后接入正5V电压，电阻R31和受光件输入端之间引出接线串联电阻R32 后与三极管Q7基极连接；电阻R31和开关光耦OP9受光件输入端之间引出接线串联电容C21后接地，三极管Q7的发射极接地，集电极与控制模块连接；开关光耦OP9发光件输入端与IPM模块连接，输入端串联电阻R33后与IPM模块连接，开关光耦OP9和电阻R3之间引出接线串联电容C22后与IPM模块连接。IPM模块故障时会向外输出一个故障信号，IPM故障电路用于将这个故障信号传输至控制模块。

作为优选，母线电压检测电路包括电阻R1、R2、R3、R8、R13、R14和 R19，电容C7、C8和C9，开关二极管D19，运算放大器U14A和U14B，三相整流桥N输出端引出接线串联电阻R3和R2后与运算放大器U14A的负输入端连接，三相整流桥P输出端引出接线串联电阻R1和R8后与运算放大器U14B 正输入端连接，电阻R3和R2之间引出接线点1，电阻R1和R8之间引出接线点2，接线点1和2之间连接有电容C1，运算放大器U14A正输入端和负输入端之间连接有开关二极管D19，开关二极管D19与运算放大器U14A正输入端之间引出接线串联电阻R13后接地，运算放大器U14A的负输入端串联电阻R14 后与输出端连接，运算放大器U14A输出端串联电阻R19后与运算放大器U14B 的正输入端连接，运算放大器U14B的负输入端与输出端连接，电阻R19与运算放大器U14B之间引出接线串联电容C8后接地；运算放大器U14A接入正15V 电压，运算放大器U14A和连接的正15V电压之间引出接线，串联电容C7后接地，运算放大器U14A接入负15V电压，运算放大器U14A和连接的负15V电压之间引出接线，串联电容C9后接地。

对P输出端和N输出端进行电压采样后，将两端的电压经过电阻分压及电容C101滤波后，经过差分运算的电路，输入输出的运算关系是输入275V电压对应输出2.147V电压，第一级运放后面接着一个电压跟随器作为一个缓冲器，防止前级运算被烧毁后电压直接加在控制模块上。将一个开关二极管并联在运放的输入脚两端是防止运放被烧坏。

作为优选，交流缺相及掉电检测电路包括电阻R45、R53、R55、R61和R62，电容C56、C58、C60和C66，开关光耦OP16和OP17，稳压管D12，运算放大器U8A和U8B，二极管D13和三极管Q4，设电压接入IPM模块输出电压的两个接线点分别为接线点3和接线点4，稳压管D12串联在接线点3和开关光耦 OP16发光件输入端之间，发光件输出端与开关光耦OP17发光件输入端连接，开关光耦OP17发光件输出端与接线点4连接；稳压管D12与开关光耦OP16发光件输入端之间引出接线串联二极管D13后与开关光耦OP17发光件输出端连接；开关光耦OP16受光件输入端接入正5V电压，输出端与运算放大器U8A 正输入端连接，受光件输入端与输出端之间连接有电阻R53，电阻R53与受光件输出端接点处引出接线串联电阻R61后接地，电容C66并联在电阻R61上；运算放大器U8A正输入端与开关光耦OP16受光件输出端之间引出接线串联电容C60后与运算放大器U8B正输入端连接，电容C60与运算放大器U8B正输入端之间引出接线与运算放大器U8A负输入端连接；运算放大器U8A输出端与控制模块连接；开关光耦OP17受光件输入端接入正5V电压，输出端与三极管 Q4的基极连接，开关光耦OP17受光件输出端与三极管Q4之间引出接线串联电阻R62后接地，三极管Q4的集电极串联电阻R55后接地，发射极串联电阻 R45后接入正5V电压，三极管Q4与电阻R45之间引出接线与运算放大器U8B 的负输入端连接，运算放大器U8B的负输入端串联电容C58后接地，运算放大器U8B的正输入端和负输入端之间连接有电容C56，运算放大器U8B的输出端与控制模块连接。

