CN106487279A - 高功率密度伺服电机驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高功率密度伺服电机驱动器，包括：位于顶层的接口电路板，设置有多个通信接口、与所述伺服电机相关联的多个伺服电机反馈信息接口和电源接口；位于中间层的控制电路板，设置有基于FPGA的接口信息处理模块、基于DSP的主控模块、基于单片机的通信处理模块以及信息存储模块，用于基于经由所述多个通信接口和所述多个伺服电机反馈信息接口传输的信号以及来自功率驱动电路板的信号，输出PWM信号；位于底层的功率驱动电路板，设置有隔离型功率逆变模块和容错保护模块，用于接收并且处理所述PWM信号以控制所述伺服电机。
Description
技术领域
本发明涉及机器人伺服控制领域，具体地涉及一种高功率密度伺服电机驱动器。
背景技术
为了随着永磁材料、新型电力电子器件和数字处理器技术的发展，高性能电机与现代控制理论相结合，使机电伺服技术迅速崛起。机电伺服***的应用越来越广泛，同时对其的集成度和可靠性要求也越来越高。
伺服***包括伺服电机和伺服驱动器，具有控制精度高、响应速度快的优点。随着机器人技术的发展，中小功率电机驱动器在轻型机械臂、一体化伺服关节、仿生机器人和特种机器人等领域需求广泛。
功率密度指的是驱动器输出的最大功率与驱动器本身质量或体积的比值，当前机器人相关行业产品对功率密度、体积等有严格要求，现有驱动器产品体积大，不利于安装集成。
发明内容
针对现有技术的驱动器在控制性能和高功率密度方面不能兼顾、可靠性不足的问题，本发明提供一种伺服电机驱动器，其具有体积小、功率密度高、支持多种电机反馈信息接口、多功能和智能化的特点，满足机器人和机械臂对中小功率机电伺服***驱动器高功率和小体积的要求，显著提高了驱动器的功率密度、集成度和可靠性。
根据本发明的一方面，所述高功率密度伺服电机驱动器，包括：
位于顶层的接口电路板，设置有多个通信接口、与所述伺服电机相关联的多个伺服电机反馈信息接口和电源接口；
位于中间层的控制电路板，设置有基于FPGA的接口信息处理模块、基于DSP的主控模块、基于单片机的通信处理模块以及信息存储模块，用于基于经由所述多个通信接口和所述多个伺服电机反馈信息接口传输的信号以及来自功率驱动电路板的信号，输出PWM信号；
位于底层的功率驱动电路板，设置有隔离型功率逆变模块和容错保护模块，用于接收并且处理所述PWM信号以控制所述伺服电机。
根据实施例，所述多个通信接口包括:CAN总线接口,用于经由CAN总线在所述主控模块与上位机之间传输信号；USB接口和EtherCAT总线接口，用于在所述通信处理模块与上位机之间传输信号；RS232接口，用于经由RS232总线在所述接口信息处理模块与上位机之间传输信号，并且所述多个伺服电机反馈信息接口包括：编码器接口，用于将经过所述接口信息处理模块处理后的信号传输到所述主控模块的EQEP接口；以及霍尔传感器接口，用于将经过所述接口信息处理模块处理后的信号传输到所述主控模块的ECAP接口；JTAG接口，用于仿真器对所述DSP和所述单片机的程序在线调试和烧写；并且所述电源接口由电源模块用于向所述接口电路板、所述控制电路板以及功率驱动电路板供电。
根据实施例，所述主控模块包括：
DSP芯片，设置有ADC接口，用于接收电机电流信号、安全扭矩关断(STO)信号以及正余弦编码器信号；设置有ECAP接口，用于接收故障信号以中断程序以及从所述接口信息处理模块接收位置传感信号；设置有EQEP接口，用于从所述接口信息处理模块接收正交编码器格式的各种编码器信号；设置有通用I/O接口，用于经由光耦隔离执行输入/输出功能；设置有TZ管脚，用于接收来自所述容错保护模块的过流、过压、过温保护信号；设置有SPI接口，用于接收存储在所述信息存储模块的控制参数；设置有XINTF接口，用于接收存储在所述信息存储模块的扩展程序；以及设置有PWM输出接口，用于所述DSP芯片在经由所述CAN总线接口从所述上位机接收的控制信号的控制下，使用从所述ADC接口、所述ECAP接口、所述EQEP接口、所述TZ管脚接收的信号以及从所述SPI接口接收的控制参数和从所述XINTF接口接收的扩展程序，执行特定控制算法的伺服运算，以输出PWM信号；
功能接口电路，用于辅助支持所述CAN总线接口、所述通用I/O接口、所述ADC接口、所述ECAP接口、所述EQEP接口、所述TZ管脚以及所述PWM输出接口进行信号传输功能；
掉电复位电路，用于在电源电压低于预定值时产生复位信号；
时钟电路，用于产生用于所述主控模块的时钟信号；以及
JTAG接口电路，用于辅助支持所述仿真器接口。
根据实施例，所述接口信息处理模块包括：
