CN216599461U - 一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带隔离的多轴合一伺服装置拓扑电路，包括一个电源单元以及至少一个伺服驱动单元，所述电源单元用于给各伺服驱动单元提供直流母线电源以及控制电源，每个伺服驱动单元设置有一个隔离电源，每个伺服驱动单元的功率模块的下桥臂控制电源正端Vn1、下桥臂控制地端Vnc分别与其隔离电源的两个输出端连接，每个伺服驱动单元的隔离电源的输入端均与电源单元的控制电源输出端VCC2、N2连接。本实用新型的每个伺服驱动单元IPM功率模块的下桥臂为独立的电源，相互隔离不共地，保证在前端隔离进行自举电路情况下每个伺服驱动单元相互隔离不共地形成回路，保证驱动装置安全工作等，而且多轴伺服控制装置体积较少。

Description

一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，具体涉及一种带隔离的多轴合一伺服模块装置拓扑电路。

背景技术

在科学研究与工业实际生产中，有些工程师设计了多轴合一伺服驱动装置，其中，每个伺服驱动单元均配置了开关电源，每个伺服驱动单元需要高频变压器以及开关MOSET管，成本上升体积大，一般多轴伺服驱动装置需要设计体积小而且高可靠性，如果每个伺服驱动单元都存在一个开关电源，无法做到体积小而且容易受到电磁干扰可靠性差，如图1所示为改进前的一种自举多轴伺服驱动装置的典型拓扑结构示意图。

另外，在每个伺服驱动单元配置相应的自举电路为IPM功率模块或者IGBT 功率模块组提供控制电路中，会出现环路问题，容易损坏功率模块。如图6所示,针对DIPIPM1，申请人首先想到需要增加一条控制地到功率地的短接线3，希望DIPIPM1的下桥臂充电电流沿着电流路径4前进。由于电流路径1仍然是没有阻抗的。所以电流路径1和电流路径4将同时存在。另外，5部分会形成一个新的地线环路。5的右边沿走线实际是功率地的走线，不适合增加电阻。5的下边沿同时也是电流2的回路，在此处增加阻抗，会影响DIPIPM2的开关速度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，对每个伺服驱动装置中IPM或者IGBT模块对象提供电源，每个单独的伺服驱动单元IPM功率模块的下桥臂为独立的电源，相互隔离不共地，保证在在前端隔离进行自举电路情况下每个伺服驱动单元的相互隔离不共地形成回路，保证模块装置安全工作等。

本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型公开了一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，包括一个电源单元以及至少一个伺服驱动单元，所述电源单元用于给各伺服驱动单元提供直流母线电源以及控制电源，每个伺服驱动单元设置有一个隔离电源，每个伺服驱动单元的功率模块的下桥臂控制电源正端Vn1、下桥臂控制地端Vnc分别与其隔离电源的两个输出端连接，每个伺服驱动单元的隔离电源的输入端均与电源单元的控制电源输出端VCC2、N2 连接。

进一步地，每个伺服驱动单元的功率模块的下桥臂控制地端Vnc与功率地端N之间连接有短接线；每个伺服驱动单元的功率模块的逆变器直流母线电压正端P相互连接，并均与供电电源正端连接；每个伺服驱动单元的功率模块的逆变器直流母线负端即功率负端N相互连接，并均供电电源负端连接。

进一步地，每个伺服驱动单元的隔离电源的两个输出端之间均连接有电容；电容的正极与功率模块的上桥臂控制电源正端Vp1连接；隔离电源为DC_DC隔离电源。

进一步地，每个伺服驱动单元的功率模块共用三对上下桥臂，三对上下桥臂的控制电源均由同一个隔离电源提供。

进一步地，每个伺服驱动单元的功率模块的各相上桥臂分别通过自举控制电路与电源连接。

进一步地，所述自举控制电路包括自举电阻、自举高压超快恢复二极管、自举电容，其中，自举电阻与自举高压超快恢复二极管串联在隔离电源输出正极与上桥臂正极Vp1之间，自举高压超快恢复二极管的阳极与隔离电源输出正极连接，自举高压超快恢复二极管的阴极与功率模块上桥臂正极Vp1、自举电容正极连接，自举电容的负极与功率模块上桥臂的地Vpn连接。

