伺服驱动器硬件设计方案

1、伺服驱动器硬件设计方案伺服驱动器得硬件研发主要包括控制板与电源板得设计，控制板承担与上位机进行交互 与实时生成精准得PWM信号。电源板得作用根拯PWM信号，利用调制得原理产生特泄频 率,特定相位与特左幅值得三相电流以驱动电机以达到最优控制。一控制板研发1）控制板得架构主要得任务就就是核心器件得选择。安川、西门子等国际知名得公司都就是采样ASIC得方式得芯片，这样就可以按照自 己得设讣需要来制造专用于伺服控制得芯片，由于采样ASIC方式，所以芯片得运行 速度非常快，那么就比较容易实现电流环得快速响应，并且可以并行工作，那么也很 容易实现多轴得一体化设计。采样ASIC得方式有很多得好处，比如加密等

2、。但就 是采样ASIC得风险与前期得投入也就是非常得巨大得，并且还要受该国得芯片设计 与制造工艺得限制.根据我国得实际得国情与国际得因素等多种原因，核心芯片比较适宜采样通用得 DSP, ARM等处理器，比如Ti得C2000飞思卡尔得K60,英飞凌得XE 1 6 4等。 研究台达得伺服驱动器发现其架构就是采用Ti得DSP 2812+CPLD,这与我们公 司GS K得方案基本一样。我们也就是采用DSP2812加C PLD （ E P M570T I 4 4） 来实现核心得控制功能。2）核心器件得控制功能得分工.DSP实现位巻环、速度环、电流环得控制以及利用事件管理器PWM接口实现产生 特左得PWM

3、信号。可以利用其灵活得编程特性快速得运算能力实现特定得控制算法 等，还可以利用英自身得A/D完成对电机电流得转换,但就是DS P自身得A/D精度 普遍较低，并且还受基准电压电源得纹波PCB得LAYOUT模数混合电路得处理技巧 影响，所以高档得伺服几乎都采用了外部A/D来完成电流采样得处理。比如路斯特 安川等也有一些高档得伺服使用一些特殊得电流传感器，该传感器得输岀已经就 是数字信号，这样就可以节省了外部A/ I）芯片与增强抗干扰能力。如西门子得变 频器采用ACPL7 860,发那克用于机器人得六驱一体得伺服也就是采用了 ACPL7 8 60,西门子得伺服S 1 2 0采用了 Ti得芯片AMC1

4、2 0 3。CPLD得作用就是用来协助DSP以减少其自身得开销，比如完成速度得汁算,位宜得 il算，控制外部A/D对电机电流进行转换，因此当实现位置环速度环电流环所需要得 位置数据，速度数据，电流数据，那么DSP就可以直接从C PLD/FPG A处读取，不需要 耗费DSP得宝贵时间来计算这些数拯。如果就是增量式编码器采用M/T法测速效 果就是最好得，但M/T法对DSP处理器得资源开销很大，而CPLD/FPGA可以非常 方便使用M/T法进行测速。如果就是绝对式编码器也可以非常方便采用CPLD/FP GA来解析通信协议，并实现测速.一些高档得伺服也采用了 CPLD/FPGA实现总线与 以太网功能.

5、显示与参数管理国内得绝大多数公司都就是才DSP来承担该任务，研究台达得驱动 器发现，她们就是采用CPLD来实现该任务，这样DSP承担得任务就很单纯，可以 专注于运动控制。所以髙档得伺服也应该借鉴与学习台达伺服关于显示与参数管理 得方法。3）电源复位芯片等外围电路。D SP与CPLD/FPGA得芯片都需要几路电源，比如1、2V、1、8V、2、5V、3、 3 V等，DSP等处理器往往还需要模拟得电源.因此需要用电源芯片将5V转化为上 述所需得几路电源。电源芯片得选择主要受整个PC B得布局与整机得结构决泄， 可以采用1转1, 1转2或者1转3,最终达到电源就近抗干扰能力好得目得.有些电源芯片本身带