在实际电路中，由于种种原因可能会出现缺少相序的情况，这种情况称之为缺相，由于断电或者电的质量达不到要求时，称之为掉电。电机在缺相或者掉电的情况下不能正常启动工作，或者工作不稳定甚至烧毁。为了保护用电设备，特此设计电路检测是否发生缺相(相电压过低也可视为缺相)或者掉电，并将信号传送给控制板进行处理。

作为优选，交流过压报警检测电路包括精密稳压芯片，开关光耦OP18，电阻R56和R82，稳压管D16和三极管Q5，接线点4与开关光耦OP17之间引出接线与精密稳压芯片连接，精密稳压芯片另一引脚与开关光耦OP18发光件输出端连接，发光件输入端串联电阻R82后与接线点3连接；开关光耦OP18受光件输入端与三极管Q5基极连接，三极管Q5发射极与控制模块连接，集电极接地，开关光耦OP18受光件输入端与三极管Q5基极之间引出接线串联电阻R56 后接入正5V电压，受光件输出端接地。电机输入电压过大容易造成电机烧毁，缩短使用寿命，存在安全隐患。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：能够驱动1.5KW电机，对电机进行调速，设有多个检测电路，有针对性的对常见的故障进行检测，能够及时有效的找到故障原因，便于及时排除故障，节省时间，提升工作效率。及时发现安全隐患，进行应急处理，有效避免内部电路和电机烧毁，安全性高。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意框图。

图2是本实用新型实施例1的IPM驱动电路和软启动保护电路结构图。

图3是本实用新型实施例1的软启动保护电路控制回路结构图。

图4是本实用新型实施例1的IPM故障信号电路结构图。

图5是本实用新型实施例1的母线电压检测电路结构图。

图6是本实用新型实施例1的交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，一种具有故障检测功能的伺服驱动器，包括控制模块和功率驱动模块，控制模块与功率驱动模块连接，功率驱动模块与待驱动电机的输入端连接，功率驱动模块包括IPM模块、IPM驱动电路、IPM故障信号电路、母线电压检测电路、交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路，IPM模块与控制模块连接，IPM驱动电路与IPM模块连接，IPM故障信号电路分别与 IPM模块和控制模块连接，母线电压检测电路接入IPM模块输入电压，母线电压检测电路与控制模块连接，IPM模块分别与交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路连接，控制模块分别与交流缺相及掉电检测电路和交流过压报警检测电路连接；

其中，IPM模块，用于向外输出电机驱动信号；

IPM驱动电路，用于将三相交流电整流成直流电源为IPM模块供电；

IPM故障信号电路，用于接收IPM模块故障信号，将信号传输至控制模块；

母线电压检测电路，用于检测IPM模块输入电压，将检测值传输至控制模块；

交流缺相及掉电检测电路，用于检测IPM模块输出电压是否发生缺相或者掉电，将检测情况传输至控制模块；

交流过压报警检测电路，用于检测IPM模块输出电压是否过大，将检测情况传输至控制模块。

如图2所示，IPM驱动电路包括电容C1、C3、C8、C50、C51和C73，电阻R106、R107、R108和R109，发光二极管D23和三相整流桥DM1，三相整流桥连接在三相交流电源和IPM模块之间，三相整流桥上设有输出直流电的两个输出端，分别设为P输出端和N输出端；P输出端和N输出端分别与IPM模块连接，P输出端和IPM模块之间引出接线串联电容C1后接地，N输出端和IPM 模块之间引出接线串联电容C3后接地，电容C50、C51、C73和C8分别连接在 P输出端和N输出端之间，电容C50、C51、C73和C8相互并联；发光二极管 D23和电阻R106、R107、R108、R109连接在P输出端和N输出端之间，发光二极管D23和电阻R106、R107、R108、R109相互串联。

图中R、S、T接三相交流电源，经过三相整流桥整流成直流电源后给IPM 模块供电。C1、C3分别并联在P和N两端，其目的是去除差模干扰。C8是吸收电容。吸收掉尖峰电压。R12是电流检测电阻，用于检测短路故障。C50、C51 和C73是滤波电容。利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。R106至R109是去除共模干扰。RLY’为低电平信号时，继电器RL1吸合。此时JP8两端被短路。

