[发明专利]一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器

摘要

本发明公开了一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，属于先进机器人伺服控制领域；包括集成在一块电路板上的：电源，STM32F4主控单元，隔离通信模块，隔离功率驱动单元，编码器单元，安全保护单元以及传感采集单元；所述的隔离通信模块通过RS485总线或CAN总线连接上位机和STM32F4主控单元，STM32F4主控单元的内部定时器TIMER工作在PWM模式，产生的PWM波形经过电平转换后，输出到隔离功率驱动单元，隔离功率驱动单元同时连接电机；STM32F4主控单元通过SPI总线连接编码器单元；STM32F4主控单元的ADC模数转换接口连接传感采集单元；EXTI外部中断接口连接安全保护单元；将多圈绝对值编码器采集电路集成在电机驱动器上，刚好贴合电机安装，便于在机器人本体上集成应用。

主权项

1.一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，其特征在于，包括集成在一块电路板上的：电源转换单元，电池充电单元，STM32F4主控单元，隔离通信模块，隔离功率驱动单元，编码器单元，EEPROM芯片，安全保护单元以及传感采集单元；STM32F4主控单元主要完成伺服运算，通过特定的控制算法完成高速的位置环、速度环、电流环的控制和PWM输出控制；同时还承担了编码器信息采集和传感信息采集、安全控制，以及用内部FLASH模拟EEPROM功能实现电机参数、上位机控制信息等数据的掉电存储任务等；隔离通信模块主要完成CAN总线的驱动和隔离保护功能，RS485总线的驱动和隔离保护功能；隔离型功率驱动单元主要完成PWM信号的电平转换、隔离放大驱动和三相H桥输出；编码器单元主要完成单圈绝对位置采集、多圈计数和多圈数据掉电存储；安全保护单元利用电压比较器产生过压、过流和过温信号，以外部中断的形式接入STM32F4主控单元，主要完成过流保护、过压保护和过温保护；传感采集单元主要完成相电流、母线电流、母线电压和温度信息采集；所述的STM32F4主控单元具体包括：CAN总线和USART接口、定时器TIMER的PWM接口、SPI通信接口、通用I/O接口、ADC模数转换接口、EXTI外部中断接口、SWD仿真器接口，FLASH模拟EEPROM，以及内部看门狗WDG；所述的CAN总线的接口和USART接口和隔离通信模块相连，同时隔离通信模块通过RS485总线或CAN总线连接上位机，实现STM32F4主控单元与上位机的通信功能，主要包括实时控制、控制参数设置、信息反馈等功能，控制参数和驱动器参数存储于STM32F405的内部FLASH中；具体为：CAN接口通过光耦隔离连接隔离通信模块的SN65HVD230收发器，同时配备共模电感和TVS管；USART接口通过光耦隔离后接于隔离通信模块的MAX13488收发器，同时配备TVS管防静电；内部定时器TIMER工作在PWM模式，高级定时器TIM1/TIM8产生共6路PWM波形，分别经过电平转换后，输出到隔离功率驱动单元，隔离功率驱动单元同时连接电机；所述隔离功率驱动单元包括集成在电路板上由6个MOSFET芯片构建的三相H桥、MOSFET驱动电路和光耦隔离电路；隔离功率模块各电路通过在电路板上切割出的凹槽形成隔离，并且每层电路均大面积铺铜，增大散热面积，6个MOSFET芯片与金属外壳之间通过导热硅胶垫片接触散热；隔离功率驱动单元完成对PWM控制信号的隔离和功率放大后传送至MOSFET芯片构建的H桥三相输出连接电机；同时利用精密合金采样电阻采集通过电机各绕组的电流；SPI通信接口通过SPI总线连接编码器单元，编码器单元连接至EEPROM；编码器单元包括两个磁编码器芯片：单圈绝对式编码器芯片IC‑MU，用来记录电机单圈的绝对位置；编码器芯片IC‑PVL通过电池供电，在驱动器上电和掉电的情况下均记录电机的旋转圈数；EEPROM芯片记录两个编码器芯片的配置和校准参数；ADC模数转换接口连接传感采集单元；EXTI外部中断接口连接安全保护单元；安全保护单元包括功率模块的过流保护电路、过压保护电路和过温保护电路；以及控制模块的过流保护电路、过压保护电路和欠压保护电路；传感采集单元采集功率模块中的母线电压，母线电流，相电流和温度，以及控制模块中的电压、基准信号电压和零位校准电压等进行信号偏置校准、状态监测和电机控制；安全保护单元将功率模块的电流、电压和温度等信号接入比较器进行处理，获得过流、过压和过温等信号，接入STM32F4外部中断接口EXTI及时切断PWM输出进行安全控制；FLASH模拟EEPROM，用于在掉电时存储驱动器参数和上位机控制参数；本智能交流伺服驱动器的具体工作原理如下：首先，驱动器上电后电源转换单元给系统各部分供电，并对电池进行充电，STM32F4主控单元通过CAN总线或RS485总线接收上位机的配置和控制信息，同时反馈驱动器状态信息；然后，STM32F4主控单元根据上位机的配置和查询要求，通过定时器产生PWM控制信号，控制隔离功率驱动单元的H桥导通，使得电机的相序间依次导通，控制电机旋转；通过STM32F4主控单元的ADC模数转换接口，传感采集单元采集电流、电压、温度等信息，通过滤波放大等处理，送入STM32F4主控单元；同时STM32F4主控单元在接收到控制指令后，通过SPI总线实时配置和读取编码器单元的多圈计数和单圈绝对位置；最后，结合编码器单元反馈的电机转子位置信息以及传感采集单元的电流信息等，实现本驱动器对电机的电流环、速度环和位置环的三闭环控制；同时传感采集单元将采集到的电流、电压和温度等信息送入安全保护单元，通过安全保护单元的比较器实时比较采集到的电压、电流、温度等，当产生过压、过流、过温、欠压等信号时，即时通过STM32F4主控模块的外部中断信号，切断PWM输出。