一种具有多级保护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多级保护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。驱动控制系统结构精密复杂，一旦损坏只能一一排查元器件，十分麻烦。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中容易损坏，修复麻烦的缺点，提供了一种具有多级保护的伺服驱动器。

本发明解决了容易损坏的问题，本设计方案利用了软启动保护电路和线性回馈电路，达到了减少开启瞬间浪涌电流对驱动器内部电路的冲击，起到稳压作用，避免元器件损坏。通过光耦隔离电路隔离强电回路和弱点回路，避免干扰和故障。开关电源电路采用了反激式电源，能够稳定输出恒定电压，能够避免电压振荡。

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：

一种具有多级保护的伺服驱动器，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，功率驱动模块包括开关电源电路、IPM模块、软启动保护电路、线性反馈电路和母线电压检测电路，软启动保护电路与开关电源电路连接，线性反馈电路分别与开关电源电路和软启动保护电路连接，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；其中，开关电源电路，用于向外输出内部工作电压；

IPM模块，用于向外输出电机驱动信号，通过两路输入线与直流电源连接，设该两路输入线分别为P线和N线；

软启动保护电路，用于对开关电源电路产生的浪涌电流进行限流；

线性反馈电路，用于将开关电源电路的输出电流反馈至开关电源电路，构成反馈回路；

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。

软启动保护电路，线性反馈电路和母线电压检测电路共同对驱动器内部电流电压进行限制和监控，能够在电压和电流产生波动的瞬间进行调整，避免波动冲击到元器件，导致故障和损坏。

作为优选，开关电源电路设有主线圈电路，主线圈电路包括开关电源芯片，电容C2、C4、C15、C25、C49和C105，电阻R43和R44，热敏电阻RT1，压敏电阻RV2，共模电感L1，二极管D30，稳压管D31和整流桥BD1；开关电源电路接入三相交流电源，火线输入端串联电容C4后接地，零线输入端串联电容C2后接地，压敏电阻RV2连接在火线和零线之间，共模电感L1一个线圈与火线连接，另一个线圈与零线连接，热敏电阻RT1串联在零线输入端和共模电感L1之间；共模电感L1另一端与整流桥BD1连接，电容C15并联在共模电感L1和整流桥BD1之间，电容C49和电容C25分别并联在通过了整流桥BD1后的火线和零线之间，零线与电容C25的连接点引出接线接地；开关电源芯片设有引脚V、D、S、X、F和C，火线与电容C25的连接点引出接线与开关电源芯片的引脚V连接，开关电源芯片的引脚S、引脚X、引脚F接地；开关电源芯片的引脚D串联二极管D30和稳压管D31后，与通过了整流桥BD1后的火线连接，二极管D30输出端和稳压管D31输出端相对设置，电容C105与稳压管D31并联；开关电源芯片的引脚D与二极管D30的的连接处引出接线点1，零线与稳压管D31的连接处引出接线点2，接线点1和接线点2之间通过线圈连接；设该线圈为主线圈。

电阻RT1为正温度系数热敏电阻，热敏电阻在电路设计中其起到的作用是旁路浪涌电流，在电路上电的瞬间电容是短路的，上电时的电流称为浪涌电流。电路在开启中会存在一个开机浪涌电压，其大小一般是最高电压的1.3倍再增加50V。RV2为压敏电阻用于旁路浪涌电压，简单说就是防雷压敏电阻。C2，C4为陶瓷电容，一端接大地，可以减少火线零线的噪声干扰，抑制差模干扰。C15，C49为低压瓷片电容，与电源输入端并联的作用是滤除整流桥的输入与输出的高频电压信号，以减小高频脉冲对电源的影响。C25为铝电解电容，减少整流过后的输出纹波。L1为共模扼流圈，滤除共模干扰和抑制外界的电磁干扰，由整流桥整流出直流电。D30和D31用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压。D31为稳压管，并联C105为了保护二极管D31，防止击穿，其击穿电压范围为-6.8V～200V。