如图2和图3所示，还包括软启动保护电路，软启动保护电路包括控制回路和动作回路，动作回路包括接插件JP8，二极管D22和直流继电器RL1，接插件JP8串联在电阻R109和三相整流桥DM1的N输出端之间，直流继电器RL1 的延时吸合触点与接插件JP8并联，直流继电器RL1的延时吸合触点一端与N 输出端连接，另一端与IPM模块连接；直流继电器RL1的线圈一端接入正12V 电压，另一端连接控制回路，直流继电器RL1的线圈与二极管D22并联，二极管D22的输出端与正12V电压连接；控制回路包括开关光耦OP12，电阻R42、 R48和R85，电容C86，稳压管D18和N型MOS管Q8，开关光耦的发光件输入端接入正5V电压，输出端串联电阻R42后与控制模块连接，受光件输入端串联电阻R48后接入正12V电压，输出端与N型MOS管Q8的栅极连接，N型 MOS管Q8的源极接地，漏极与二极管D22的输入端连接；受光件输出端与N 型MOS管Q8之间引出接线串联电阻R85后接地，受光件输出端与N型MOS 管Q8之间引出接线串联电容C86后接地，受光件输出端与N型MOS管Q8之间引出接线串联稳压管D18接地；接插件JP8用于连接外接电阻串。

当RLY信号为低电平时，光耦导通，Q8的基极为高电平，所以Q8导通，集电极为低电平，因此继电器RL1闭合，N’和N就直接连接起来，串电阻JP8 被短路掉。当RLY信号高电平的时候，光耦不导通，Q8基极没电压，Q8截止，因此N’和N是通过JP8连接起来的。

如图4所示，IPM故障信号电路包括开关光耦OP9，电阻R31、R32和R33，电容C21、C22和三极管Q3，开关光耦OP9受光件输出端接地，输入端串联电阻R31后接入正5V电压，电阻R31和受光件输入端之间引出接线串联电阻R32 后与三极管Q7基极连接；电阻R31和开关光耦OP9受光件输入端之间引出接线串联电容C21后接地，三极管Q7的发射极接地，集电极与控制模块连接；开关光耦OP9发光件输入端与IPM模块连接，输入端串联电阻R33后与IPM模块连接，开关光耦OP9和电阻R3之间引出接线串联电容C22后与IPM模块连接。在控制板处应加一个上拉电阻。当FO低电平时，光耦导通，4处电平为低电平，三极管不导通，但是IPMFO电平不确定；当FO高电平时，光耦不通，4 脚由于有上拉，所以三极管导通，IPMFO为低电平。因为当FO为低电平时， IPMFO的电平不确定，所以在控制板上加入上拉电阻。FO信号为IPM模块的输出信号。

如图5所示，母线电压检测电路包括电阻R1、R2、R3、R8、R13、R14和 R19，电容C7、C8和C9，开关二极管D19，运算放大器U14A和U14B，三相整流桥N输出端引出接线串联电阻R3和R2后与运算放大器U14A的负输入端连接，三相整流桥P输出端引出接线串联电阻R1和R8后与运算放大器U14B 正输入端连接，电阻R3和R2之间引出接线点1，电阻R1和R8之间引出接线点2，接线点1和2之间连接有电容C1，运算放大器U14A正输入端和负输入端之间连接有开关二极管D19，开关二极管D19与运算放大器U14A正输入端之间引出接线串联电阻R13后接地，运算放大器U14A的负输入端串联电阻R14 后与输出端连接，运算放大器U14A输出端串联电阻R19后与运算放大器U14B 的正输入端连接，运算放大器U14B的负输入端与输出端连接，电阻R19与运算放大器U14B之间引出接线串联电容C8后接地；运算放大器U14A接入正15V 电压，运算放大器U14A和连接的正15V电压之间引出接线，串联电容C7后接地，运算放大器U14A接入负15V电压，运算放大器U14A和连接的负15V电压之间引出接线，串联电容C9后接地。

