专利名称：一种低电压全数字交流永磁伺服电机驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于交流永磁伺服电机技术领域，特势i涉及一种低电压全数字交流 永磁伺服电机驱动器，适用于对低电压交流永磁电机的精确控制。
技术背景早期的伺服电机驱动器采用模拟控制方式，所有的控制算法实现都是通过硬件 电路来完成的，实现起来非常困难，电路参数调整也根不易，而且运行稳定性较差， 故障维护费用高。随着半导体技术的发展，出现了大规模集成电路，模拟伺服电机 驱动器已经渐渐被淘汰。全数字交流永磁伺服电机驱动器控制算法实现都是通过软 件来完成的，核心部件DSP集成了很多外围电路，这样使驱动器的硬件结构大大简 化，系统更加稳定，调试维护费用大大降低。目前国内的伺服电机驱动器市场绝大部分被国外占有，这些驱动器大部分采用 高压方案，无法用于对人身安全要求较高的场合。本实用新型涉及的一种全数字交 流永磁伺服电机驱动器母线电压可以低至24V,对人身安全有绝对的保障，非常适用 于车载电源系统等场合。发明内容本实用新型的目的是提供一种低电压全数字交流永磁伺服电机驱动器。解决了 伺服电机无法在低电压场合中应用的问题。本实用新型包括DSP系统(U1)、码盘输入电路(F1)、上位机给定电路(F2)、电流 电压检测电路(F3)、 PWM脉冲锁存电路(F4)、 IPM及其驱动电路(F5)。码盘输 入电路(F1)输出6路信号PA、 PB、 PZ、 TU、 TV、 TW分别接DSP(U1)的管脚67、 68、 69、 106、 107、 108,输出码盘故障信号ERRENC接DSP (Ul)的I/O管脚40; 上位机给定电路(F2)信号SPISOMI、 SPICLK、 SPISTE、 XINT1、 SPISIMO，分别 接DSP (Ul)的管脚48、 49、 51、 53、 45;电流电压检测电路(F3)输出的母线电 压信号UD接DSP (Ul)的管脚77,输出的电机两相定子电流信号IA、 IC分别接 DSP的管脚79、 80; PWM脉冲锁存电路(F4)输入端分别接DSP (Ul)的管脚94、 96、 98、 100、 101、 102,输出端输出6路PWM脉冲信号(DH1、 DH2、 DH3、 DL1、 DL2、 DL3)分别接IPM及其驱动电路(F5); IPM及其驱动电路(F5)接DSP (Ul) 的管脚99输出的制动控制信号RBRK，输出的电源模块故障信号PERR分别接DSP 的管脚52和PWM脉冲锁存电路(F4)。本实用新型所用的DSP(U1)是TI公司的2000系列定点DSPTMS320F240,是本 实用新型的核心器件，控制软件在其上运行。使能信号(ENABLE)通过DSP的管 脚105输入，控制PWM脉冲的输出。码盘输入电路(F1)的功能是将电机光电码盘德号和码盘故障状态信号输入给 DSP系统(U1)。如图2所示，在码盘输入电路中，电机的光电码盘(F6)输出的6路差分信号(A-AN、 B-BN、 Z-ZN、 U-UN、 V-VN、 W-WN)分别接差分信号输入 芯片AM26LS32AI(U3、U4)的管脚2、 1、6、7、 10、 9,差分信号输入芯片AM26LS32AI (U3、 U4)的输出端管脚3、 5、 11分别输出6路信号PA、 PB、 PZ、 TU、 TV、 TW 分别接DSP(U1)的管脚67、 68、 69、 106、 107、 108。电机的光电码盘(F6)输出的 其中3路差分信号(A-AN、 B-BN、 Z-ZN)分别接异或门集成芯片74HCT86 (U2) 的管脚4、 5、 9、 10、 12、 13, 74HCT86 (U2)的输出端管脚6、 8、 11短接后接上 拉电阻Rl的一端，同时接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输出码盘故障信号 ERRENC接DSP (Ul)的1/0管脚40。其余管脚及电路为常规接法。上位机给定电路(F2)的功能是将上位机模拟量给定信号输入到DSP系统(U1)。 