6、有复位输出也可以根据需要选用专用得复位芯片，注意复位芯 片一泄要就近DSP等核心芯片，提髙抗干扰得能力避免误触发复位。4）电流环支路得相关电路。伺服驱动一般由位置换速度环电流环三环构成，而电流环就是基础就是内环,该环得 电路就是模数混合型，与该环相关得元器件非常多包括：直流母线用得滤波电容,1GB T与其驱动电路，电流传感器，运算放大器，基准电源，A/D及相关得模拟部分得电 源等。关于传感器，高档得伺服如伦茨与路斯特得传感器就是用得霍尔传感器，其输出就是 模拟信号，就是电流信号，抗干扰得能力较强、精度高、范圉宽，但就是价格贵台 达安川及广数得伺服就是采用得线性光耦IICPL784 0，其输出就

7、是差动得电压信 号，所以较霍尔其抗干扰得能力差一些因此在电路得处理时要注意将运放宜于控制 板上,尽量提髙电流信号得抗干扰能力。也有一些要求特別髙得伺服如西门子就是 S120法拉克与安川得用于机器人得伺服才用线性光耦HCPL7860等其输岀就是数字 信号，所以比以上两种方式得抗干扰能力都强很多并且可以省掉运放与A/ D等相 关电路。关于运放,霍尔与7840得输岀得模拟信号需要运放进行相应得放大以转化成A / D可以接受得电压范词比如0 -3V等，所以要求运放选用低噪声,髙输入阻抗, 高转化速率，高分离度。比如关于A/DQSP自带得A/D精度较低，台达得髙档伺服ASDA2采用了非常巧妙得方 法利用

8、自身DSP2812得A/D提高貝自身得精度。观察国外得伺服往往都就是采用外部A/D,比如路斯特，安川,伦茨，好处就是精度 高，处理得工艺不复杂，并且可以采用过采样来提髙控制得性能，但就是价格比较贵。关于模拟部分电源与基准等，模拟部分电路得电源要求纹波要很低，且在电路得 处理工艺上要尽量让数字电路对英产生得影响最低，可以从电路布局，布线，地平 而得分割，滤波等方式来加以解决.信号调理电路与A/D都需要基准电压，它对整 个信号得保真度有很重要得影响，高档得伺服因此尽量采用专用得基准电压芯片。5）模数混合电路得处理及PCB得布局与LAYOUT工艺等。伺服驱动器不仅要处理数字信号，还要处理模拟信号比如

9、电机得电流信号，直流母线 得电压信号,速度控制时得外部模拟电压，还有一些编码器输出就是模拟得正弦信号, 因此布局要尽量将模拟部分与数字部分画出不同得区域，并且数字部分也要分岀髙 速区与低速区，注意跨分割区得延时突变等等问题，利用地平而减小信号收到得F 扰，条件允许可以采用6层板，最值得目得就是达到模拟信号收到数字电路得影响最 低，与数字信号保持较好得完整性。二电源板研发国内外各种伺服驱动器得电源板部分可分为几种电路：整流电路，母线滤波电路, 吸收电路，IGBT逆变电路，制动电路，IGBT驱动电路，电流采样电路，报警检测电 路，辅助电源.下而就关键得电路进行选择合适得方案。1）IGBT逆变电路对

10、比国外髙档得伺服驱动装置，日系驱动器由于在IPM方面技术工艺优势，其采用得 IPM模块都就是量身定做得，采用IGBT模块得架构或者I PM模块得架构都能取得很 好得性能，欧美得驱动器很少使用IPM,几乎都采用IGBT模块得架构，比如伦茨，艾 默生,KMG,西门子等。I PM得优点:小体积，小型化；缩短研发周期;驱动电路与IGBT之间连线短,驱动电 路得阻抗低，不需要负电源；集成了 1GBT得驱动，欠压保护，过热保护，过流短路 保护，可靠性髙。IPM得缺点：过流或者过温保护点已经泄死，如果因为某些特殊得需求就无法作更 改，灵活性不够;IPM只有一个报警信号输出，不能分辨究竟就是过热还就是过流还