进一步地，所述电源单元包括控制芯片、整流模块、制动模块、软启动模块、母线电压采样电路以及开关电源，整流模块的输入端与外部交流电源连接，整流模块的输出端经软启动模块与直流母线P、N连接，所述开关电源的两个输入端分别与直流母线P、N连接；开关电源用于输出多路VCC电源，分别给每个伺服驱动单元提供弱电控制VCC1电源以及为每个伺服驱动单元的隔离电源的输入端提供强电源VCC2；所述母线电压采样电路的输入端与直流母线P、N 连接，所述母线电压采样电路的输出端与控制芯片连接。

进一步地，所述电源单元还包括至少一个RJ485接口，所述RJ485接口通过PHY芯片、网络变压器与控制芯片连接，组成工业以太网总线物理层，在此物理层上支持相对应的工业以太网协议，上位机通过工业以太网控制多轴合一伺服驱动装置。

进一步地，所述电源单元的控制芯片连接有显示屏，用于监控电源单元以及每个伺服驱动单元参数；所述电源单元的控制芯片连接有按键。

进一步地，电源单元以及各伺服驱动单元之间通过内部总线连接；在电源单元上通过网口接口唯一对外连接。

本实用新型至少具有如下有益效果：本实用新型在伺服驱动单元内增加 DC_DC隔离电源，不同的伺服驱动单元分别使用各自的DC_DC隔离电源为IPM 功率模块提供电源，不会形成回路，保证了多轴拓扑结构的可靠性。

本实用新型提供的带隔离的自举多轴伺服驱动装置的拓扑电路能够在多轴伺服驱动装置中得到应用，分别在每个伺服驱动单元中应用避免单元之间共地形成回路，防止模块误动作，而且本电路结构简单，成本低廉，多轴合一伺服驱动装置体积可以减少，适用于科学研究和工业3C以及多轴机器人控制等。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为改进前的自举多轴伺服驱动装置的典型拓扑结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例提供的一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路的结构示意图；

图3为本实用新型另一种实施例提供的扩展为N个(N≥3)的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的电源单元的电路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的伺服驱动单元的电路示意图；

图6为改进前两个并联IPM功率模块的示意图；

图7为改进后两个并联IPM功率模块的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图2和图3，本实用新型实施例提供一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，包括一个电源单元以及至少一个伺服驱动单元，所述电源单元包含总线通信、制动、提供直流母线电源以及开关电源等功能，每个伺服驱动单元设置有一个隔离电源，每个伺服驱动单元的功率模块(IPM功率模块或者IGBT 功率模块)的下桥臂控制电源正端Vn1、下桥臂控制地端Vnc分别与其隔离电源的两个输出端连接，每个伺服驱动单元的隔离电源的输入端均与电源单元的控制电源输出端VCC2、N2连接。

进一步地，每个伺服驱动单元的IPM功率模块的下桥臂控制地端Vnc与功率地端N1之间连接有短接线；每个伺服驱动单元的IPM功率模块的逆变器直流电压正端P相互连接，并均与供电电源正极连接；每个伺服驱动单元的IPM功率模块的逆变器直流电源负端即功率地端N1相互连接，并均与供电电源负极连接。

进一步地，每个伺服驱动单元的IPM功率模块的上桥臂各相分别通过自举控制电路与电源连接。

进一步地，每个伺服驱动单元的IPM功率模块的各相上桥臂分别通过自举控制电路与其隔离电源的正极输出端连接。

参见图7，所述自举控制电路包括自举电阻R1、自举高压超快恢复二极管 D1、自举电容C1，其中，自举电阻R1与自举高压超快恢复二极管D1串联在电源正极与上桥臂正极Vp1之间，自举高压超快恢复二极管D1的阳极与电源正极连接，自举高压超快恢复二极管D1的阴极与IPM功率模块上桥臂正极Vp1、自举电容C1正极连接，自举电容C1的负极与IPM功率模块上桥臂的地连接。上述自举控制电路只是讲述上桥臂其中一相，其它两相同样如此设计。每个伺服驱动单元的功率模块共用三对上下桥臂，上述描述只是其中第一对上下桥臂，另外还有两对上下桥臂的控制电源与第一对上下桥臂的控制电源由同一个 DC_DC隔离电源提供，再分别由各的自举控制电路与功率模块的上下桥臂相应的引脚连接。