作为优选，开关电源电路还包括第一从线圈电路和第二从线圈电路，第一从线圈电路包括二极管D29，电容C63、C67、C70和C84，电阻R21和R78；第一从线圈电路中设有第一从线圈，第一从线圈一端与二极管D29的输入端连接，电容C67和电阻R21与二极管D29并联，电容C67与电阻R21串联；二极管D29输出端与第一从线圈另一端之间连接有电容C63、C70、C84和电阻R78，电容C63、C70、C84和电阻R78相互并联，第一从线圈电路向外输出恒定的第一工作电压；第二从线圈电路包括二极管D34，电容C83、C92、C93、C94、C95，电阻R29、R92和电感L2；第二从线圈电路中设有第二从线圈，第二从线圈上设有接线点3和接线点4，接线点3与二极管D34的输入端连接，电容C83和电阻R22与二极管D34并联，电容C83与电阻R22串联；二极管D34输出端与接线点4之间连接有电容C95和C93，C95和C93相互并联，二极管D34的输出端与电感L2连接，电容C92、C94和电阻R29、R92连接在电感L2另一端与接线点4之间，电容C92、C94和电阻R29、R92相互并联，第二从线圈电路向外输出恒定的第二工作电压。

反激式开关电源电路又叫Flyback变换器，是在开关管导通时，电路只储存而不传递能量；在开关管关断时，才向负载传递其储存的能量。反激式开关电源电路具有电路简单，能提供多路直流输出；转换效率高，损失小；有较稳定的输出。此电路设计是反激式开关电源电路，采用了DCM模式，确保在关断的时候，变压器多余的电能能够被彻底消耗完，避免引起振荡。

作为优选，线性反馈电路包括第四线圈，电阻R57、R76、R79、R86、R87、R91、R95、R96和R97，电容C59、C62、C75、C78、C82和C88，发光二极管D20，二极管D15，稳压管D14，开关光耦OP19和精密稳压芯片；第二从线圈电路的二极管D34和电感L2之间引出接线依次串联电阻R87、OP19发光件、电容C82、电阻R96和R95后与精密稳压芯片连接，电阻R95和精密稳压芯片之间引出接线接地；开光光耦OP19发光件的输出端与电容C82之间引出接线与精密稳压芯片连接，电容C88与精密稳压芯片并联；第二从线圈电路的电感L2与电容C94之间引出接线串联电阻R91和发光二极管D20后接地，电阻R91和电感L2之间引出接线串联电阻R86和R97后与精密稳压芯片连接；开关电源芯片的引脚C与开关光耦OP19的受光件输出端输出端连接，受光件与电阻R79、二极管D15和第四线圈串联，第四线圈另一端接地，第四线圈接地端与受光件输入端之间连接有电容C75，开关电源芯片的引脚C和开关光耦OP19之间引出接线串联电容C62后接地，开关电源芯片的引脚C和开关光耦OP19之间引出接线串联电阻R57和电容C59后接地；开关电源芯片的引脚V和开关光耦OP19受光件输入端之间连接有电阻R76和稳压管D14。

电路刚启动时，C88不会充电，当输出的电压逐渐爬升，电流经过开关光耦OP19，此时通过了R87给C88充电。这给“主侧电流”提供了反馈。当C88逐渐充满电，那么经过开关光耦的电流会逐步减小，然后精密稳压芯片切换到操作模式，使输出电压逐步减小，在达到额定输出前不会过冲。

R96、R95、R86处于分压的一端，当输出电压发生波动时，经过分压电阻得到的采样电压就与精密稳压芯片中的2.5V基准电压做比较，形成误差反馈电压，反馈到开关光耦上就表现为发光件的工作电流发生变化，通过受光件再反馈到开关电源芯片，进而控制调节占空比，以达到稳压的目的。

当输出电压小于5V，在精密稳压芯片的作用下，开关光耦通过电流要增大，这个要增大电流的反馈信号回到开关电源芯片的C端，控制其内部MOSFET的正向导通时间延长，即增大占空比，提高输出电压，使第二从线圈电路输出的5V电压逐渐稳定在额定水平，达到电压调节的目的。L2和C94组成低通滤波，用于降低输出纹波电压。