如图3所示，上位机给定电路中，隔离放大器IS0124U (U5)的管脚l、 2和15、 16分别接两路隔离的土15V电源，管脚27接上位机模拟量给定输入信号INPUT， 管脚13接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接A/D转换器AD977AR (U6)的管脚 1， A/D转换器AD977AR (U6)的管脚12、 13、 15、 17、 18分别对应信号SPISOMI、 SPICLK、 SPISTE、 XINT1、 SPISIMO，分别接DSP (Ul)的管脚48、 49、 51、 53、 45。其余电路为常规接法。电流电压捡测电路(F3)的功能是测量母线电压和电机定子电流。如图4所示， 电压检测电路中，母线(P、 N)电压的正(P)接电阻R6的一端，R6的另一端接 CHV-25P宇波电压传感器(U10)的+HT端，母线(P、 N)电压的负(N)接CHV-25P 宇波电压传感器(U10)的-HT端。CHV-25P宇波电压传感器(U10)的输出端M输 出信号UD接DSP的管脚77。电流检测电路中，电流检测元件LTS25NP (U7、 U8) 输出电机的两相定子电流信号IA、 IC分别接DSP的管脚79、 80。其余电路为常规 接法。PWM脉冲锁存电路(F4)的功能是控制DSP的六路PWM脉冲输出给IPM及 其驱动电路(F5)。如图5所示，PWM脉冲锁存电路中，DSP (Ul)的管脚94、 96、 98、 100、 101、 102分别连接74HCT573锁存器(U11)的输入管脚2、 3、 4、 5、 6、 7, 74HCT573锁存器(U11)的输出管脚19、 18、 17、 16、 15、 14分别接IPM及其 驱动电路(F5)中的光电耦合器。IPM及其驱动电路(F5)输出的电源模块故障信 号PERR接电阻R16的一端，R16的另一端接74HCT573锁存器(U11)的管脚l。 其余电路为常规接法。IPM及其驱动电路(F5)的功能是将DSP的控制信号转化为对电机的控制。本 实用新型选择三菱公司的IPM PM300RLA060,驱动电路为该数据手册上的推荐电 路，在此不作详细说明。该部分电路的输入信号为由PWM脉冲锁存电路(F4)输 出的6路PWM脉冲信号(DH1、 DH2、 DH3、 DL1、 DL2、 DL3)和DSP输出的制 动控制信号RBRK，输出信号直接控制电机主回路，另外还有一个电源模块故障信 号PERR输出给DSP和PWM脉冲锁存电路。本实用新型的优点釆用全数字方案，控翁i精度高；控制算法通过软件实现便 于维护升级；输入电压范围广，可以用于低电压场合，对人身安全有很大的保障。 说明书附國
图1为本实用新型的系统原理总图。 图2为本实用新型的码盘输入电路。 图3为本实用新型的上位机给定电路。 图4为本实用新型的电流电压检测电路。 图5为本实用新型的PWM脉冲锁存电路。
具体实施方式
下面将通过附图对本实用新型作进一步的详细说明。1. 系统原理总图如图l所示，Fl:码盘输入电路，F2:上位机给定电路，F3:电流电压检测电 路，F4: PWM脉冲锁存电路，F5: IPM及其驱动电路，Ul: DSPTMS320F240。码盘输入电路(Fl)将电机光电码盘信号和码盘故障^t态信号输入给DSP系统 (Ul)， DSP通过码盘信号可以确定电机的转速和方向以及电机转子的位置，通过软 件控制电机运行;上位机给定电路(F2)将上位机模拟量给定信号输入到DSP系统(U1) 以实现对电机的控制，模拟量给定信号输入范围-1(^-+10￥;电流电压检测电路(F3) 测量母线电压和电机定子电流，前者用于过压、欠压保护以及制动条件判断，后者 是用于电机控制的重要参数；PWM脉冲锁存电路(F4)控制DSP的六路PWM脉 冲(DH1、 DH2、 DH3、 DL1、 DL2、 DL3)输出给IPM及其驱动电路(F5)，当IPM 出现故障时，立刻停止PWM脉冲输出，以保护IPM; IPM及其驱动电路(F5)将 DSP的控制信号转化为对电机的控制，DSP和IPM之间传递的信号需要经过光电隔 离，IPM输出信号直接控制电机。使能信号(ENABLE)通过DSP的管脚105输入， 控制PWM脉冲的输出。DSP采用TI公司的TMS320F240 (Ul),是本实用新型的核心部件，控制算法 在其上面实现，其内部集成了很多专用于电机控制的模块，大大简化了外围电路。2. 码盘输入电路如图2所示，U2:异或门74HCT86, U3、 U4:差分输入芯片AM26LS32AI, F6:电机光电码盘，Rl: 2.2K欧电阻，R2: 390欧电阻，Cl: luF/16V电容。