如图6所示，交流缺相及掉电检测电路包括电阻R45、R53、R55、R61和 R62，电容C56、C58、C60和C66，开关光耦OP16和OP17，稳压管D12，运算放大器U8A和U8B，二极管D13和三极管Q4，设电压接入IPM模块输出电压的两个接线点分别为接线点3和接线点4，稳压管D12串联在接线点3和开关光耦OP16发光件输入端之间，发光件输出端与开关光耦OP17发光件输入端连接，开关光耦OP17发光件输出端与接线点4连接；稳压管D12与开关光耦 OP16发光件输入端之间引出接线串联二极管D13后与开关光耦OP17发光件输出端连接；开关光耦OP16受光件输入端接入正5V电压，输出端与运算放大器 U8A正输入端连接，受光件输入端与输出端之间连接有电阻R53，电阻R53与受光件输出端接点处引出接线串联电阻R61后接地，电容C66并联在电阻R61 上；运算放大器U8A正输入端与开关光耦OP16受光件输出端之间引出接线串联电容C60后与运算放大器U8B正输入端连接，电容C60与运算放大器U8B 正输入端之间引出接线与运算放大器U8A负输入端连接；运算放大器U8A输出端与控制模块连接；开关光耦OP17受光件输入端接入正5V电压，输出端与三极管Q4的基极连接，开关光耦OP17受光件输出端与三极管Q4之间引出接线串联电阻R62后接地，三极管Q4的集电极串联电阻R55后接地，发射极串联电阻R45后接入正5V电压，三极管Q4与电阻R45之间引出接线与运算放大器 U8B的负输入端连接，运算放大器U8B的负输入端串联电容C58后接地，运算放大器U8B的正输入端和负输入端之间连接有电容C56，运算放大器U8B的输出端与控制模块连接。DROP信号表示掉电，ACPL信号表示缺相，DROP信号和ACPL信号接入控制模块中。

当出现掉电、缺相时，接线点3电压小于稳压管击穿电压，D12处于高阻态，电流小于0.2uA，不足够导通光耦，光耦不通，DROP拉低，ACPL拉高。当接线点3电压增加到击穿电压时候，反向电流也会突然猛增，稳压管从而反向击穿，稳压管D12导通，接线点3和4两端稳压在10V左右，光耦导通，DROP 拉高，ACPL拉低，此后，虽然电流在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，稳压管访问电路就起到稳压的作用了，起到了保护后续光耦的作用，电路正常工作。但是如果反向电流超过了允许范围，二极管便会发热击穿，因此电阻R113起到了限流的作用。

由电路图得：运放U8A的2端和U8B的5端由基准电压供电，即

V2＝V5＝VREF＝2.5V

当三相电压正常，光耦OP16不导通时，U8A的3端输入电压：

V3＝5V×{R61/R53+R61)＝1.67V＜V2

运放U8A输出低电平；光耦OP16导通时V3≈5V＞V2输出高电平。

光耦OP17导通时，1端电压小于2端，三极管Q4不导通，运放U8B的6 端输入电压：

运放U8B输出低电平输出低电平。

光耦OP17不导通时，则Q4导通，R55和R47并联(R55||R47)＜R45，由电阻的分压特性，运放的4端电压小于5端，运放输出高电平。

交流过压报警检测电路包括精密稳压芯片，开关光耦OP18，电阻R56和R82，稳压管D16和三极管Q5，接线点4与开关光耦OP17之间引出接线与精密稳压芯片连接，精密稳压芯片另一引脚与开关光耦OP18发光件输出端连接，发光件输入端串联电阻R82后与接线点3连接；开关光耦OP18受光件输入端与三极管Q5基极连接，三极管Q5发射极与控制模块连接，集电极接地，开关光耦OP18受光件输入端与三极管Q5基极之间引出接线串联电阻R56后接入正5V电压，受光件输出端接地。ACOV信号表示过压，ACOV信号接入控制模块中。

本实施例中精密稳压芯片采用TL431型号芯片。当发生交流电过压的时候，稳压管和光耦导通，ACOV拉高。当工作在正常条件下，TL431不工作，光耦阴极相当于断路，稳压管不通光耦不通，ACOV拉低。稳压管D16工作原理与 D12相似，R82和R113一样，也是起到限流作用。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本实用新型专利的涵盖范围。