[发明专利]一种直流电机伺服驱动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种直流电机伺服驱动器，涉及先进机器人控制领域。

背景技术

直流伺服驱动器可广泛应用于各个领域，如服务机器人、移动机器人及某些工业机器人的控制，其特点是：使用简单，配用的有刷直流伺服电机价格便宜，可选电机功率范围宽。带有位置、速度和电流反馈的有刷直流电机比较适合于低速、高精度的速度控制应用。

目前市场上的直流电机伺服驱动器一般采用一个驱动器控制一台电机的方式，控制器和驱动器分开实现。带来的问题是控制箱内布线复杂，控制器要分别和各电机的驱动器进行电气连接。同时每个电机一个驱动器无形中也增加了整个控制系统的尺寸和功耗。

另外，控制和驱动分开的设计方式增加了系统开发的难度，使用者必须同时熟悉控制器和驱动器使用方法，增加了开发成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决控制器和驱动器分开的设计方式增加控制系统的尺寸和功耗、增加开发难度和开发成本的缺点，本发明在已有的直流电机伺服驱动技术的基础上提供一种灵活的、可自由拆分和组合的直流电机伺服驱动器，通过模块化设计方法，减少布线、降低功耗、提高整体性，实现对直流电机的有效控制。

(二)技术方案

本发明提供了一种直流电机伺服驱动器，包括运动控制单元、供电及保护单元和伺服驱动单元；运动控制单元、供电及保护单元和伺服驱动单元通过内部总线连接；所述运动控制单元用于规划电机的运动；所述供电及保护单元用于为整个伺服驱动器提供合适电源、转换电机控制信号以及采集电机限流和限位信号，为伺服驱动器提供限流、限位保护；

所述伺服驱动单元用于对直流电机的直接驱动以及电枢电流和码盘信号的预处理。

运动控制单元首先通过内部总线连接供电及保护单元，然后供电及保护单元再通过内部总线连接伺服驱动单元。

运动控制单元包括DSP芯片和FPGA芯片，二者通过内部总线相互连接；

所述FPGA芯片用于存储电机码盘运行参数。

运动控制单元还包括：与所述FPGA芯片连接的JTAG电路、PROM、FPGA芯片的电源模块和时钟电路；与DSP芯片连接的JTAG电路、DSP的电源模块、时钟电路、RS485总线；DSP芯片通过其内部A/D转换模块与内部总线连接、FPGA芯片通过其内部I/O模块与内部总线连接。

供电及保护单元包括电源管理模块和CPLD芯片；

电源管理模块为CPLD芯片提供电源，同时为运动控制单元和伺服驱动单元提供电源。

所述供电与保护单元还包括与CPLD芯片相连的时钟模块、电机选择模块、限流信号处理电路和限位信号处理电路；CPLD芯片通过内部总线接收来自运动控制单元的电机PWM和方向信号，并通过内部逻辑将其转换成H桥驱动信号；CPLD芯片通过所述限流信号处理电路和限位信号处理电路接收电机的限流/限位信号，控制电机的启停，实现对电机和机构的保护。

伺服驱动单元包括电机驱动电路以与及电机驱动电路相连的码盘信号采集单元和电枢信号采集单元；电枢电流采集模块用于采集电枢电流；码盘信号采集模块外接电机码盘输入信号，并进行差分处理以连接到内部总线。

所述电机驱动电路由H桥电路以及连接于H桥电路的电源模块、电机选择模块实现；电机选择模块用于选择驱动多个直流电机中希望被驱动的直流电机；电枢电流采集模块通过检测电阻与H桥桥臂直接连接，用于采集桥臂电流作为电枢电流。

所述DSP芯片接收到运动控制指令后，进行内部轨迹规划和插补运算，并通过内部总线读取FPGA芯片内的电机码盘运行参数得到期望电机的期望位置与当前运行位置之间的差值，形成位置闭环，或通过读取电枢电流值并与期望的电枢电流值进行比较，形成电流闭环，从而得到各电机运行所需的速度和方向信号，经内部总线传输给供电及保护单元。

所述CPLD芯片对接收到的电机速度和位置信号进行分解和逻辑计算，生成适合伺服驱动单元的脉冲宽度调制信号，并通过内部总线传给伺服驱动单元，同时接收来自伺服驱动单元的电机限流信号和机构限位信号，通过内部逻辑及时控制电机的启停，对电机进行保护。

所述伺服驱动单元通过内部总线接收来自供电及保护单元的脉冲宽度调制信号，控制电机的启停，实现不同的电机转速要求。

(三)有益效果