一種直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，包括：采集電路、比例運(yùn)算電路、信號(hào)變換電路、PWM產(chǎn)生電路、互鎖電路及功率放大電路；采集電路用于采集直流電機(jī)反饋的電流信號(hào)，并發(fā)送到比例運(yùn)算電路；比例運(yùn)算電路用于基于控制器輸出的控制信號(hào)與所述電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算；信號(hào)變換電路用于將比例運(yùn)算電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為與PWM產(chǎn)生電路匹配的信號(hào)；PWM產(chǎn)生電路用于根據(jù)信號(hào)變換電路的輸出信號(hào)產(chǎn)生PWM信號(hào)；互鎖電路用于防止功率放大電路中的上下功率管同時(shí)導(dǎo)通；功率放大電路用于對(duì)互鎖電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本發(fā)明提供的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通用性強(qiáng)、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，適用于大功率、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的直流電機(jī)。
【專利說明】
_種直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]電機(jī)在我們的生活中無處不在，其中直流電機(jī)因其良好的啟動(dòng)特性、調(diào)速特性以及提供大轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)控制裝置中占據(jù)一席之地。比如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中用到的高精度、大轉(zhuǎn)矩、大功率的轉(zhuǎn)臺(tái)裝置就使用直流電機(jī)。實(shí)際應(yīng)用中如果使用直流電機(jī)，必然要涉及到直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)問題?，F(xiàn)在市場上有很多廠家生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)器，但是對(duì)于高精度、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速、大功率的直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器生產(chǎn)廠家比較少，而且要么功率較小，要么體積較大，無法滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)的要求。
[0003]目前在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)主要有兩種思路:一種是采用數(shù)字電路，通過微處理器采集電機(jī)反饋的電流，在微處理器內(nèi)完成閉環(huán)算法，然后通過功率放大電路控制電機(jī)， 但是這種思路因?yàn)橹绷麟姍C(jī)在很多場合受到的擾動(dòng)很大，噪聲較大，如果微處理器的采集效果不好，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)采集的電流不準(zhǔn)確的問題，很難把精度提上去；另一種思路是通過模擬電路搭建電流環(huán)PID運(yùn)算，然后設(shè)計(jì)自舉電路、死區(qū)電路，連接功率放大芯片，這種方案效果很好，但是電路很復(fù)雜，開發(fā)的成本也很高，對(duì)于不同要求的直流電機(jī)，通用性很差。
[0004]因此，亟需一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、通用性強(qiáng)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置以解決上述問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種通用性強(qiáng)、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，適用于大功率、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0006]本發(fā)明提供一種直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，包括:采集電路、比例運(yùn)算電路、信號(hào)變換電路、PWM產(chǎn)生電路、互鎖電路及功率放大電路;其中，采集電路與直流電機(jī)、比例運(yùn)算電路相連，用于采集直流電機(jī)反饋的電流信號(hào)，并發(fā)送到比例運(yùn)算電路;比例運(yùn)算電路與直流電機(jī)控制器相連，用于基于控制器輸出的控制信號(hào)與所述電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算;信號(hào)變換電路與比例運(yùn)算電路相連，用于將比例運(yùn)算電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為與PWM產(chǎn)生電路匹配的信號(hào);pmi產(chǎn)生電路與信號(hào)變換電路相連，用于根據(jù)信號(hào)變換電路的輸出信號(hào)產(chǎn)生13??