信号采集调理电路，设置有数字I/0模块，用于经由光耦隔离电路与FPGA芯片传输信号；设置有霍尔传感器输入模块，用于将霍尔信号经过施密特整形滤波后输入FPGA芯片；设置有增量式编码器信号输入模块，用于经由差分接收器电路在所述主控模块与FPGA芯片之间传输信号；设置有串行绝对值编码器信号输入模块，用于经过RS485收发器在所述主控模块与FPGA芯片之间传输信号；设置有STO模块，用于使能并且输入STO信号；
FPGA芯片，用于经由所述信号采集调理电路与所述主控模块之间传输信号；以及
时钟电路，用于生成用于所述接口信息处理模块的时钟信号；
JTAG接口电路，用于辅助支持所述仿真器接口。
根据实施例，所述通信处理模块包括：
USB接口电路，经由EMI滤波和保护电路连接所述USB接口与单片机芯片，用于在所述通信处理模块与上位机之间传输信号；
EtherCAT总线接口电路，经由以太网物理层收发器和EtherCAT从站控制器芯片连接所述EtherCAT总线接口与单片机芯片，用于在所述通信处理模块与上位机之间传输信号；
单片机芯片，用于经由所述USB接口电路和所述EtherCAT总线接口电路与上位机传输信号；
时钟电路，用于生成用于所述通信处理模块的时钟信号；以及
JTAG接口电路，用于辅助支持所述仿真器接口；
其中，所述单片机芯片还通过SPI总线与所述主控模块连接，用于上位机与驱动器的实时控制与信息交互；并且还通过IIC总线与所述接口信息处理模块连接，用于上位机与所述接口信息处理模块信息交互以及所述接口信息处理模块的程序的在线更新。
根据实施例，所述信息存储模块包括：
Flash存储器，经由SPI总线连接所述主控模块，用于所述主控模块固化运行程序；以及
SRAM存储器，经由XINTF总线连接所述主控模块和所述接口信息处理模块，用于提升所述主控模块程序运行速度和容量，以及通过共享部分存储空间的方式实现所述主控模块与所述接口信息处理模块的信息交互。
根据实施例，所述隔离型功率逆变模块包括：
PWM信号滤波电路，用于对所述PWM信号进行滤波，并将滤波后的PWM信号传输至隔离驱动电路；
隔离驱动电路，用于对滤波后的PWM信号进行隔离放大，并且将其传输给H桥逆变电路；隔离驱动电路中的自举电路用于提供导通位于上桥臂的用作功率器件的MOSFET的自举电压；
H桥逆变电路，用于由位于其上下桥臂的MOSFET接收经过隔离放大的PWM信号，其中位于下桥臂的MOSFET的源极接地；以及
电流采样电路，用于采集所述伺服电机的电流并传输至所述主控模块的所述ADC接口，用于所述主控模块对所述伺服电机的电流环闭环控制。
根据实施例，所述容错保护模块包括：
过流保护电路，用于通过电流监控电路采集所述隔离型功率逆变模块的功率电输入电流信号，并且通过过流比较器电路将所采集的电流信号与预定阈值比较，并且将比较结果传输至所述主控模块的所述TZ管脚；
过压保护电路，用于通过电压监控电路采集所述隔离型功率逆变模块的功率电电压信号，并且通过过压比较器电路将所采集的电压信号与预定阈值比较，并且将比较结果传输至所述主控模块的所述TZ管脚；
过温保护电路，用于通过温度监控电路检测所述功率驱动电路板的温度，并且通过过温比较器电路将所检测的温度与预定阈值比较，并且将比较结果传输至所述主控模块的所述TZ管脚；以及
安全扭矩关断电路，用于将安全力矩关断(STO)信号经由光耦隔离电路传输给所述主控模块的所述ADC接口，
其中，在比较结果不满足保护机制的要求时，所述主控模块停止输出所述PWM信号。
根据实施例，所述电源模块包括数字电源变换电路，用于产生向接口供电的数字5V、向所述主控模块、所述接口信息处理模块和所述通信处理模块的接口供电的数字3.3V、向所述主控模块的所述DSP芯片供电的数字1.8V以及向所述功率驱动电路板的所述驱动芯片供电的数字12V；模拟电源变换电路，用于基于数字电压产生模拟电压，以向所述主控模块、所述接口信息处理模块、所述容错保护模块提供模拟3.3V、向所述容错保护模块提供模拟3.0V、向所述通信处理模块提供模拟1.85V、向所述接口信息处理模块提供模拟1.5V；以及电源上电时序控制电路，用于所述主控模块故障后的自恢复。
附图说明
图1是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的总体结构示意图。
图2是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的工作原理示意图。
图3是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的基于DSP的主控模块的结构示意图。
图4是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的基于FPGA的接口信息处理模块的结构示意图。