作为优选，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，电阻R108和R109，二极管D22和直流继电器RL1，接插件JP8、电阻R108和R109串联在P线和N线之间，接插件JP8上并联有直流继电器RL1的延时吸合触点，直流继电器RL1的线圈一端接入第一工作电压，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的输出端与第一工作电压连接；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第二工作电压，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后接入第一工作电压，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，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，N线上引出接线串联电阻R3和R2后与运算放大器U14A的负输入端连接，P线上引出接线串联电阻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5，电阻R1和R8之间引出接线点6，接线点5和6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线和N线上电压采样后，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，功率驱动模块还包括交流缺相和掉电检测电路，交流缺相和掉电检测电路与IPM模块输出端连接，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。

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，功率驱动模块还包括交流过压报警检测电路，交流过压报警检测电路与IPM模块输出端连接，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。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。

作为优选，功率驱动模块还包括IPM光耦隔离电路，IPM光耦隔离电路连接在控制模块和IPM模块之间，用于传递控制信号。为实现低压数字电路与高压驱动电路之间的电气隔离，同时由于运用了SVPWM控制算法输出20KHz的高频信号，需要反应速度很快的隔离光耦。IPM光耦隔离电路将电信号变为光信号并进行耦合作用，再由光信号变为电信号进行传输，能有效地将驱动电路中的控制部分与主回路电气隔离，避免主回路部分的强电干扰控制回路的弱电信号，具有抗干扰能力强，工作稳定，传输速率高等优点。

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，设有多个保护电路，多方位的对内部结构进行保护，有效避免电流和电压冲击，减少元器件损坏和烧毁风险，延长使用寿命长，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的开关电源电路和线性反馈电路结构图。

图3是本实用新型实施例1的软启动保护电路动作回路结构图。

图4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5是本实用新型实施例1的母线电压检测电路结构图。

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，一种具有多级保护的伺服驱动器，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，功率驱动模块包括开关电源电路、IPM模块、软启动保护电路、线性反馈电路和母线电压检测电路，软启动保护电路与开关电源电路连接，线性反馈电路分别与开关电源电路和软启动保护电路连接，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；其中，开关电源电路，用于向外输出内部工作电压；

IPM模块，用于向外输出电机驱动信号，通过两路输入线与直流电源连接，设该两路输入线分别为P线和N线；

软启动保护电路，用于对开关电源电路产生的浪涌电流进行限流；

线性反馈电路，用于将开关电源电路的输出电流反馈至开关电源电路，构成反馈回路；

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。

功率驱动模块还包括交流缺相和掉电检测电路，交流缺相和掉电检测电路与IPM模块输出端连接，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。

功率驱动模块还包括交流过压报警检测电路，交流过压报警检测电路与IPM模块输出端连接，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。

功率驱动模块还包括IPM光耦隔离电路，IPM光耦隔离电路连接在控制模块和IPM模块之间，用于传递控制信号。

本实用新型采用IPM模块为核心设计的驱动电路，驱动电路集成于IPM内部，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路还加入了软启动电路，以降低在上电启动过程对IPM模块的冲击。功率驱动模块首先是经过三相整流桥对三相电进行整流，整流得到直流电。经过整流后的三相电，再通过正弦PWM电压型逆变器变频来驱动伺服驱动。