信號(hào);互鎖電路與PWM產(chǎn)生電路、功率放大電路相連，用于防止功率放大電路中的上下功率管同時(shí)導(dǎo)通;功率放大電路與直流電機(jī)相連，用于對(duì)互鎖電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
[0007]優(yōu)選地，比例運(yùn)算電路包括:取反電路及運(yùn)算電路;其中，取反電路包括:第一運(yùn)算放大器U1、第一滑動(dòng)變阻器rl、第一電阻R1、第二電阻R2及第三電阻R3;其中，R1—端輸入所述電流信號(hào)，另一端連接U1反相輸入端;R2—端接地，另一端連接U1同向輸入端;R3—端連接U1反相輸入端，另一端與rl固定端相連;rl滑動(dòng)端與U1輸出端相連，用于調(diào)節(jié)電流反饋系數(shù);運(yùn)算電路包括:第二運(yùn)算放大器U2、第二滑動(dòng)變阻器r2、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6及第七電阻R7 ;其中，R4—端輸入所述控制信號(hào)，另一端連接U2反相輸入端及R5 — 端;R5另一端與U1輸出端相連;U2同相輸入端通過R6接地;r2固定端連接U2反相輸入端，滑動(dòng)端與R7—端相連，用于調(diào)節(jié)運(yùn)算電路的放大倍數(shù);R7另一端連接U2輸出端。
[0008]優(yōu)選地，信號(hào)變換電路包括:電壓變換電路、射隨電路、加法電路及電壓取反電路； 其中，電壓變換電路包括:第三運(yùn)算放大器U3、第三滑動(dòng)變阻器r3、第八電阻R8、第九電阻 R9、第十電阻R10;其中，U3的反相輸入端通過R8輸入比例運(yùn)算電路的輸出信號(hào)，同相輸入端通過R9接地;r3的固定端連接U3的反相輸入端，滑動(dòng)端通過R10與U3的輸出端相連;射隨電路包括:第四運(yùn)算放大器U4、第四滑動(dòng)變阻器r4、第十一電阻R11;其中，U4的同相輸入端通過R11接地，反相輸入端與輸出端相連;r4的固定端輸入?yún)⒖茧妷盒盘?hào)，滑動(dòng)端與U4同相輸入端相連;加法電路包括:第五運(yùn)算放大器U5、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻 R14、第十五電阻R15,用于將電壓變換電路與射隨電路的輸出信號(hào)相加；其中，U5的反相輸入端分別通過R12連接電壓變換電路的輸出端、通過R13連接射隨電路的輸出端，并通過R14 與U5的輸出端相連;U5的同相輸入端通過R15接地；電壓取反電路包括:第六運(yùn)算放大器U6、 第十六電阻R16、第十七電阻R17、第十八電阻R18,用于對(duì)加法電路的輸出信號(hào)取反;其中， U6的反相輸入端通過R16與U5的輸出端相連，通過R17與U6的輸出端相連;U6的同相輸入端通過R18接地。
[0009]優(yōu)選地，P麗產(chǎn)生電路包括:TL494芯片，用于根據(jù)U6的輸出信號(hào)產(chǎn)生P麗信號(hào)。[〇〇1〇] 優(yōu)選地，所述裝置還包括:保護(hù)電路；以及控制器還用于向保護(hù)電路發(fā)送伺服0N信號(hào)。
[0011]優(yōu)選地，保護(hù)電路包括:電流比較電路、伺服比較電路、錯(cuò)誤指示電路、過流指示電路、故障指示電路;其中，電流比較電路包括:比較器T1、第一光耦P1、第十九電阻R19;其中， T1的反相輸入端連接參考電壓信號(hào)，同相輸入端輸入所述電流信號(hào)的絕對(duì)值，輸出端通過 R19與P1的陰極相連;P1的陽極設(shè)置為高電平;伺服比較電路包括:第二光耦P2,其陽極置為高電平，陰極輸入所述伺服0N信號(hào);錯(cuò)誤指示電路包括:第一與門芯片Y1、第一反相器S1、第一發(fā)光二極管Ledl、第二十電阻R20，用于在所述電流信號(hào)過大和/或伺服0N信號(hào)為高電平時(shí)提供保護(hù)并指示;其中，P1、P2的輸出端分別連接Y1的第一輸入端、第二輸入端，Y1的輸出端通過S1連接Ledl的負(fù)極;Ledl的正極通過R20接入5V電壓;過流指示電路包括:第二反相器S2、第三反相器S3、第二發(fā)光二極管Led2、第二十一電阻R21，用于在所述電流信號(hào)過大時(shí)進(jìn)行指示;其中，S2輸入端連接P1的輸出端，其輸出端通過S3連接Led2的負(fù)極;Led2的正極通過R21接入5V電壓;故障指示電路包括:第四反相器S4、第三光耦P3,用于在所述電流信號(hào)過大時(shí)輸出故障信息；其中，S4的輸入端連接P1的輸出端，輸出端接入P3的陰極;P3的陽極置高電平。