图5是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的基于单片机的通信处理模块的结构示意图。
图6是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的隔离型功率逆变模块的结构示意图。
图7是根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的容错保护模块的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图具体说明根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器。
图1示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的总体结构。如图1所示，为了满足伺服电机驱动器小体积和高功率密度的要求，在本发明的实施例中，将驱动器根据功能划分设计为三块PCB板叠置形式。具体地，本实施例的高功率密度伺服电机驱动器，包括：位于顶层的接口电路板，设置有多个通信接口、与伺服电机相关联的多个伺服电机反馈信息接口和电源接口；位于中间层的控制电路板，设置有基于FPGA的接口信息处理模块、基于DSP的主控模块、基于单片机的通信处理模块以及信息存储模块，用于基于经由所述多个通信接口和所述多个伺服电机反馈信息接口传输的信号以及来自功率驱动电路板的信号，输出PWM信号；以及位于底层的功率驱动电路板，设置有隔离型功率逆变模块和容错保护模块，用于接收并且处理PWM信号以控制伺服电机。例如，各层电路板之间通过插针传递信号和机械固定。驱动电路板与金属散热片间填充导热硅胶。
具体地，所述多个通信接口包括:CAN总线接口,用于经由CAN总线在主控模块与上位机之间传输信号；USB接口和EtherCAT总线接口，用于在通信处理模块与上位机之间传输信号；RS232接口，用于经由RS232总线在接口信息处理模块与上位机之间传输信号，并且所述多个伺服电机反馈信息接口包括：编码器接口，用于将经过接口信息处理模块处理后的信号传输到主控模块的EQEP接口；以及霍尔传感器接口，用于将经过接口信息处理模块处理后的信号传输到主控模块的ECAP接口；JTAG接口，用于仿真器对DSP和单片机的程序在线调试和烧写；并且电源接口由电源模块用于向接口电路板、控制电路板以及功率驱动电路板供电。
并且，控制电路板采用DSP+FPGA+单片机的多处理器协同模式，具有多种控制方式，包括转矩控制模式、速度控制模式、电流控制模式，使得驱动器控制精度高，响应速度快；针对功率驱动部分干扰大和发热程度高的特点，功率驱动电路板采用驱动芯片和MOS管一对一的隔离驱动模式，并对PCB优化散热设计，具有体积小抗干扰能力强和散热快的优点。接口电路板与控制电路板之间通过排针固定和进行信号传递，主要包括控制、通信、调试和传感器反馈信息。控制电路板与功率驱动电路板之间通过排针固定和进行信号传递，例如包括PWM信号、电机三相信号、电机三相电流采集信号、过流、过压、过温保护信号。
本实施例描述了一种支持交流伺服电机的驱动器，然而本发明不限于此，根据本发明的驱动器可以支持多种电机形式，包括直流无刷电机、永磁同步电机、直流有刷电机。
图2示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的工作原理。如图2所示，由基于FPGA的接口信息处理模块采集与调理编码器、霍尔、数字I/O和STO信号等输入信号，调理后的编码器和霍尔信号输出到DSP，FPGA通过XINTF外部总线与DSP通信交换其他数据。上位机通过CAN总线与DSP相连，通过RS232与FPGA相连，通过USB和EtherCAT与单片机相连，单片机通过SPI总线和DSP相连，通过IIC总线与FPGA相连。上位机与DSP、FPGA和单片机交换数据和指令完成实时控制和参数修改。具体地，基于DSP的主控模块根据上位机的指令，使用FPGA的传感信息、自身采集的ADC、I/O等接口信息、由容错保护模块实时检测的过流、过压、过温和STO信号，根据信息存储模块存储的控制数据和反映特定控制算法的应用程序执行伺服运算，以输出PWM输出信号，从而完成高速的位置环、速度环、电流环的控制。PWM输出信号经过隔离型功率逆变模块后直接驱动伺服电机运行。同时，电源模块为各个模块提供所需电源以及上电时序控制。
以下参照图3至7并且结合图2详细描述根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的各个模块的结构及工作原理。