进一步地，每个伺服驱动单元的隔离电源的两个输出端之间均连接有电容C2、电容C3；电容C2、电容C3的正极与IPM功率模块的下桥臂控制电源正端Vn1连接。隔离电源采用DC-DC模块。

参见图4，所述电源单元包括控制芯片、整流模块、软启动模块、母线电压采样电路以及开关电源，电源单元由外部提供交流电源，所述整流模块的输入端与外部交流电源连接，整流模块的输出端经软启动模块后与直流母线P、N连接，所述开关电源的两个输入端分别与直流母线P、N连接，开关电源用于输出多路VCC电源，分别给每个伺服驱动单元提供弱电控制VCC1电源以及为每个伺服驱动单元功率模块DC_DC隔离电源的输入端提供强电源VCC2，并分别与每个伺服驱动单元电源正负端的接口相连接；所述母线电压采样电路的输入端与直流母线P、N连接，所述母线电压采样电路的输出端与控制芯片连接。

开关电源的输出端用于给各IPM功率模块提供VCC电源，所述隔离电源的输入端与开关电源的输出端连接；所述母线电压采样电路的输入端与直流母线 P、N连接，所述母线电压采样电路的输出端与控制芯片连接。控制芯片可以采用市场上购买的控制芯片。

电源单元的直流母线P、N之间连接有电容。

进一步地，所述电源单元还包括至少一个RJ485接口，所述RJ485接口通过PHY芯片、网络变压器与控制芯片连接，组成工业以太网总线物理层，在此物理层上可支持相对应的工业以太网协议，上位机可以通过工业以太网控制多轴合一伺服驱动装置。

进一步地，所述电源单元的控制芯片连接有显示屏，可以监控电源单元以及每个伺服驱动单元参数；所述电源单元的控制芯片连接有按键。

进一步地，电源单元以及各伺服驱动单元之间通过内部总线连接；在电源单元上通过网口接口唯一对外连接。

参见图5，所述伺服驱动单元包括控制芯片、IPM功率模块、电流反馈电路，所述控制芯片与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与IPM功率模块连接，IPM功率模块的三相输出端与伺服电机连接；伺服电机上设置有编码器，所述编码器与反馈编码器处理模块的输入端连接，反馈编码器处理模块的输出端与控制芯片连接；电流反馈电路的输入端与IPM功率模块的输出端连接，电流反馈电路的输出端与控制芯片连接。

所述多轴合一的伺服驱动装置中伺服驱动单元包括单独一个或者N个伺服驱动单元。

本实用新型的工作原理为：在电源单元上采用高频开关电源提供2组VCC1 带隔离的电源给后面多个伺服模块提供电源，一组VCC1电源经过DC_DC转换给每个伺服驱动单元弱电控制部分提供电源，另外一组VCC1在每个伺服驱动单元上转换为VCC3提供给IPM或者IGBT模块下桥臂控制电源，同时经过超快回复二极管D1、D2、D3给上桥臂U、V、W部分的驱动提供电源，在启动时候，通过伺服模块的控制部分DSP或者控制芯片发出PWM控制IPM或者IGBT模块下桥臂，开通下桥臂，通过U、V、W上桥臂各自的二极管D1、D2、 D3给上桥臂充电，正常运行时可以在电机控制算法上不需要特别处理，但是需要控制最小占空比，保证上桥臂电压正常范围内，这就形成了自举电路。此电路拓扑结构可以在单独模块或者多模块并联中使用如图3所示，为本实用新型的另一实施例提供的一种待测储能对象为N个(N≥3)的拓扑结构电路图。

在本实施列中，在多轴小型化伺服驱动装置中，带隔离的自举多轴伺服控制电路主要在伺服模块单元中实施。本方案还解决了多轴伺服驱动装置回路中下桥臂共N的问题，而且实现多伺服驱动单元中应用，不局限其中一种。

其中电源单元P、N母线并联每个伺服驱动单元以及内部开关电源为每个伺服驱动大单元提供两组VCC1电源，分别提供给伺服驱动单元上弱电控制部分以及给IPM功率模块强电部分，同时电源单元与伺服驱动单元之间通过内部总线连接,在电源单元上通过网口接口唯一对外连接。