[〇〇12]優(yōu)選地，互鎖電路包括:PWM保護(hù)電路及光耦隔離電路;其中，PWM保護(hù)電路包括:第二與門芯片Y2、第三與門芯片Y3、第四與門芯片Y4、第五與門芯片Y5、第五反相器S5;其中， S5的輸入端接入PWM產(chǎn)生電路輸出的PWM信號(hào)，輸出端分別連接Y3、Y4的第一輸入端;Y2、Y5 的第一輸入端輸入所述PWM信號(hào);Y2、Y3、Y4、Y5的第二輸入端分別連接Y1的輸出端;光耦隔離電路包括:第四光耦P4、第五光耦P5、第六光耦P6、第七光耦P7、第二十二電阻R22、第二十三電阻R23、第二十四電阻R24、第二十五電阻R25,用于阻止P4、P5同時(shí)導(dǎo)通，并阻止P6、P7同時(shí)導(dǎo)通;其中，P4的陽極通過R22連接Y2的輸出端，并與P5的陰極相連;P5的陽極通過R23連接Y3的輸出端，并與P4的陰極相連;P6的陽極通過R24連接Y4的輸出端，并與P7的陰極相連； P7的陽極通過R25連接Y5的輸出端，并與P6的陰極相連。[〇〇13] 優(yōu)選地，功率放大電路包括:IGCM20F60GA芯片，用于對(duì)?415、？6、？7的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并由此驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。[〇〇14]優(yōu)選地，光耦隔離電路還包括:第八光耦P8、第九光耦P9、第二十六電阻R26、第二十七電阻R27,用于將強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)隔離；其中，P8的陽極與P9的陰極相連，并通過 R26連接強(qiáng)電信號(hào)的地線;P9的陽極與P8的陰極相連，并通過R27連接弱電信號(hào)的地線。 [〇〇15]優(yōu)選地，采集電路包括:CSNP661芯片及與之連接的電感，該芯片用于采集直流電機(jī)反饋的電流信號(hào)，并通過調(diào)整所述電感線圈的匝數(shù)改變量程。
[0016]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉、控制精度高、通用性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)控制裝置中?！靖綀D說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置比例運(yùn)算電路原理圖；
[0019]圖3是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置信號(hào)變換電路原理圖；
[0020]圖4是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置P麗產(chǎn)生電路原理圖；[0021 ]圖5是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置保護(hù)電路原理圖；
[0022]圖6是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置PWM保護(hù)電路原理圖；
[0023]圖7是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置光耦隔離電路原理圖；[〇〇24]圖8是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置功率放大電路原理圖；[〇〇25]圖9是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置比例運(yùn)算電路組成示意圖；
[0026]圖10是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置信號(hào)變換電路組成示意圖；
[0027]圖11是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置保護(hù)電路組成示意圖；[〇〇28]圖12是本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置互鎖電路組成示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉出優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。然而，需要說明的是，說明書中列出的許多細(xì)節(jié)僅僅是為了使讀者對(duì)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面有一個(gè)透徹的理解，即便沒有這些特定的細(xì)節(jié)也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些方面。
[0030]本發(fā)明的發(fā)明人考慮到，目前直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的兩種主要設(shè)計(jì)方法都存在重大弊端:采用數(shù)字電路，通過微處理器采集電機(jī)反饋的電流，在微處理器內(nèi)完成閉環(huán)算法，然后通過功率放大電路控制電機(jī)的方法，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)在很多場合受到的擾動(dòng)很大，噪聲較大， 如果微處理器的采集效果不好，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)采集的電流不準(zhǔn)確的問題，很難把精度提上去； 采用模擬電路搭建電流環(huán)PID運(yùn)算，然后設(shè)計(jì)自舉電路、死區(qū)電路，連接功率放大芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方法效果很好，但是電路很復(fù)雜，開發(fā)的成本也很高，對(duì)于不同要求的直流電機(jī)，通用性很差。