图3示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的基于DSP的主控模块的结构。如图3所示，所述主控模块包括DSP芯片，例如采用TMS20F28335芯片，主频达150MHz，支持浮点运算，是适合电机控制的专用芯片。
其中，如图2和3所示，DSP芯片设置有以下接口，并且主控模块包括用于辅助这些接口进行信号传输功能的功率接口电路，接口包括：
1、ADC接口，用于接收电机电流信号以用于矢量控制信号；接收安全扭矩关断(STO)信号，以判断外部使能状态；以及经由差分放大电路接收正余弦编码器信号，其中差分放大电路由运放芯片和一些***电阻电容组成，正余弦编码器的三组差分信号经过各自的差分放大电路变成单端信号，这三路信号进入DSP的ADC进行处理；
2、ECAP接口，用于接收故障信号以中断程序以及从接口信息处理模块接收位置传感信号；
3、EQEP接口，用于从接口信息处理模块接收正交编码器格式的各种编码器信号；
4、通用I/O接口，用于经由光耦隔离执行输入/输出功能，具体地，其支持6路数字量输入，两路数字量输出，1路模拟量输入。差分模拟信号经过运放芯片组成的隔离差分放大电路变成单端信号进入DSP进行处理；
5、TZ管脚，用于接收来自容错保护模块的过流、过压、过温保护信号；
6、SPI接口，用于接收存储在信息存储模块的控制参数；
7、XINTF接口，用于接收存储在信息存储模块的扩展程序；以及
8、PWM输出接口，用于DSP芯片在经由CAN总线接口从上位机接收的控制信号的控制下，使用从ADC接口、ECAP接口、EQEP接口、TZ管脚接收的信号以及从SPI接口接收的控制参数和从XINTF接口接收的扩展程序，执行特定控制算法的伺服运算，以输出PWM信号。并且，PWM信号输出后用于功率逆变模块，采用DSP的PWM1、PWM2、PWM3、PWM6四路信号，其中PWM1、PWM2、PWM3用于功率逆变模块，PWM6预留。
作为优选方案，功率接口电路还支持CAN总线通信，例如选择SN65HVD232DR作为CAN收发器。CAN总线主要用于和上位机通信，包括实时控制和控制参数修改两方面内容。控制参数存储于SPI接口的FLASH中，用于控制器控制参数存储和读取。实时控制主要为DSP主程序中变量的修改和信息反馈。
如图3所示，主控模块还包括掉电复位电路，用于在电源电压低于预定值时产生复位信号。具体地，采用微处理器电源监控芯片作为DSP复位芯片，当电源电压低于2.32V时产生复位信号。
主控模块还包括时钟电路，用于产生用于所述主控模块的时钟信号，例如采用3.3V供电的25MHZ有源晶振电路；以及JTAG接口电路，用于辅助支持仿真器接口。
图4示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的隔离型功率逆变模块的结构。在实施例中，基于FPGA的信号处理模块主要完成编码器输入信号采集滤波、对DSP两路编码器信号调理输出、RS232串口通信、STO信号使能与输入、PWM输入校验、以及通过外部总线与DSP通信的功能。
如图4所示，接口信息处理模块包括信号采集调理电路，其设置有：
1、数字I/0模块，用于经由光耦隔离电路与FPGA芯片传输信号；
2、霍尔传感器输入模块，用于将霍尔信号经过施密特整形滤波后输入FPGA芯片，例如数字霍尔信号处理电路采用带有三级缓冲的施密特触发器芯片对信号进行处理，提高对霍尔元件的兼容性，霍尔输入电路接上拉电阻和稳压二极管保护处理；
3、增量式编码器信号输入模块，用于经由差分接收器电路在主控模块与FPGA芯片之间传输信号，例如在实施例中，通过高速四路差分接收器芯片及其***电路来支持增量式编码器，该芯片将差分输入信号转换为单端信号；
4、串行绝对值编码器信号输入模块，用于经过RS485收发器在所述主控模块与FPGA芯片之间传输信号，例如通过两个低功耗的半双工RS-485收发器支持串行绝对值编码器；采用RS485电平模式，以两根数据线、两根时钟线连接，数据线和时钟线各自占用一个收发器芯片处理电路；以及
5、STO模块，用于使能并且输入STO信号。
优选地，信号采集调理电路还设置有RS232接口以支持RS232通信并且执行PWM输入校验。
在实施例中，接口信息处理模块还包括FPGA芯片，用于经由所述信号采集调理电路与所述主控模块之间传输信号，例如基于FPGA的信号处理模块选用Lattice公司LCMxxx为主芯片，此芯片启动时间小于1毫秒；
时钟电路，用于生成用于接口信息处理模块的时钟信号；以及
JTAG接口电路，用于辅助支持仿真器接口。
图5示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的基于单片机的通信处理模块的结构。如图5所示，通信处理模块包括单片机芯片，用于经由USB接口电路和EtherCAT总线接口电路与上位机传输信号。例如，单片机芯片为Atmel公司AT91XXX单片机，支持Thumb指令集，主频最大55MHz，RISC(精简指令集计算机)基于ARMv4T内核的诺依曼结构。