如图2所示，开关电源电路设有主线圈电路，主线圈电路包括开关电源芯片，电容C2、C4、C15、C25、C49和C105，电阻R43和R44，热敏电阻RT1，压敏电阻RV2，共模电感L1，二极管D30，稳压管D31和整流桥BD1；开关电源电路接入三相交流电源，火线输入端串联电容C4后接地，零线输入端串联电容C2后接地，压敏电阻RV2连接在火线和零线之间，共模电感L1一个线圈与火线连接，另一个线圈与零线连接，热敏电阻RT1串联在零线输入端和共模电感L1之间；共模电感L1另一端与整流桥BD1连接，电容C15并联在共模电感L1和整流桥BD1之间，电容C49和电容C25分别并联在通过了整流桥BD1后的火线和零线之间，零线与电容C25的连接点引出接线接地；开关电源芯片设有引脚V、D、S、X、F和C，火线与电容C25的连接点引出接线与开关电源芯片的引脚V连接，开关电源芯片的引脚S、引脚X、引脚F接地；开关电源芯片的引脚D串联二极管D30和稳压管D31后，与通过了整流桥BD1后的火线连接，二极管D30输出端和稳压管D31输出端相对设置，电容C105与稳压管D31并联；开关电源芯片的引脚D与二极管D30的的连接处引出接线点1，零线与稳压管D31的连接处引出接线点2，接线点1和接线点2之间通过线圈连接；设该线圈为主线圈。

开关电源电路还包括第一从线圈电路和第二从线圈电路，第一从线圈电路包括二极管D29，电容C63、C67、C70和C84，电阻R21和R78；第一从线圈电路中设有第一从线圈，第一从线圈一端与二极管D29的输入端连接，电容C67和电阻R21与二极管D29并联，电容C67与电阻R21串联；二极管D29输出端与第一从线圈另一端之间连接有电容C63、C70、C84和电阻R78，电容C63、C70、C84和电阻R78相互并联，第一从线圈电路向外输出恒定的第一工作电压；第二从线圈电路包括二极管D34，电容C83、C92、C93、C94、C95，电阻R29、R92和电感L2；第二从线圈电路中设有第二从线圈，第二从线圈上设有接线点3和接线点4，接线点3与二极管D34的输入端连接，电容C83和电阻R22与二极管D34并联，电容C83与电阻R22串联；二极管D34输出端与接线点4之间连接有电容C95和C93，C95和C93相互并联，二极管D34的输出端与电感L2连接，电容C92、C94和电阻R29、R92连接在电感L2另一端与接线点4之间，电容C92、C94和电阻R29、R92相互并联，第二从线圈电路向外输出恒定的第二工作电压。本实施例中开关电源芯片型号为TOP255YN。

线性反馈电路包括第四线圈，电阻R57、R76、R79、R86、R87、R91、R95、R96和R97，电容C59、C62、C75、C78、C82和C88，发光二极管D20，二极管D15，稳压管D14，开关光耦OP19和精密稳压芯片；第二从线圈电路的二极管D34和电感L2之间引出接线依次串联电阻R87、OP19发光件、电容C82、电阻R96和R95后与精密稳压芯片连接，电阻R95和精密稳压芯片之间引出接线接地；开光光耦OP19发光件的输出端与电容C82之间引出接线与精密稳压芯片连接，电容C88与精密稳压芯片并联；第二从线圈电路的电感L2与电容C94之间引出接线串联电阻R91和发光二极管D20后接地，电阻R91和电感L2之间引出接线串联电阻R86和R97后与精密稳压芯片连接；开关电源芯片的引脚C与开关光耦OP19的受光件输出端输出端连接，受光件与电阻R79、二极管D15和第四线圈串联，第四线圈另一端接地，第四线圈接地端与受光件输入端之间连接有电容C75，开关电源芯片的引脚C和开关光耦OP19之间引出接线串联电容C62后接地，开关电源芯片的引脚C和开关光耦OP19之间引出接线串联电阻R57和电容C59后接地；开关电源芯片的引脚V和开关光耦OP19受光件输入端之间连接有电阻R76和稳压管D14。精密稳压芯片型号为TL431。

如图3和图4所示，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，电阻R108和R109，二极管D22和直流继电器RL1，接插件JP8、电阻R108和R109串联在P线和N线之间，接插件JP8上并联有直流继电器RL1的延时吸合触点，直流继电器RL1的线圈一端接入第一工作电压，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的输出端与第一工作电压连接；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第二工作电压，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后接入第一工作电压，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是通过串电阻JP8连接起来的。

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，N线上引出接线串联电阻R3和R2后与运算放大器U14A的负输入端连接，P线上引出接线串联电阻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5，电阻R1和R8之间引出接线点6，接线点5和6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。

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。