一種基於dsp的混合伺服驅動器的製作方法

2023-05-01 18:31:26

專利名稱：一種基於dsp的混合伺服驅動器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及驅動器，尤其涉及一種基於DSP(Digital Signal Processing數位訊號處理器)的混合伺服驅動器。
背景技術：
現有的混合式步進電機驅動器只能滿足一般的定位要求，而且存在以下缺點容易丟步，電機振動大，高速性能差，發熱嚴重，電磁兼容差等。以上缺點均受制於硬體電路， 其電路構成主要包括控制電路、電流採樣電路、PI (Proportional-Integral比例-積分) 調節電路、功率驅動電路及控制信號輸入電路五部分。控制電路主要進行邏輯處理，由單片機或FPGA (Field — Programmable Gate Array現場可編程門陣列)完成，因主頻較低或無相應的檢測採樣功能，這種方案的控制電路需另外的輔助電路，且無法對複雜的算法進行高速運算和控制，難以解決電機振動、發熱、高速性能差等問題。電流採樣電路進行採樣信號的放大處理，由運算放大器完成，為保證精度一般採用正負電源供電，電源成本高。PI調節電路是對電流控制的剛度進行調節，一般由運放構成模擬式的調節器，因器件的差異性會加大調節難度，實際應用中難以達到理想的效果，進而影響驅動器的整體性能。功率驅動電路為H橋拓撲結構，每個H橋由四個功率器件構成，功率器件的開通和關斷會產生輻射，較強的輻射會對控制電路和驅動器以外的設備造成幹擾。抑制此處的輻射強度，需加大功率器件柵極電阻，但如此一來會引起功率器件嚴重發熱，不能從根本上解決問題。控制信號輸入電路，一般由光耦和RC濾波的構成，電磁兼容差，幹擾信號通過此電路進入控制電路，被誤認為是正常信號，會引起定位不準，且此方式的輸入電路只能接收一種幅值的控制信號，若控制信號幅值改變需另加電阻，不便於應用。
發明內容為解決現有技術存在的缺陷，本實用新型提供一種結構簡單的基於DSP的混合伺服驅動器，其包括DSP電路、給定輸入電路、位置反饋電路、電流和電壓採樣電路、過流保護電路和功率驅動電路；所述DSP主控電路包括脈衝計數及l/0anput/0utput輸入/輸出) 模塊，QEP(Quadrature Encoder Pulse 正交編碼脈衝)模塊、PWM(Pulse Width Modulation 脈寬調製)模塊、A/D (Analog/Digital模/數)採樣模塊和TZ (Trip-zone旅程區)保護模塊，所述給定輸入電路與所述脈衝計數及1/0模塊連接，所述位置反饋電路與所述QEP模塊連接，所述PWM模塊與所述功率驅動電路連接，所述電流和電壓採樣電路分別與所述A/ D採樣模塊、所述功率驅動電路連接，所述過流保護電路分別與所述TZ保護模塊、所述功率驅動電路連接。[0009]根據實施例，還可採用以下優選的技術方案所述給定輸入電路包括恆流控制電路、光耦、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路； 所述恆流控制電路包括脈衝信號路、方向信號路和使能信號路，所述光耦包括光耦TO、U7 和TO，所述脈衝信號路與所述光耦TO、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路依次連接，輸出脈衝信號PUL ；所述方向信號路與所述光耦U7、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路依次連接，輸出方向信號DIR ；所述使能信號路與所述光耦U5連接，輸出使能信號ΕΝΑ。所述恆流控制電路脈衝信號路、方向信號路和使能信號路分別包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、電容、穩壓管和三極體，所述第一電阻、第二電阻和三極體依次串接，所述第三電阻、第四電阻串接，所述電容和所述穩壓管串接在所述第一電阻、第二電阻的公共端與所述第二電阻、所述三極體的公共端之間，所述三極體的發射極連接所述第三電阻、第四電阻的公共端，集電極連接所述第四電阻的另一端；所述脈衝信號路中，所述第一電阻和第三電阻的另一端分別連接脈衝信號PUL+和PUL-；所述方向信號路中，所述第一電阻和第三電阻的另一端分別連接方向信號DIR+和DIR-；所述使能信號路中，所述第一電阻和第三電阻的另一端分別連接使能信號ENA+和ΕΝΑ-。