如图5所示，通信处理模块还包括USB接口电路，经由EMI滤波和保护电路连接USB接口与单片机芯片，用于在通信处理模块与上位机之间传输信号。例如，该USB接口电路支持USB 2.0通信，通过EMI滤波带静电保护芯片处理后送到AT91xxx单片机的USB接口，此接口实现USB通信和FPGA程序在线更新功能。
如图5所示，通信处理模块还包括EtherCAT总线接口电路，经由以太网物理层收发器和EtherCAT从站控制器芯片连接EtherCAT总线接口与单片机芯片，用于在通信处理模块与上位机之间传输信号。具体地，例如，EtherCAT总线接口由EtherCAT以太网物理层收发器KSZ8041NL芯片和德国倍福公司的EtherCAT从站控制器芯片ET1100组成，两个EtherCAT接口分别作为输入和输出。EtherCAT技术是由德国倍福(Beckoff)公司于2003年提出的基于标准以太网技术的开放性实时工业现场总线技术，EtherCAT采用主从式技术，可以采用多种灵活拓扑式结构，构成多轴伺服运动控制***。***利用EtherCAT网络，以ET1100作为从站通信控制器，将主站PC产生的控制量通过单片机和DSP完成对伺服电机的控制，而电机状态信息同样通过DSP和单片机数字化处理之后反馈至主站PC。
所述ET1100与KSZ8041NL之间通过MII接口连接，MII接口可以通过工业以太网网线与PC机相连，最远有效传输100米，容错能力好，可应用于高速数据传输以及较远的场合。MII(Media Independent Interface(介质无关接口)MII层定义了在100BASE，包括分别用于发送器和接收器的两条独立信道。每条信道都有自己的数据、时钟和控制信号。
另外，单片机芯片还通过SPI总线与主控模块连接，用于上位机与驱动器的实时控制与信息交互；并且还通过IIC总线与接口信息处理模块连接，用于上位机与接口信息处理模块信息交互以及接口信息处理模块的程序的在线更新，例如单片机芯片与接口信息处理模块的FPGA芯片之间通信通过IIC总线的TWI接口实现，TWI接口包括一根时钟线TWCK和一根数据线TWD。
如图5所示，通信处理模块还包括时钟电路，用于生成用于通信处理模块的时钟信号；以及JTAG接口电路，用于辅助支持仿真器接口。
图2-4还示出了根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的信息存储模块。如图2-4所示，信息存储模块包括：Flash存储器，经由SPI总线连接主控模块，用于主控模块固化运行程序。具体地，选用FLASH芯片为SPI总线接口的串行FLASH存储器，存储容量为8Mbit，存储结构为(1M*8)，直接与DSP的SPI接口连接。Flash存储接口作为运行程序二进制存储和掉电参数存储器。
信息存储模块还包括SRAM存储器，经由XINTF总线连接主控模块和接口信息处理模块，用于提升主控模块程序运行速度和容量，以及通过共享部分存储空间的方式实现主控模块与接口信息处理模块的信息交互。具体地，SRAM芯片为4兆位(256K×16)静态RAM，用来存储与处理数据以及上电后应用程序加载。SRAM芯片由DSP和FPGA共用，SRAM与DSP全连接，完全受控DSP，用于提升主控模块程序运行速度和容量。SRAM的部分地址线与数据线与FPGA连接，通过共享部分存储空间的方式实现主控模块与接口信息处理模块的信息交互，参与读写寄存器工作。
图6示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的隔离型功率逆变模块的结构。在实施例中，隔离型功率逆变模块主要通过控制信号完成对高电压、大电流的导通控制，同时能够采集对电机各绕组输出的电流。
如图6所示，隔离型功率逆变模块包括：PWM信号滤波电路，用于对PWM信号进行滤波，并将滤波后的PWM信号传输至隔离驱动电路。
隔离型功率逆变模块还包括：隔离驱动电路，用于对滤波后的PWM信号进行隔离放大，并且将其传输给H桥逆变电路；隔离驱动电路中的自举电路用于提供导通位于上桥臂的用作功率器件的MOSFET的自举电压，例如自举电路由自举二极管和自举电容组成。例如，选择英飞凌公司的N沟道MOSFET芯片IPD12CN10NG，漏源极电压最大可达到100V，漏极持续电流达到67A，并且具有非常低的导通电阻，适合高频开关应用。另外，选择英飞凌公司的1EDI20N12AF芯片作为MOSFET的驱动芯片以构成隔离驱动电路，1EDI20N12AF是隔离型高压栅级驱动IC，具有无铁芯变压器技术，确保在偏移电压高达+/-1200V的情况下工作不会受到干扰并且输出到输入的共模瞬态抑制(CMTI)为100kV/μs。