[0031]基于上述考慮，本發(fā)明的發(fā)明人針對(duì)性地進(jìn)行了如下改進(jìn):
[0032](1)采集電流采用粗匹配與細(xì)匹配相結(jié)合的方法。粗匹配采用電流傳感器CSNP661，通過改變與之連接的線圈的匝數(shù)改變量程;細(xì)匹配利用比例運(yùn)算電路中的滑動(dòng)變阻器來進(jìn)行細(xì)調(diào)。電流的測量量程為0-50A，適用于工作電流在這個(gè)范圍的多種直流電機(jī)。 [〇〇33](2)實(shí)現(xiàn)了多種額定電壓電機(jī)的接入。功率放大器采用了英飛凌的IGCM20F60GA，可以承受的最大電壓是600V，能夠適用于絕大多數(shù)的工業(yè)要求。同時(shí)其開關(guān)管的速度可以達(dá)到20KHz，適應(yīng)多數(shù)場合的需求。
[0034](3)完成了電流閉環(huán)算法。根據(jù)反饋的電流進(jìn)行比例運(yùn)算，并且可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)，減小跟蹤誤差。與控制器結(jié)合，可以消除靜態(tài)誤差，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
[0035](4)P麗(Pulse Width Modulat1n，脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)的產(chǎn)生采用芯片TL494。 TL494是工業(yè)上經(jīng)常采用的一款高精度的三角波產(chǎn)生電路，本發(fā)明采用其內(nèi)部的三角波與給定電壓作比較實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的產(chǎn)生。上述芯片產(chǎn)生的PWM信號(hào)波形穩(wěn)定，精度高，開關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)，本發(fā)明將開關(guān)頻率設(shè)置為1 OKHz。
[0036](5)采用互鎖電路替代死區(qū)設(shè)置。由模擬電路來實(shí)現(xiàn)死區(qū)的設(shè)置，需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并且調(diào)節(jié)困難、耗費(fèi)時(shí)間較長。本發(fā)明利用高速光耦實(shí)現(xiàn)互鎖，實(shí)現(xiàn)了功放中上下兩個(gè)功率管不可能同時(shí)導(dǎo)通的效果，既簡化了電路，又提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0037](6)功率放大電路上的改進(jìn)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是設(shè)計(jì)自舉電路，再加上功率管，分開來完成功率放大。本裝置中采用IGCM20F60GA，這是一款將自舉電路和IGBT集成的芯片， 集成了六個(gè)功率管，只需一個(gè)芯片就解決了上面的問題，由此大大簡化了電路，同時(shí)可靠性大大提高。這款芯片內(nèi)部也集成了保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流過大或者功率管異常時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷電路，對(duì)電路進(jìn)彳丁保護(hù)，使得系統(tǒng)的性能大大提尚。
[0038]圖1示出了本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖，參見圖1，該裝置包括:采集電路17、比例運(yùn)算電路11、信號(hào)變換電路12、P麗產(chǎn)生電路13、互鎖電路14及功率放大電路15。 下面對(duì)各部分電路進(jìn)行詳細(xì)介紹:
[0039]采集電路17與直流電機(jī)16、比例運(yùn)算電路11相連，用于采集直流電機(jī)16反饋的電流信號(hào)，并發(fā)送到比例運(yùn)算電路11。實(shí)際應(yīng)用中，采集電路17包括CSNP661芯片及與之連接的電感，該芯片用于采集直流電機(jī)16反饋的電流信號(hào)，并通過調(diào)整電感線圈的匝數(shù)改變量程。如此設(shè)置的電流測量量程為0?50A，適用于工作電流在這個(gè)范圍的多種直流電機(jī)。