所述位置反饋電路分兩路，分別包括依次連接的分壓電路、濾波電路和差分接收電路。所述電流採樣電路為H橋電路下橋臂電阻採樣，由兩級放大電路構成，並設置基準電壓VREF。所述過流保護電路包括電壓採樣電路和過流信號轉化電路。所述功率驅動電路包括四個驅動電路和雙H橋功率電路，還包括連接在每個橋臂與電源地之間的吸收電容。本實用新型的有益效果是結構簡單，在不增加成本的情況下，解決了步進電機易丟步的問題，顯著提升了高速性能，電機運行更加平穩，採用動態調節電流的方法，大幅節省電能，明顯減少了發熱，同時輻射幹擾大幅下降，且提高了抗幹擾性能，兼容不同幅值的脈衝控制信號，使應用更加便捷。

圖1是本實用新型的原理框圖；圖2是一個優選的DSP主控電路的原理圖；圖3是一個優選的給定輸入電路的電路圖；圖4是一個優選的位置反饋電路的電路圖；圖5是一個優選的電流採樣電路的電路圖；圖6是一個優選的過流保護電路的電路圖；圖7-Α、7_Β是一個優選的功率驅動電路圖。
具體實施方式
以下結合實施例並對照附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。如圖1所示，是本實施例的原理框圖，其包括DSP電路、給定輸入電路、位置反饋電路、電流採樣電路、過流保護電路和功率驅動電路；所述DSP主控電路包括脈衝計數及I/O模塊，QEP模塊、PWM模塊、A/D採樣模塊和TZ保護模塊，所述給定輸入電路與所述脈衝計數及I/O模塊連接，所述位置反饋電路與所述QEP模塊連接，所述PWM模塊與所述功率驅動電路連接，所述電流和電壓採樣電路分別與所述A/D採樣模塊、所述功率驅動電路連接，所述過流保護電路分別與所述TZ保護模塊、所述功率驅動電路連接。圖2為DSP主控電路1，負責接收給定信號和反饋信號，經過混合伺服算法，通過 PWM信號控制H橋電路的開通與關斷，從而控制電機運轉。本實用新型主要引用了 DSP的脈衝計數及IO模塊，QEP模塊，PWM模塊，A/D採樣模塊和TZ保護模塊。脈衝計數及IO模塊接收給定信號，主要有脈衝信號PUL(給定電機位置和速度)，方向信號DIR (給定電機的運轉方向)，使能信號ENA (給定驅動器的狀態，工作或待機)，其中脈衝接收採用DSP的外部時鐘口，其他的採用IO 口接收；QEP模塊接收正交編碼信號，反饋位置和速度信息；PWM模塊輸出PWM信號，控制H橋電路，該模塊只需設定相應的時基，便可產生互補的PWM信號；A/D採樣模塊對電流進行採樣，可同時轉換多路信號，保證了採樣信號的同步性。TZ保護模塊與PWM模塊關聯，接收到保護信號時，可及時關斷PWM 輸出。圖3為給定輸入電路2，負責接收外部給定信號(脈衝信號、方向信號、使能信號)， 並實現輸入信號方式選擇，送至DSP作為位置環的給定。本實施例的給定輸入電路2由恆流控制電路、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路構成。如圖所示，以脈衝信號路為例(方向信號和使能信號路的電路構成與此類似，不再一一描述)，恆流控制電路由電阻R4、R12、R15、 R31，電容C12，穩壓二極體Dl，三極體Ql和光耦U6組成，可接收不同幅值(5V14V)的脈衝信號，當脈衝信號施加於PUL+和PUL-之間，電壓經過R12和R4，在穩壓管Dl的作用下，使 Ql的1腳穩定於某一電壓，若Ql的1、2腳壓差大於三極體的導通壓降，Ql將會導通，光耦 U6前向電流IF加大，Ql的1、2腳壓差變小，當小於三極體的導通壓降時，Ql關斷，光耦U6 的前向電流IF減小，Ql的1、2腳壓差又變大，如此往復，施加於R15的電壓將會穩定於某一電壓值，也就是光耦TO的前向電流IF基本穩定於某於電流值，達到恆流的目的，其中C12 為濾波電容，R31為限流電阻，調節電流值的大小。為了加強信號輸入的抗幹擾性能，經過光耦隔離的信號，需加入脈衝頻率限制電路，濾除高頻的幹擾信號，此電路由電阻R34、R36，電容C34、C36濾波和非門U2A、U2B整形組成，可限制輸入脈衝的最高頻率。