隔离型功率逆变模块还包括：H桥逆变电路，用于由位于其上下桥臂的MOSFET接收经过隔离放大的PWM信号，其中位于下桥臂的MOSFET的源极接地，只要在MOS管的栅极加上一定的电压即可导通。
在实施例中，隔离型功率逆变模块采取驱动芯片和MOSFET“一对一”的隔离驱动模式，即一个1EDI20N12AF芯片驱动一个MOSFET，具有抗干扰能力强和响应快的优点。
如图6所示，隔离型功率逆变模块还包括：电流采样电路，用于采集伺服电机的电流并传输至主控模块的ADC接口，用于主控模块对伺服电机的电流环闭环控制。例如，三相电流采集由毫欧级的精密合金采样电阻完成，采样电阻的电压经过运算放大器放大10倍后送到DSP芯片的ADC接口。
功能性功率逆变模块的PCB散热设计选择高TG和导热系数大的板材，在MOSFET管芯片的正下方区域每层PCB都铺铜，利用铜材料的导热系数大的优点增加驱动电路板的散热面积和效率，功率电路板通过导热硅胶与散热金属外壳相连。
图7示出根据本发明实施例的高功率密度伺服驱动器的容错保护模块的结构。如图7所示，容错保护模块包括：过流保护电路，用于通过电流监控电路采集隔离型功率逆变模块的功率电输入电流信号，并且通过过流比较器电路将所采集的电流信号与预定阈值比较，并且将比较结果传输至主控模块的TZ管脚。例如，过流保护电路由毫欧级精密合金采样电阻、高端电流监控器芯片、RC滤波电路以及稳压二极管和PNP三极管组成的宽电压输入电路、微功耗BiCMOS比较器芯片构成的比较器电路组成。采样电阻采集电流信息经过高端电流监控器芯片转换成电压与比较器预定的阈值比较，比较器的结果送到DSP的TZ管脚，一旦出现过流则关闭PWM信号，实现过流保护机制。
容错保护模块还包括：过压保护电路，用于通过电压监控电路采集隔离型功率逆变模块的功率电电压信号，并且通过过压比较器电路将所采集的电压信号与预定阈值比较，并且将比较结果传输至主控模块的TZ管脚。例如，过压保护电路由分压采样电路、滤波电路和推挽输出的单路CMOS比较器芯片构成的CMOS比较器电路组成。分压电路采集的电压信号经过滤波处理后给到与比较器的阈值判定处理，判定的结果送到DSP的TZ管脚，DSP根据过压保护机制控制PWM信号是否输出。
容错保护模块还包括：过温保护电路，用于通过温度监控电路检测功率驱动电路板的温度，并且通过过温比较器电路将所检测的温度与预定阈值比较，并且将比较结果传输至主控模块的TZ管脚。例如，由NTC型热敏电阻和微功耗电压基准芯片构成过温保护电路，热敏电阻的阻值会随着温度的上升阻值迅速下降，当驱动电路板温度升高，热敏电阻值迅速下降。过温保护机制通过采集热敏电阻两端的电压来判定，当热敏电阻两端电压小于预设的阈值时，认为驱动电路板温度过高，需要停止保护，则DSP切断PWM输出，驱动控制***停止工作。
容错保护模块还包括：安全扭矩关断(STO，Safe Torque Off)电路，用于将安全力矩关断(STO)信号经由光耦隔离电路传输给主控模块的ADC接口。具体地，安全力矩关断电路需外接24伏供电才可以使电机正常运转，该功能有效防止了电机没有连接驱动器的意外旋转。安全力矩关断电路由光耦隔离电路、斯密特整形滤波电路和逻辑与门保护电路组成。外部输入的两路STO信号先经过光耦芯片进行隔离，隔离输出后通过DSP进行STO信号采集，同时将隔离后的STO信号送入施密特触发器，FPGA采集斯密特整形滤波后的STO信号进行逻辑处理。STO信号在采集过程中需要通过FPGA进行使能。斯密特整形滤波后的两路STO信号与多路PWM信号输入到逻辑与门电路，当STO关断时及时切断PWM信号，所用与门芯片为四路2输入正与门芯片。两路STO信号STO1和STO2分别控制PWM*A和PWM*B的输出。
如图1所示，电源模块主要用于向DSP、FPGA、单片机、功率驱动芯片以及***接口芯片等供电。电源由功率电输入产生，功率电输入范围为12～100V。电源模块主要包括模拟电源部分、数字电源部分和上电时序控制电路。其中，数字电源变换电路用于产生向接口供电的数字5V、向主控模块、接口信息处理模块和通信处理模块的接口供电的数字3.3V、向主控模块的DSP芯片供电的数字1.8V以及向功率驱动电路板的驱动芯片供电的数字12V。例如，数字5V由输入功率电通过LM5116芯片与MOSFET组成的BUCK电路产生，用于给各接口芯片供电。数字5V通过TPS62420产生转换产生数字1.8V和数字3.3V，数字1.8V给DSP内核供电，数字3.3V给DSP、FPGA、单片机等接口供电；数字5V通过DC-DC芯片组成的升压电路输出数字12V，用于功率驱动板MOSFET驱动芯片供电。编码器供电5V由数字5V滤波输出。