本实用新型的带隔离的自举多轴伺服驱动装置共母线新拓扑电路结构，包括电源单元和伺服驱动单元以及通信模块；电源单元电路主要是整流、软启动、制动以及开关电源部分组成，伺服驱动单元电路主要三相逆变单元和强弱控制电路组成，通信模块电路主要是各模块之间的数据通信的物理层以及各模块共直流母线，组成了一个多轴的伺服驱动装置，在工作时候电源单元为各伺服驱动单元的直流母线电源以及控制电源，伺服驱动单元控制电源包含2组VCC1 电源，一组DC_DC给弱电控制板电路提供，另外一组带隔离的DC_DC通过自举电路给IPM或者IGBT模块上下桥臂提供四组VCC2电源。本实用新型提供的下桥臂地线防止形成回路，能够防止多伺服驱动单元运行中相互独立的电源，与PN母线不形成回路，保证多伺服驱动单元能够安全运行。每个伺服驱动单元的IPM功率模块的功率等级可不一样，但是上述电路均可适用。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：包括一个电源单元以及至少一个伺服驱动单元，所述电源单元用于给各伺服驱动单元提供直流母线电源以及控制电源，每个伺服驱动单元设置有一个隔离电源，每个伺服驱动单元的功率模块的下桥臂控制电源正端Vn1、下桥臂控制地端Vnc分别与其隔离电源的两个输出端连接，每个伺服驱动单元的隔离电源的输入端均与电源单元的控制电源输出端VCC2、N2连接。

2.如权利要求1所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：每个伺服驱动单元的功率模块的下桥臂控制地端Vnc与功率地端N之间连接有短接线；每个伺服驱动单元的功率模块的逆变器直流母线电压正端P相互连接，并均与供电电源正端连接；每个伺服驱动单元的功率模块的逆变器直流母线负端即功率负端N相互连接，并均供电电源负端连接。

3.如权利要求1所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：每个伺服驱动单元的隔离电源的两个输出端之间均连接有电容；电容的正极与功率模块的上桥臂控制电源正端Vp1连接；隔离电源为DC_DC隔离电源。

4.如权利要求1所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：每个伺服驱动单元的功率模块共用三对上下桥臂，三对上下桥臂的控制电源均由同一个隔离电源提供。

5.如权利要求1或4所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：每个伺服驱动单元的功率模块的各相上桥臂分别通过自举控制电路与电源连接。

6.如权利要求5所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：所述自举控制电路包括自举电阻、自举高压超快恢复二极管、自举电容，其中，自举电阻与自举高压超快恢复二极管串联在隔离电源输出正极与上桥臂正极Vp1之间，自举高压超快恢复二极管的阳极与隔离电源输出正极连接，自举高压超快恢复二极管的阴极与功率模块上桥臂正极Vp1、自举电容正极连接，自举电容的负极与功率模块上桥臂的地Vpn连接。

7.如权利要求1所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：所述电源单元包括控制芯片、整流模块、制动模块、软启动模块、母线电压采样电路以及开关电源，整流模块的输入端与外部交流电源连接，整流模块的输出端经软启动模块与直流母线P、N连接，所述开关电源的两个输入端分别与直流母线P、N连接；开关电源用于输出多路VCC电源，分别给每个伺服驱动单元提供弱电控制VCC1电源以及为每个伺服驱动单元的隔离电源的输入端提供强电源VCC2；所述母线电压采样电路的输入端与直流母线P、N连接，所述母线电压采样电路的输出端与控制芯片连接。

8.如权利要求7所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：所述电源单元还包括至少一个RJ485接口，所述RJ485接口通过PHY芯片、网络变压器与控制芯片连接，组成工业以太网总线物理层，在此物理层上支持相对应的工业以太网协议，上位机通过工业以太网控制多轴合一伺服驱动装置。

9.如权利要求7所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：所述电源单元的控制芯片连接有显示屏，用于监控电源单元以及每个伺服驱动单元参数；所述电源单元的控制芯片连接有按键。

10.如权利要求1所述的带隔离的多轴合一伺服驱动装置拓扑电路，其特征在于：电源单元以及各伺服驱动单元之间通过内部总线连接；在电源单元上通过网口接口唯一对外连接。

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