為實現多種輸入模式選擇，加入了多路選擇電路，此電路由與非門U1，非門U2E、U2F和多路選擇器U3組成， 如圖所示，四個與非門組成了 RS觸發器，從單脈衝輸入模式派生了雙脈衝輸入模式，U2E和 U2F派生下降沿有效方式，共同構成了四種輸入模式，經過多路選擇器U3進行先擇，由U3中 A、B腳的狀態實現，當A=0，B=O時，選擇通路0，為單脈衝方式，脈衝上升降沿有效；當A=I， B=O時，選擇通路1，為單脈衝方式，脈衝下降沿有效5 ；當A=0，B=I時，選擇通路2，為雙脈衝方式，脈衝上升沿有效；當A=I，B=I時，選擇通路3，為雙脈衝方式，脈衝下降沿有效。圖4為位置反饋電路3，配合DSP的QEP模塊反饋位置、速度信息，提供給位置環， 實現了伺服控制，保證電機不丟步，且顯著提升了高速性能。本位置反饋電路3由中點電壓電路、濾波電路和差分接收電路組成。如圖所示，從埠 CN3進來有兩路信號，分別為編碼器的EA相信號和EB相信號，以EB相信號為例，若為單端信號，即EB+有信號，EB-端無信號，在中點電壓電路(即電阻RlOl和R102構成的分壓電路)的作用下，EB-端電壓為5V/2， 而EB+端為5V或0V，此時EB+和EB-之間的電壓差絕對值總是大於2V，即大於差分接收電路接收信號的最小電壓，可保證EB+信號不失真地接收，若EB-端不作分壓，那麼就可造成 EB+和EB-之間的電壓差絕對值小於差分接收電路接收的最小電壓，導致接收失敗。若EB 相信號為差分信號，即EB+、EB-端都有信號，則中點電壓電路不起作用，進來的信號經過濾波電路(即電阻R64和電容C40，電阻R65和電容C41組成的RC濾波)，濾除高頻的雜波，再經過差分接收電路，由差分接收器件UlO將信號轉化為DSP可接收的單端信號。本實用新型可接收單端信號和差分信號 圖5為電流採樣電路4，與DSP的A/D模塊實現高解析度採樣，提供給電流環，根據負載動態調節電流大小，可顯著減小電機的振動和發熱。本實用新型電流採樣為H橋電路下橋臂電阻採樣，由兩級放大電路構成。如圖所示，採樣信號有兩路，ISA路和ISB路，以 ISA路為例，由電流信號轉化為電壓信號的ISA，幅值較小，直接送至DSP解析度不夠，又為正負電壓，不能被DSP直接接收，在此引入基準電壓1.65V，通過兩級同相放大電路進行採樣，一級由電阻R96、R42、R97、R43，電容C15和放大器U17B組成，第二級由電阻R98、R99、 R58、R27，電容C15、C61和放大器U17C組成，兩級各自有放大倍數，可根據電路的具體需求調整，採樣公式為V0=VREF+KR*VI，其中VO為輸出，VI為輸入，KR為放大倍數(其值由 R96、R42、R97、R43、R99、R58決定)，VREF為基準電壓，電路中VREF約為1. 65V，不同的電路板會有偏差，以DSP首次上電，首次採樣為基準，然後再進行運算，可解決由於器件的分散性導致基準偏差的問題，保證了一致性。本實用新型的採樣方法，以較小的成本就可實高解析度採樣。 圖6為過流保護電路5，利用DSP的TZ觸發，在發生過流時，可快速關斷PWM，保護驅動器。本實用新型由電壓採樣電路和過流信號轉化電路構成。如圖所示，電壓採樣電路由電阻R93、R94、R72，電容C60和三極體Q8組成，工作時電流全部流經R93，R93產生壓降並施加於R72和R94，當發生過流，R72兩端壓降達到三極體Q8的導通壓降，經C60濾波後使Q8導通，此時過流信號轉化電路(由R104、R105、R74、R73、Q7、R95、C17組成)開始工作， VDC施加於R104和R74，分壓壓降經R105使Q7導通，過流信號OC被拉低，經R95和C17濾波後送致DSP，觸發DSP的TZ，關斷PWM。本實用新型只需簡易的電路就能起到及時的保護。圖7為功率驅動電路6，驅動兩相電機，分別為A相(如圖7-A)和B相(如圖7_B)， 其中A相分兩路A+和A-，B相分兩路B+和B-，分別與電機端相連，通過PWM信號控制電機運轉。本實用新型由四個驅動電路和雙H橋功率電路構成。如圖7-A所示，以B+路為例， 驅動電路由驅動晶片U15，電阻R25，去耦電容C26，自舉電容C58，二極體D7構成，B+路PWM 信號經過R25進入U15，U15將該信號轉化為半橋臂上下功率器件(M3，M6)的PWM驅動信號 LBH和LBL，C26穩定U15的供電電壓，C58和D7用於產生高壓側LBH信號；H橋功率電路由兩個半橋臂電路構成，B+路由功率器件M3、M6，柵極電阻R88、R91和吸收電容Cx5組成， LBH和LBL信號分別經過R88和R91控制M3、M6的導通和關閉，從而控制電機的運轉，Cx5 加在橋臂與電源地之間，吸收M3和M6開通、關斷時產生的輻射，可大幅減少該指標數值，使幹擾有效減少。