[0040]比例運(yùn)算電路11與直流電機(jī)控制器19相連，用于基于控制器19輸出的模擬量控制信號(hào)與直流電機(jī)16反饋的電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，比例運(yùn)算電路 11包括取反電路111及運(yùn)算電路112。[〇〇41]圖2示出了比例運(yùn)算電路原理圖，參見圖2,取反電路111包括:第一運(yùn)算放大器U1、 第一滑動(dòng)變阻器rl、第一電阻R1、第二電阻R2及第三電阻R3。其連接關(guān)系如下:[〇〇42] R1—端輸入反饋的電流信號(hào)，另一端連接U1反相輸入端。R2—端接地，另一端連接 U1同向輸入端。R3—端連接U1反相輸入端，另一端與r 1固定端相連。r 1滑動(dòng)端與U1輸出端相連，用于調(diào)節(jié)電流反饋系數(shù)。
[0043]上述取反電路111將反饋的電流信號(hào)取反，并采用rl調(diào)節(jié)電流反饋系數(shù)，輸出取反的電流信號(hào)與電流反饋系數(shù)的乘積。rl由此實(shí)現(xiàn)了反饋電流的細(xì)匹配，有助于實(shí)現(xiàn)精確的電流閉環(huán)控制。
[0044] 運(yùn)算電路112包括:第二運(yùn)算放大器U2、第二滑動(dòng)變阻器r2、第四電阻R4、第五電阻 R5、第六電阻R6及第七電阻R7。其連接關(guān)系如下:[0〇45] R4—端輸入控制信號(hào)，另一端連接U2反相輸入端及R5—端。R5另一端與U1輸出端相連。U2同相輸入端通過R6接地。r2固定端連接U2反相輸入端，滑動(dòng)端與R7—端相連，用于調(diào)節(jié)運(yùn)算電路112的放大倍數(shù)。R7另一端連接U2輸出端。
[0046]運(yùn)算電路112首先得到控制信號(hào)與帶有電流反饋系數(shù)的電流信號(hào)的差值，再對(duì)此差值進(jìn)行比例運(yùn)算，得到經(jīng)過PID運(yùn)算的控制量。
[0047]比例運(yùn)算電路11的上述設(shè)置能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)，減小跟蹤誤差，與控制器結(jié)合消除靜態(tài)誤差，并具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
[0048]實(shí)際應(yīng)用中，上述元件可設(shè)置為:1?1 = 2.51(〇，1?2 = 21(〇，1?3=100〇，1?4=101(〇， R5 = 10KQ，R6 = 5.1KQ，R7 = 100Q 42調(diào)節(jié)到60KQ，這樣比例控制系數(shù)KP = 6。
[0049]圖9是比例運(yùn)算電路組成示意圖，從中可以看到取反電路111與運(yùn)算電路112的連接關(guān)系。
[0050]在實(shí)際應(yīng)用中，比例運(yùn)算電路11輸出信號(hào)在-10V到10V之間，而HVM需要的輸入信號(hào)范圍是0V-2.7V，于是需要設(shè)計(jì)信號(hào)變換電路12來進(jìn)行電壓變換。
[0051]信號(hào)變換電路12與比例運(yùn)算電路11相連，用于將比例運(yùn)算電路11的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為與PWM產(chǎn)生電路13匹配的信號(hào)。[〇〇52]作為一個(gè)優(yōu)選方案，信號(hào)變換電路12包括:電壓變換電路121、射隨電路122、加法電路123及電壓取反電路124。參見圖3、圖10。圖3示出了信號(hào)變換電路12的原理，圖10示出了信號(hào)變換電路12的組成。具體而言:[〇〇53]電壓變換電路121包括:第三運(yùn)算放大器U3、第三滑動(dòng)變阻器r3、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10。其連接關(guān)系如下:[〇〇54] U3的反相輸入端通過R8輸入比例運(yùn)算電路11的輸出信號(hào)，同相輸入端通過R9接地。r3的固定端連接U3的反相輸入端，滑動(dòng)端通過R10與U3的輸出端相連。[〇〇55]電壓變換電路121是比例運(yùn)算電路，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電壓變換。實(shí)際應(yīng)用中，R8 = 10KQ，R9 = 1KQ，R10=100Q，r3調(diào)節(jié)為1.3KQ，U3輸出信號(hào)的電壓范圍轉(zhuǎn)換為-1.3V到 1.3V〇[〇〇56] 射隨電路122包括:第四運(yùn)算放大器U4、第四滑動(dòng)變阻器r4、第十一電阻R11。其中， U4的同相輸入端通過R11接地，反相輸入端與輸出端相連;r4的固定端輸入?yún)⒖茧妷盒盘?hào)， 滑動(dòng)端與U4同相輸入端相連。射隨電路122用于增強(qiáng)經(jīng)過r4的參考電壓信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，參考電壓為5V，其經(jīng)r4的電壓為1.3V，R11 = 13K Q，射隨電路122的輸出信號(hào)為1.3V。[〇〇57] 加法電路123包括:第五運(yùn)算放大器U5、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15,用于將電壓變換電路121與射隨電路122的輸出信號(hào)相加。