一种基于分段pi控制的低压直流伺服驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于直流电动机驱动领域，具体的说，涉及一种基于分段pi控制的低压直 流伺服驱动器。
【背景技术】
[0002] 伺服驱动产品在工业生产中的应用十分广泛，主要应用在高精度数控机床、机器 人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、自 动流水线等。目前国内伺服市场是以外资品牌为主，主要来自日本、欧洲和美国品牌，占据 份额达到76.8%，内资品牌占23.2%，市场竞争十分激烈。
[0003] 相比于工业用伺服驱动市场，军用级伺服驱动市场具有产品需求订制化、竞争相 对较少、国产化要求等特点，同时，军用级伺服驱动器要求具有更高的可靠性，能满足更苛 刻的使用环境和性能要求。据调研，在特种工控及军事工业中，由于其应用环境恶劣，往往 要求产品具有较高的环境适应性，而类似的驱动器产品较少，其原因如下：1、国外产品众 多，但对国内仍实行技术封锁，即使通过特殊途径能采购到军工级产品，其后续保障也存在 风险；2、国内在该技术领域起步较晚，现有产品普遍存在价格昂贵、功能单一、体积大等缺 点。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种体积小、环境适应 性强、动态响应快和可靠性高的基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器。
[0005] 本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于 分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其特点是： 该伺服驱动器的控制系统包含三个控制回路：电流环、速度环和位置环，该伺服驱动器 在接收到上位机的使能信号后，进入驱动工作模式，由A/D转换电路或通讯接口量化上位机 的位置、速度或力矩电流信号，作为位置环、速度环或电流环的输入信号，控制M0SFET逆变 电路输出以驱动伺服电机;同时由增量编码器及电流采样电路检测角度、速度、电流数据作 为三环的反馈信号，DSP处理器根据命令数据及反馈数据的PI控制算法控制M0SFET驱动电 路输出以驱动伺服电机;在M0SFET驱动电路前端加入逻辑处理电路和驱动保护电路，实现 M0SFET逆变电路驱动保护和PWM逻辑电平保护。
[0006] 本发明所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其进一步优选的技术 方案是:该伺服驱动器的电路主要包括电源单元、主控单元、逆变单元、信号调理单元、电机 速度及角度测量单元、故障保护单元和通讯单元。
[0007] 本发明所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其进一步优选的技术 方案是:各单元电路具体为： a)电源单元 包括主控制5V电源、12V驱动电源两部分； 主控制5V电源电路用于产生控制电路工作所需的电源供给； 12V驱动电源电路用于产生MOSFET驱动电路所需的电源供给； 伺服驱动器电源单元输入端设有滤波电容以及由单向导电二极管、TVS、压敏电阻、电 感组成的浪涌保护电路； b) 主控单元 主控单元主要包括DSP信号处理器电路； DSP信号处理器电路主要完成指令接受、各种信号采集、PWM信号生成、输出力矩控制、 速度跟踪控制、故障处理任务； c) 逆变单元 逆变单元主要包括MOSFET驱动电路、MOSFET逆变电路及故障信号检测电路； MOSFET驱动电路主要实现对MOSFET的开关驱动； MOSFET逆变电路主要用于实现对直流伺服电机的驱动控制； 故障信号检测电路主要用于逆变过程中电流电压等易导致驱动故障的信号进行反馈 处理的电路； d) 信号调理单元 信号调理单元主要包括三相电流采样电路、直流母线电压采样电路、模拟输入接口电 路及I/O信号接口电路； 调理电路对各种模拟输入信号进行滤波、归一化处理后送AD芯片采样和DSP的AD输入P; 调理电路对各种I/O信号经过光耦隔离处理输入输出DSP; e) 电机速度及角度测量单元 电机速度及角度测量单元提供标准差分增量输入接口； f) 故障保护单元 故障保护单元主要包括MOSFET驱动保护电路、制动保护输出、PWM信号逻辑保护； g) 通讯单元 提供RS232、CAN两组通讯接口，可配置为与上位机通讯，用于系统参数设置、状态监测， 并用于数字位置控制、速度控制或力矩电流控制模式。