模拟电源变换电路用于基于数字电压产生模拟电压，以向主控模块、接口信息处理模块、容错保护模块提供模拟3.3V、向容错保护模块提供模拟3.0V、向通信处理模块提供模拟1.85V、向接口信息处理模块提供模拟1.5V。例如，模拟3.3V由数字3.3V通过滤波产生；模拟1.5V由模拟3.3V通过分压产生，供运放应用和对输入信号等进行偏置；模拟1.85V由单片机产生，为单片机自身内核及晶振输入的施密特触发器供电；模拟3.0V由模拟3.3V通过微功耗电压基准芯片产生，供温敏电阻使用。
上电时序控制电路用于主控模块故障后的自恢复。具体地，上电时序控制电路由过压和欠压检测芯片、5V/3.3V模拟开关芯片、斯密特触发器芯片、电源转换芯片TPS62420和***电路组成。
上电时序控制电路实现机制：逻辑电过压欠压检测芯片检测数字3.3V，当有过压或欠压故障出现时复位，检测信号与密特触发器芯片信号给到开关芯片，触发TPS62420使能1端口，数字1.8V电源网络建立，先给数字1.8V内核上电，数字1.8V上电后触发TPS62420芯片使能2端，然后建立数字3.3V电源。
综上所述，本发明提供了一种伺服电机驱动器，其具有体积小、功率密度高、支持多种电机反馈信息接口、多功能和智能化的特点，满足机器人和机械臂对中小功率机电伺服***驱动器高功率和小体积的要求，显著提高了驱动器的功率密度、集成度和可靠性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种高功率密度伺服电机驱动器，包括：
位于顶层的接口电路板，设置有多个通信接口、与所述伺服电机相关联的多个伺服电机反馈信息接口和电源接口；
位于中间层的控制电路板，设置有基于FPGA的接口信息处理模块、基于DSP的主控模块、基于单片机的通信处理模块以及信息存储模块，用于基于经由所述多个通信接口和所述多个伺服电机反馈信息接口传输的信号以及来自功率驱动电路板的信号，输出PWM信号；
位于底层的功率驱动电路板，设置有隔离型功率逆变模块和容错保护模块，用于接收并且处理所述PWM信号以控制所述伺服电机。
2.如权利要求1所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述多个通信接口包括:CAN总线接口,用于经由CAN总线在所述主控模块与上位机之间传输信号；USB接口和EtherCAT总线接口，用于在所述通信处理模块与上位机之间传输信号；RS232接口，用于经由RS232总线在所述接口信息处理模块与上位机之间传输信号，并且所述多个伺服电机反馈信息接口包括：编码器接口，用于将经过所述接口信息处理模块处理后的信号传输到所述主控模块的EQEP接口；以及霍尔传感器接口，用于将经过所述接口信息处理模块处理后的信号传输到所述主控模块的ECAP接口；JTAG接口，用于仿真器对所述DSP和所述单片机的程序在线调试和烧写；并且所述电源接口由电源模块用于向所述接口电路板、所述控制电路板以及功率驱动电路板供电。
3.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述主控模块包括：
DSP芯片，设置有ADC接口，用于接收电机电流信号、安全扭矩关断(STO)信号以及正余弦编码器信号；设置有ECAP接口，用于接收故障信号以中断程序以及从所述接口信息处理模块接收位置传感信号；设置有EQEP接口，用于从所述接口信息处理模块接收正交编码器格式的各种编码器信号；设置有通用I/O接口，用于经由光耦隔离执行输入/输出功能；设置有TZ管脚，用于接收来自所述容错保护模块的过流、过压、过温保护信号；设置有SPI接口，用于接收存储在所述信息存储模块的控制参数；设置有XINTF接口，用于接收存储在所述信息存储模块的扩展程序；以及设置有PWM输出接口，用于所述DSP芯片在经由所述CAN总线接口从所述上位机接收的控制信号的控制下，使用从所述ADC接口、所述ECAP接口、所述EQEP接口、所述TZ管脚接收的信号以及从所述SPI接口接收的控制参数和从所述XINTF接口接收的扩展程序，执行特定控制算法的伺服运算，以输出PWM信号；
功能接口电路，用于辅助支持所述CAN总线接口、所述通用I/O接口、所述ADC接口、所述ECAP接口、所述EQEP接口、所述TZ管脚以及所述PWM输出接口进行信号传输功能；
掉电复位电路，用于在电源电压低于预定值时产生复位信号；
时钟电路，用于产生用于所述主控模块的时钟信号；以及
JTAG接口电路，用于辅助支持所述仿真器接口。
4.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述接口信息处理模块包括：