其中，U5 的反相輸入端分別通過R12連接電壓變換電路121的輸出端、通過R13連接射隨電路122的輸出端，并通過R14與U5的輸出端相連。U5的同相輸入端通過R15接地。具體地，R12 = 10KQ， R13 = 10KQ，R14=10KQ，R15 = 3.3KQ，經(jīng)過上述設(shè)置，加法電路123輸出信號(hào)的范圍是0V 到-2.7V。[〇〇58]電壓取反電路124包括:第六運(yùn)算放大器U6、第十六電阻R16、第十七電阻R17、第十八電阻R18,用于對(duì)加法電路123的輸出信號(hào)取反。其中，U6的反相輸入端通過R16與U5的輸出端相連，通過R17與U6的輸出端相連;U6的同相輸入端通過R18接地。實(shí)際應(yīng)用中，R16 = 10KQ，R17 = 10KQ，R18 = 5.1KQ，電壓取反電路輸出電壓范圍在0V-2.7V之間的信號(hào)。 [〇〇59] 經(jīng)過上述設(shè)置，信號(hào)變換電路12將輸出信號(hào)控制在0V-2.7V之間，利于產(chǎn)生電路13的運(yùn)行。
[0060]pmi產(chǎn)生電路13與信號(hào)變換電路12相連，用于根據(jù)信號(hào)變換電路12的輸出信號(hào)產(chǎn)生HVM信號(hào)。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，pmi產(chǎn)生電路13包括TL494芯片，其內(nèi)部可以產(chǎn)生三角波，與U6的輸出信號(hào)比較就能產(chǎn)生寬度可調(diào)的PWM信號(hào)，其生成的HVM信號(hào)波形穩(wěn)定，精度高，開關(guān)頻率可以調(diào)節(jié)。本發(fā)明設(shè)置開關(guān)頻率為lOKHz。圖4示出了PWM產(chǎn)生電路原理圖，參見圖4，信號(hào)變換電路12的輸出信號(hào)輸入到TL494的DTC端口，其&、C2端口輸出的信號(hào)進(jìn)入互鎖電路14。圖中的參考電壓Vrrf = 5V。
[0061]較佳地，在本發(fā)明實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)裝置還設(shè)置有保護(hù)電路18。在實(shí)際應(yīng)用中，保護(hù)電路18包括:電流比較電路181、伺服比較電路182、錯(cuò)誤指示電路183、過流指示電路184、故障指示電路185。如圖5、圖11所示。圖5示出了保護(hù)電路18的原理，圖11示出了保護(hù)電路18的組成。具體而言:[〇〇62]電流比較電路181包括:比較器T1、第一光耦P1、第十九電阻R19。其中，T1的反相輸入端連接參考電壓信號(hào)，同相輸入端輸入電流信號(hào)的絕對(duì)值，輸出端通過R19與P1的陰極相連。T1的輸出端還通過5.1K Q的電阻接5V電壓，P1的陰極通過反接的二極管接地，P1的輸出端通過510 Q的電阻接地，P1的陽極通過510 Q的電阻接5V電壓。實(shí)際應(yīng)用中，R19 = 5.1KQ。 [〇〇63]電流比較電路181的工作原理如下:T1主要完成的是參考電壓為5V的Vref與取絕對(duì)值之后電流信號(hào)“dl_abs”之間的比較電路，當(dāng)電流值超過設(shè)定的最大值之后，T1輸出高電平，這樣P1左邊截止，造成其右側(cè)也截止，這樣輸出信號(hào)“hdl”為低電平。
[0064]在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，控制器19還向保護(hù)電路18發(fā)送伺服0N信號(hào)，用于控制PWM 信號(hào)的開關(guān)。[〇〇65]伺服比較電路182包括第二光耦P2,其陽極置為高電平，陰極輸入伺服0N信號(hào) power。其工作原理為:當(dāng)光親左側(cè)power為高電平時(shí)，光親截止，右側(cè)power_on輸出低電平； 反之，輸出高電平。在實(shí)際應(yīng)用中，P2陽極通過5.1KQ的電阻接5V電壓，其輸出端通過510 Q 的電阻接地。[〇〇66]錯(cuò)誤指示電路183包括:第一與門芯片Y1、第一反相器S1、第一發(fā)光二極管Ledl、第二十電阻R20,用于在電流信號(hào)過大和/或伺服0N信號(hào)為高電平時(shí)提供保護(hù)并指示。其中， P1、P2的輸出端分別連接Y1的第一輸入端、第二輸入端，Y1的輸出端通過S1連接Led 1的負(fù)極。Ledl的正極通過R20接入5V電壓。在本發(fā)明實(shí)施例中，R20 = 5.1KQ。錯(cuò)誤指示電路183的工作原理為:當(dāng)hdl與power_on任一為低電平時(shí)，說明電路存在問題，Y1將“mot1n”拉成低電平，進(jìn)而切斷功率放大電路15的輸入信號(hào)?！癿ot1n”經(jīng)過S1取反之后變成高電平，發(fā)光二極管Ledl“ERR0R_0N”熄滅，指示電路發(fā)生錯(cuò)誤。
[0067]當(dāng)直流電機(jī)16反饋的電流過大或超速運(yùn)轉(zhuǎn)，錯(cuò)誤指示電路183能夠使輸入功率放大電路15的PWM信號(hào)的占空比為零，從而停止運(yùn)行，保護(hù)電路不受損壞。同時(shí)，本發(fā)明設(shè)計(jì)由控制器19提供給保護(hù)電路18伺服0N信號(hào)，以防止在剛開始上電時(shí)電機(jī)發(fā)生意外轉(zhuǎn)動(dòng)，并在有錯(cuò)誤發(fā)生的情況，立刻終止功率放大電路15工作，防止系統(tǒng)的損壞。