11、就是欠压等如果就只有驱动或者保护部分电路损坏，但就是我们只能无奈得换掉整 个模块;尤其就是大功率I PM得采购成本非常髙.IGBT得优点:采用IGBT架构电路结构灵活，过载能力强（其额左电流就是在80°C左 义，而IPM就是在2 5°C义得），采购成本低，可以通过调整驱动电阻得阻值来 取得合适得开关时间，以产生最小得EM 1与最大得效率。IGBT得缺点：体积大，还需要设il如驱动电路、外用得报警保护电路等保ilElGBT 得可靠运行因此设计难度大，稳左性与可靠性很难把握，并且驱动电源往往需要 负电源，需要提供得电源相对多,布局布线存在困难。在髙档得伺服驱动装置得研发中，我们

12、恰恰需要它得灵活性。只有从工艺、电路、 布局布线以及软件上进行优化,才能打造出可靠稳泄得硬件平台。因此一般采用 IGBT架构。2）IGBT驱动电路IGBT驱动电路必须具备2个功能：一就是实现控制电路与被驱动IGBT栅极得电隔 离：二就是提供合适得栅极驱动脉冲.IGBT得驱动得结构形式:分离元件;专用集成驱动电路：光耦驱动;变圧器驱动。随 着大规模集成电路得发展及贴片工艺得出现，这类分离元件式得驱动电路，因结构 复杂、集成化低、故障率高已逐渐被淘汰.光耦器件构成得驱动电路具有线路简单、 可靠性高、开关性能好等特点，在IGBT驱动电路设计中被广泛采用.如东芝公司得 TLP系列、夏普公司得PC系列，

13、安华高得HCPL系列等.目前已开发得专用集成驱动电 路,主要有IR公司得I R2136,三菱公司得EXB系列厚膜驱动.此外，现在得一些欧 美厂商在IGBT驱动电路设il上采用髙频隔离变压器，如CONCEPT得焊机，丹佛斯 VLT系列变频电源。通过髙频变压器对驱动电路电源及信号得隔离，增强驱动电路得 可靠性，同时也有效地防止主电路出现故障时对控制电路得损坏，故障率低，寿命 长，响应快。但缺点就是工艺复杂.目前国外得高档IGBT驱动方案伺服驱动器使用得驱动器主流就是驱动光耦，因此 选择光耦来进行驱动I G BT。3）外围保护电路IGBT模块可能由于过电流、过电压这类异常情况而受损，因此，在IGBT

14、 模 块得运用中，设计能够避免这种异常情况从而保护元件得保护电路显得尤为重要。 短路保护通常有两种方案,一种就是通过电流检测器，如电流传感器或者互感器直 接检测IGBT得集电极电流，另外一种通过检测IG BT得饱与压降。任短路电流出 现时，为了避免关断电流得di/dt过大形成得过电压，导致IGBT锁立无效与损坏， 以及降低电磁干扰，通常采用软关断技术。一些驱动光耦同时具备这两种功能，因 此采用带检测IGBT得饱与压降功能驱动光耦得方案。过电流检测通过检测电机电 流来实现.因为I GBT得开关速度很快J GBT关断时，或FWD反向恢复时会产生很高 得d i/d t ,由模块周边得杂散电感引发L( d i/dt)电压(关断浪涌电压)。抑制发生 过电压得原因得关断浪涌电压得方法有:尽量将电解电容器配垃在IGBT得附近，减 小杂散电感：调整IGBT得驱动电路得驱动电阻，减小di/dt：在IGBT中加 上缓冲电路，吸收浪涌电压。在缓冲电路得电容器中使用薄膜电容，并配置在I GBT 附近，使其吸收髙频浪涌电压。其她得外国报警保护电路还包括母线电压检测，缺相掉电检测，过热保护电路，制 动故障检测电路等等来保证硬件平台得可靠性。电流采样电路由于矢呈:控制就是通过控制电流来控制交流同步电机得转矩，因此电流检测