信号采集调理电路，设置有数字I/0模块，用于经由光耦隔离电路与FPGA芯片传输信号；设置有霍尔传感器输入模块，用于将霍尔信号经过施密特整形滤波后输入FPGA芯片；设置有增量式编码器信号输入模块，用于经由差分接收器电路在所述主控模块与FPGA芯片之间传输信号；设置有串行绝对值编码器信号输入模块，用于经过RS485收发器在所述主控模块与FPGA芯片之间传输信号；设置有STO模块，用于使能并且输入STO信号；
FPGA芯片，用于经由所述信号采集调理电路与所述主控模块之间传输信号；以及
时钟电路，用于生成用于所述接口信息处理模块的时钟信号；
JTAG接口电路，用于辅助支持所述仿真器接口。
5.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述通信处理模块包括：
USB接口电路，经由EMI滤波和保护电路连接所述USB接口与单片机芯片，用于在所述通信处理模块与上位机之间传输信号；
EtherCAT总线接口电路，经由以太网物理层收发器和EtherCAT从站控制器芯片连接所述EtherCAT总线接口与单片机芯片，用于在所述通信处理模块与上位机之间传输信号；
单片机芯片，用于经由所述USB接口电路和所述EtherCAT总线接口电路与上位机传输信号；
时钟电路，用于生成用于所述通信处理模块的时钟信号；以及
JTAG接口电路，用于辅助支持所述仿真器接口；
其中，所述单片机芯片通过SPI总线与所述主控模块连接，用于上位机与驱动器的实时控制与信息交互；并且通过IIC总线与所述接口信息处理模块连接，用于上位机与所述接口信息处理模块信息交互以及所述接口信息处理模块的程序的在线更新。
6.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述信息存储模块包括：
Flash存储器，经由SPI总线连接所述主控模块，用于所述主控模块固化运行程序；以及
SRAM存储器，经由XINTF总线连接所述主控模块和所述接口信息处理模块，用于提升所述主控模块程序运行速度和容量，以及通过共享部分存储空间的方式实现所述主控模块与所述接口信息处理模块的信息交互。
7.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述隔离型功率逆变模块包括：
PWM信号滤波电路，用于对所述PWM信号进行滤波，并将滤波后的PWM信号传输至隔离驱动电路；
隔离驱动电路，用于对滤波后的PWM信号进行隔离放大，并且将其传输给H桥逆变电路；隔离驱动电路中的自举电路用于提供导通位于上桥臂的用作功率器件的MOSFET的自举电压；
H桥逆变电路，用于由位于其上下桥臂的MOSFET接收经过隔离放大的PWM信号，其中位于下桥臂的MOSFET的源极接地；以及
电流采样电路，用于采集所述伺服电机的电流并传输至所述主控模块的所述ADC接口，用于所述主控模块对所述伺服电机的电流环闭环控制。
8.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述容错保护模块包括：
过流保护电路，用于通过电流监控电路采集所述隔离型功率逆变模块的功率电输入电流信号，并且通过过流比较器电路将所采集的电流信号与预定阈值比较，并且将比较结果传输至所述主控模块的所述TZ管脚；
过压保护电路，用于通过电压监控电路采集所述隔离型功率逆变模块的功率电电压信号，并且通过过压比较器电路将所采集的电压信号与预定阈值比较，并且将比较结果传输至所述主控模块的所述TZ管脚；
过温保护电路，用于通过温度监控电路检测所述功率驱动电路板的温度，并且通过过温比较器电路将所检测的温度与预定阈值比较，并且将比较结果传输至所述主控模块的所述TZ管脚；以及
安全扭矩关断电路，用于将安全力矩关断(STO)信号经由光耦隔离电路传输给所述主控模块的所述ADC接口，
其中，在比较结果不满足保护机制的要求时，所述主控模块停止输出所述PWM信号。
9.如权利要求2所述的高功率密度伺服电机驱动器，其中，所述电源模块包括数字电源变换电路，用于产生向接口供电的数字5V、向所述主控模块、所述接口信息处理模块和所述通信处理模块的接口供电的数字3.3V、向所述主控模块的所述DSP芯片供电的数字1.8V以及向所述功率驱动电路板的所述驱动芯片供电的数字12V；模拟电源变换电路，用于基于数字电压产生模拟电压，以向所述主控模块、所述接口信息处理模块、所述容错保护模块提供模拟3.3V、向所述容错保护模块提供模拟3.0V、向所述通信处理模块提供模拟1.85V、向所述接口信息处理模块提供模拟1.5V；以及电源上电时序控制电路，用于所述主控模块故障后的自恢复。
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