电机的光电码盘(F6)输出的6路差分信号(A-AN、 B-BN、 Z-ZN、 U-UN、 V-VN、 W-WN)分别接差分信号输入芯片AM26LS32AI (U3、 U4)的管脚2、 1、 6、 7、 10、 9,差分信号输入芯片AM26LS32AI (U3、 U4)的输出繃管脚3、 5、 11分别输出6 路信号PA、 PB、 PZ、 TU、 TV、 TW分别接DSP(U1滩管脚67、 68、 69、 106、 107、 108。电机的光电码盘(F6)输出的其中3路差分信号(A-AN、 B-BN、 Z-ZN)分别 接异或门集成芯片74HCT86 (U2)的管脚4、 5、 9、 10、 12、 13， 74HCT86 (U2) 的输出端管脚6、 8、 ll短接后接上拉电阻Rl的一壩，阔时接电阻R2的一端，电阻 R2的另一端输出码盘故障信号ERRENC到DSP 的1/0管脚40。其余管脚及
电路为常规接法。3. 上位机给定电路如图3所示，U5:隔离放大器IS0124U， U6: A/D转换器AD977AR, R3: 200 欧电阻，R4: 100欧电阻，R5: 33.2K欧电阻，C2: luF/16V电容，C3: 2.2uF/16V 电容，C4: 2.2uF/16V电容。U5的管脚1、 2和15、 16分别接两路隔离的士15V电源，管脚27接上位机模 拟量给定输入信号INPUT,管脚13接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接A/D转 换器AD977AR (U6)的管脚l， A/D转换器AD977AR (U6)的管脚12、 13、 15、 17、 18分别对应信号SPISOMI、 SPICLK、 SPISTE、 XINT1、 SPISIMO，分别接DSP (Ul)的管脚48、 49、 51、 53、 45。其余电路为常规接法。4. 电流电压检测如图4所示。U10: CHV-25P宇波电压传感器，U7、 U8: LTS25NP电流传感 器，R6: 10K欧3W电阻，R7: 200欧电阻，C5: 4.7uF/100V电容，Dl-D3:肖特 基二极管1N4734A。母线(P、 N)电压的正(P)接电阻R6的一端，R6的另一端接CHV-25P宇波 电压传感器(U10)的+HT端，母线(P、 N)电压的负(N)接CHV-25P宇波电压 传感器(U10)的-HT端。U10的输出端M输出信号UD经过电阻(R7)和稳压管 (D1)的滤波后输入到DSP的管脚77。电流检測电路中，电流检测元件LTS25NP (U7、 U8)检测输出电机的两相定子电流信号IA、 IC分别接DSP的管脚79、 80。 其余电路为常规接法。5. PWM脉冲锁存电路如图5所示。Ul: DSPTMS320F240, Ull: 74HCT573锁存器,F5: IPM及其 驱动电路，R16: 100欧电阻，R17: 1000欧电阻，C12: 22nF/16V电容。DSP (Ul)的管脚94、 96、 98、 100、 101、 102分别驗74HCT573锁存器(U11) 的输入管脚2、 3、 4、 5、 6、 7， 74HCT573锁存器(U11)的输出管脚19、 18、 17、 16、 15、 14分别接IPM及其驱动电路(F5)中的光电耦合器。IPM及其驱动电路(F5) 输出的电源模块故障信号PERR接电阻R16的一端，R16的另一端接Ull的管脚1。 其余电路为常规接法。
权利要求1、 一种低电压全数字交流永磁伺服电机驅^I器,包括DSP系统(U1)、 码盘输入电路(F1)、上位机给定电路(F2)、电流电压检测电路(F3)、PWM 脉冲锁存电路(F4)、 IPM及其驱动电路(F5);其特征在于，码盘输入 电路(F1)输出6路信号PA、 PB、 PZ、 TU、 TV、 TW分别接DSP(U1) 的管脚(67、 68、 69、 106、 107、 108)，输出码盘故障信号ERRENC接 DSP(U1 )的I/O管脚(40);上位机给定电路(F2)信号SPISOMI、SPICLK、 SPISTE、 XINT1、 SPISIMO，分别接DSP (Ul)的管脚(48、 49、 51、 53、 