[0068] 過流指示電路184包括:第二反相器S2、第三反相器S3、第二發(fā)光二極管Led2、第二十一電阻R21，用于在電流信號(hào)過大時(shí)進(jìn)行指示。其中，S2輸入端連接P1的輸出端，其輸出端通過S3連接Led2的負(fù)極。Led2的正極通過R21 = 5.1KQ接入5V電壓。S2、S3的作用是提高h(yuǎn)dl 信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)“hdl”輸出低電平時(shí)，將發(fā)光二極管Led2“hdl_0FF”點(diǎn)亮，提示電流過大。[〇〇69]故障指示電路185包括:第四反相器S4、第三光耦P3,用于在電流信號(hào)過大時(shí)輸出故障信息。其中，S4的輸入端連接P1的輸出端，輸出端接入P3的陰極，P3的陽極通過5.1K Q 的電阻接5V電壓，P3的輸出端通過510 Q的電阻接地。其工作原理是:S4將“hdl”信號(hào)取反之后，當(dāng)“hdl”為低電平時(shí)，“ERROR”輸出高電平，則P3截止，“ERR0R_0UT”輸出低電平，指示電路發(fā)生故障。進(jìn)一步，故障信息“ERR0R_0UT”被返回到控制器19。
[0070]在現(xiàn)有技術(shù)中，多采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)死區(qū)的設(shè)置，這需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，而且調(diào)節(jié)困難、耗費(fèi)時(shí)間較長。本發(fā)明利用高速光耦設(shè)計(jì)互鎖電路14,實(shí)現(xiàn)了功放中上下兩個(gè)功率管不可能同時(shí)導(dǎo)通的功能，既簡化了電路，又提高了系統(tǒng)的可靠性。[0071 ]具體地，互鎖電路14與PWM產(chǎn)生電路13、功率放大電路15相連，用于防止功率放大電路15中的上下功率管同時(shí)導(dǎo)通。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，互鎖電路14包括:PWM保護(hù)電路141 及光耦隔離電路142。如圖6、圖7、圖12所示。圖6示出了 PWM保護(hù)電路原理，圖7示出了光耦隔離電路原理，圖12示出了互鎖電路14的組成。如圖:[〇〇72] P麗保護(hù)電路141包括:第二與門芯片Y2、第三與門芯片Y3、第四與門芯片Y4、第五與門芯片Y5、第五反相器S5。其中，S5的輸入端接入產(chǎn)生電路13輸出的HVM信號(hào)，輸出端分別連接Y3、Y4的第一輸入端。Y2、Y5的第一輸入端輸入PWM信號(hào)。￥2、￥3、￥4、￥5的第二輸入端分別連接Y1的輸出端。[〇〇73] 光耦隔離電路142包括:第四光耦P4、第五光耦P5、第六光耦P6、第七光耦P7、第二十二電阻R22、第二十三電阻R23、第二十四電阻R24、第二十五電阻R25,用于阻止P4、P5同時(shí)導(dǎo)通，并阻止P6、P7同時(shí)導(dǎo)通。其中，P4的陽極通過R22連接Y2的輸出端，并與P5的陰極相連。 P5的陽極通過R23連接Y3的輸出端，并與P4的陰極相連。P6的陽極通過R24連接Y4的輸出端， 并與P7的陰極相連。P7的陽極通過R25連接Y5的輸出端，并與P6的陰極相連。具體應(yīng)用中， 尺22、1?23、1?24、1?25均為220〇。？4、？5、？6、？7的輸出信號(hào)作為功率放大電路15的輸入，上述設(shè)置使得功率放大電路15中的上下功率管無法同時(shí)導(dǎo)通，極大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
[0074]同時(shí)，當(dāng)反饋電流過大或電機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)，又或伺服0N信號(hào)為高電平時(shí)，Y1的輸出信號(hào)“mot1n”為低電平，￥2、￥3、￥4、￥5均輸出低電平，？4、？5、？6、？7均截止，功率放大電路15停止工作?？梢姡鲜鲈O(shè)置使得保護(hù)電路18能夠在意外情況下終止系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。