[0008] 本发明所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其进一步优选的技术 方案是:输入工作主电源范围为7.5V~59V，额定功率为960W;滤波电容以及浪涌保护电路在 伺服驱动器器件外围实现。
[0009]本发明所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其进一步优选的技术 方案是:所述的伺服驱动器提供RS232、CAN两种通讯接口，用于系统参数设置、状态监测;伺 服驱动器的硬件接口包括：电源接口、电机接口、通讯接口、模拟接口、数字接口、编码器接 □〇
[0010] 本发明所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其进一步优选的技术 方案是:所述的伺服驱动器的印制板设计为两层即上层控制板与下层功率板，上层控制板 与下层功率板之间通过插针连接及固定，插针与印制板间连接采用焊接方式;功率板上面 装有6个MOSFET模块，分装在两条平行线上，与之相对应的底面设计有左右两条散热焊条， 它们之间通过多层覆铜散热，同时散热焊条通过回流焊的方式与底部散热板相连。
[0011] 本发明所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器，其进一步优选的技术 方案是:所述的伺服驱动器外壳采用ΡΡ0塑料通过注塑成型的方式做成盒状卡于散热板上， 其中散热板材料为铝，表层镀镍;外壳、控制板及功率板上各预留2个灌封口，装配时先进行 上下两板通过插针的焊接连接，再与底部散热板焊接连接，最后再卡上塑料外壳，装配完毕 后，进行灌胶处理。
[0012] 本发明主要包含的三个控制回路，即电流环、速度环、位置环，均采用PI调节器。电 流环实现对对电磁转矩的快速调节;速度环用于调节电机转速，位置环用于位置定位控制， 适当设置其PI参数，可以有效增强调速系统抗负载扰动的能力。系统采用带霍尔传感器的 增量编码器来获取电机转速、转子位置，分别用于转速及位置闭环控制;采用小电阻分压来 获取电机三相电流，用于电流环的控制。
[0013] 与现有技术相比，本发明的显著优点是:硬件设计简单，体积小，维护方便，调速范 围较宽，动态响应速度快和可靠性高等特点。
【附图说明】
[0014] 图1本发明驱动器工作原理框图； 图2浪涌保护电路示意图； 图3主中断程序流程框图；图4一6为图3的局部放大图； 图7PWM逻辑保护电路示意图； 图8制动电路原理框图； 图9电压比较器电路图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0016] 实施例1，参照图1，一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器： 该伺服驱动器的控制系统包含三个控制回路：电流环、速度环和位置环，该伺服驱动器 在接收到上位机的使能信号后，进入驱动工作模式，由A/D转换电路或通讯接口量化上位机 的位置、速度或力矩电流信号，作为位置环、速度环或电流环的输入信号，控制M0SFET逆变 电路输出以驱动伺服电机;同时由增量编码器及电流采样电路检测角度、速度、电流数据作 为三环的反馈信号，DSP处理器根据命令数据及反馈数据的PI控制算法控制M0SFET驱动电 路输出以驱动伺服电机;在M0SFET驱动电路前端加入逻辑处理电路和驱动保护电路，实现 M0SFET逆变电路驱动保护和PWM逻辑电平保护。
[0017] 实施例2,实施例1所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器中：该伺服 驱动器的电路主要包括电源单元、主控单元、逆变单元、信号调理单元、电机速度及角度测 量单元、故障保护单元和通讯单元。
[0018] 实施例3,实施例2所述的一种基于分段PI控制的低压直流伺服驱动器中，各单元 电路具体为： a)电源单元 包括主控制5V电源、12V驱动电源两部分； 主控制5V电源电路用于产生控制电路工作所需的电源供给； 12V驱动电源电路用于产生MOSFET驱动电路所需的电源供给； 伺服驱动器电源单元输入端设有滤波电容以及由单向导电二极管、TVS、压敏电阻、电 感组成的浪涌保护电路； b) 主控单元 主控单元主要包括DSP信号处理器电路； DSP信号处理器电路主要完成指令接受、各种信号采集、PWM信号生成、输出力矩控制、 速度跟踪