45);电流电压检测电路(F3)输出的母线电压信号UD接DSP (Ul) 的管脚(77)，输出的电机两相定子电流信号IA、 IC分别接DSP的管脚(79、 80); PWM脉冲锁存电路(F4)输入端分别接DSP (Ul)的管脚 (94、 96、 98、 100、 101、 102)，输出端输出6路PWM脉冲信号(DH1、 DH2、 DH3、 DU、 DL2、 DL3)分别接IPM及其驱动电路(F5); IPM 及其驱动电路(F5)接DSP (Ul)的管脚(99)输出的制动控制信号 RBRK,输出的电源模块故障信号PERR分别接DSP的管脚(52)和PWM 脉冲锁存电路(F4)。
2、 按照权利要求1所述的驱动器，其特征在于，在码盘输入电路中， 电机的光电码盘(F6)输出的6路差分信号(A-AN、 B-BN、 Z-ZN、 U-UN、 V-VN、 W-聰)分别接差分信号输入芯片AM26LS32AI (U3、 U4)的 管脚(2、 1、 6、 7、 10、 9),差分信号输入芯片AM26LS32AI (U3、 U4) 的输出端管脚(3、 5、 11)分别输出6路信号PA、 PB、 PZ、 TU、 TV、 TW分别接DSP(U1)的管脚(67、 68、 69、 106、 107、 108);电机的光 电码盘(F6)输出的其中3路差分信号(A-AN、 B-BN、 Z-ZN)分别接 异或门集成芯片74HCT86 (U2)的管脚(4、 5、 9、 10、 12、 13)， 74HCT86(U2)的输出端管脚(6、 8、 11)短接后接上拉电阻R1的一端，同时 接电阻R2的一端，电阻R2的另一端输出码癱鑰障信号ERRENC接DSP(Ul)的I/0管脚(40)。
3、 按照权利要求1所述的驱动器，其特征在于，上位机给定电路中， 隔离放大器IS0124U (U5)的管脚(1、 2)和(15、 16)分别接两路隔 离的土15V电源，管脚(27)接上位机模拟量给定输入信号INPUT,管 脚(13)接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接A/D转换器AD977AR(U6)的管脚(1)， A/D转换器AD977AR (U6)的管脚(12、 13、 15、 17、 18)分别对应信号SPISOM、 SPICLK、 SPISTE、 XINT1、 SPISIMO, 分别接DSP (Ul)的管脚(48、 49、 51、 53、 45)。
4、 按照权利要求1所述的驱动器，其特征在于，电压检测电路中， 母线(P、 N)电压的正(P)接电阻R6的一端，R6的另一端接CHV-25P 宇波电压传感器(U10)的+HT端，母线(P、N)电压的负(N)接CHV-25P 宇波电压传感器(U10)的-HT端；CHV-25P宇波电压传感器(U10)的 输出端M输出信号UD连接DSP的管脚(77);电流检测电路中，电流 检测元件LTS25NP (U7、 U8)输出电机的两相定子电流信号IA、 IC分 别接DSP的管脚(79、 80)。
5、 按照权利要求1所述的驱动器，其特征在于，PWM脉沖锁存 电路中，DSP (Ul)的管脚(94、 96、 98、 100、 101、 102)分别连接 74HCT573锁存器(U11)的输入管脚(2、 3、 4、 5、 6、 7), 74HCT573 锁存器(U11)的输出管脚(19、 18、 17、 16、 15、 14)分别接IPM及 其驱动电路(F5)中的光电耦合器；IPM及其驱动电路(F5)输出的电 源模块故障信号PERR接电阻R16的一端，R16的另一端接74HCT573 锁存器(U11)的管脚(1)。
专利摘要一种低电压全数字交流永磁伺服电机驱动器，属于交流永磁伺服电机技术领域。包括DSP系统(U1)、码盘输入电路(F1)、上位机给定电路(F2)、电流电压检测电路(F3)、PWM脉冲锁存电路(F4)、IPM及其驱动电路(F5)。优点在于，输入电压范围广，可以用于低电压场合，对人身安全有很大的保障。
文档编号H02P6/08GK201039062SQ20072010342
公开日2008年3月19日 申请日期2007年2月1日 优先权日2007年2月1日
发明者康爱红, 戴晓飞, 晏朋飞, 王东文, 王伟辉, 王建伟, 哲 黄 申请人:冶金自动化研究设计院