以上內容是結合具體的優選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限於這些說明。對於本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於包括DSP電路、給定輸入電路、位置反饋電路、電流和電壓採樣電路、過流保護電路和功率驅動電路；所述DSP主控電路包括脈衝計數及I/O模塊，QEP模塊、PWM模塊、A/D採樣模塊和TZ 保護模塊，所述給定輸入電路與所述脈衝計數及I/O模塊連接，所述位置反饋電路與所述 QEP模塊連接，所述PWM模塊與所述功率驅動電路連接，所述電流和電壓採樣電路分別與所述A/D採樣模塊、所述功率驅動電路連接，所述過流保護電路分別與所述TZ保護模塊、所述功率驅動電路連接。
2.如權利要求1所述的基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於所述給定輸入電路包括恆流控制電路、光耦、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路；所述恆流控制電路包括脈衝信號路、方向信號路和使能信號路，所述光耦包括光耦U6、U7和U5，所述脈衝信號路與所述光耦TO、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路依次連接，輸出脈衝信號PUL ；所述方向信號路與所述光耦U7、脈衝頻率限制電路和多路選擇電路依次連接，輸出方向信號DIR;所述使能信號路與所述光耦U5連接，輸出使能信號ΕΝΑ。
3.如權利要求2所述的基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於所述恆流控制電路脈衝信號路、方向信號路和使能信號路分別包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、 電容、穩壓管和三極體，所述第一電阻、第二電阻和三極體依次串接，所述第三電阻、第四電阻串接，所述電容和所述穩壓管串接在所述第一電阻、第二電阻的公共端與所述第二電阻、 所述三極體的公共端之間，所述三極體的發射極連接所述第三電阻、第四電阻的公共端，集電極連接所述第四電阻的另一端；所述脈衝信號路中，所述第一電阻和第三電阻的另一端分別連接脈衝信號PUL+和 PUL-；所述方向信號路中，所述第一電阻和第三電阻的另一端分別連接方向信號DIR+和 DIR-；所述使能信號路中，所述第一電阻和第三電阻的另一端分別連接使能信號ENA+和 ΕΝΑ-。
4.如權利要求1所述的基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於所述位置反饋電路分兩路，分別包括依次連接的分壓電路、濾波電路和差分接收電路。
5.如權利要求1所述的基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於所述電流採樣電路為H橋電路下橋臂電阻採樣，由兩級放大電路構成，並設置基準電壓VREF。
6.如權利要求1所述的基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於所述過流保護電路包括電壓採樣電路和過流信號轉化電路。
7.如權利要求1所述的基於DSP的混合伺服驅動器，其特徵在於所述功率驅動電路包括四個驅動電路和雙H橋功率電路，還包括連接在每個橋臂與電源地之間的吸收電容。
專利摘要本實用新型提供了一種基於DSP的混合伺服驅動器，其包括DSP電路、給定輸入電路、位置反饋電路、電流和電壓採樣電路、過流保護電路和功率驅動電路。該混合伺服驅動器結構簡單，在不增加成本的情況下，解決了步進電機易丟步的問題，電機運行更加平穩，並大幅節省電能，減少了發熱，同時提高了抗幹擾性能，能夠兼容不同幅值的脈衝控制信號。
文檔編號H02P8/12GK202197247SQ201120332589
公開日2012年4月18日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者李衛平, 林健華, 賀衛利 申請人:深圳市雷賽智能控制股份有限公司