[0075]功率放大電路的傳統(tǒng)方案是設(shè)計(jì)自舉電路，然后加上功率管，分開來完成功率放大。本發(fā)明將自舉電路和六個(gè)IGBT集成，只需一個(gè)芯片就解決了上述問題。一方面大大簡化了電路，同時(shí)可靠性極大提高。[〇〇76]具體來說，功率放大電路15與直流電機(jī)16相連，用于對(duì)互鎖電路14的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，功率放大電路15包括:1GCM20F60GA 芯片，其集成了六個(gè)IGBT，可以實(shí)現(xiàn)兩相直流電機(jī)和三相交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，開關(guān)功率消耗低，開關(guān)管的速度可以達(dá)到20KHz，適合于多數(shù)場合的需求。該芯片用于對(duì)?415、？6、？7的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并由此驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)16。圖8是功率放大電路原理圖，參見圖8，P4、 P5、P6、P7的輸出信號(hào)通過芯片左側(cè)下方6個(gè)IGBT的控制端輸入，左側(cè)上方的管腳為自舉電路的電容輸入端，需要按照要求接自舉電容。芯片右側(cè)設(shè)有兩個(gè)強(qiáng)電輸入端，輸入18 V-600V 的強(qiáng)電，能夠滿足絕大多數(shù)情況的工業(yè)要求。芯片右側(cè)設(shè)有接電機(jī)的管腳，用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。[〇〇77]作為一個(gè)優(yōu)選方案，光耦隔離電路142還包括:第八光耦P8、第九光耦P9、第二十六電阻R26、第二十七電阻R27,用于將強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)隔離。[〇〇78]具體地，P8的陽極與P9的陰極相連，并通過R26連接強(qiáng)電信號(hào)的地線。P9的陽極與 P8的陰極相連，并通過R27連接弱電信號(hào)的地線。如此設(shè)置實(shí)現(xiàn)了光耦隔離電路142兩側(cè)強(qiáng)電信號(hào)與弱點(diǎn)信號(hào)的隔離，避免了強(qiáng)電對(duì)弱電造成的干擾。具體應(yīng)用中，R26 = R27 = 220Q。 [〇〇79] 本發(fā)明的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置需要+5V及± 15V電源。
[0080]本發(fā)明提供的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通用性強(qiáng)、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，適用于大功率、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的直流電機(jī)，已成功應(yīng)用在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中及九自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，極大提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了科研的成本。整套裝置的開發(fā)成本為兩百人民幣左右，低于市場上大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格，擺脫了對(duì)昂貴的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的依賴。
[0081]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，如: R0M/RAM、磁碟、光盤等。
[0082]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，包括:采集電路、比例運(yùn)算電路、信號(hào)變換 電路、PWM產(chǎn)生電路、互鎖電路及功率放大電路;其中，采集電路與直流電機(jī)、比例運(yùn)算電路相連，用于采集直流電機(jī)反饋的電流信號(hào)，并發(fā)送 到比例運(yùn)算電路；比例運(yùn)算電路與直流電機(jī)控制器相連，用于基于控制器輸出的控制信號(hào)與所述電流信 號(hào)實(shí)現(xiàn)比例運(yùn)算；信號(hào)變換電路與比例運(yùn)算電路相連，用于將比例運(yùn)算電路的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為與13??產(chǎn) 生電路匹配的信號(hào)；PWM產(chǎn)生電路與信號(hào)變換電路相連，用于根據(jù)信號(hào)變換電路的輸出信號(hào)產(chǎn)生PWM信號(hào)；互鎖電路與PWM產(chǎn)生電路、功率放大電路相連，用于防止功率放大電路中的上下功率管 同時(shí)導(dǎo)通；功率放大電路與直流電機(jī)相連，用于對(duì)互鎖電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并以此驅(qū) 動(dòng)電機(jī)。2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，比例運(yùn)算電路包括:取反電路及運(yùn)算電路;其 中，取反電路包括:第一運(yùn)算放大器U1、第一滑動(dòng)變阻器rl、第一電阻R1、第二電阻R2及第 三電阻R3;其中，R1—端輸入所述電流信號(hào)，另一端連接U1反相輸入端;R2—端接地，另一端連接U1同向 輸入端;R3—端連接U1反相輸入端，另一端與rl固定端相連;rl滑動(dòng)端與U1輸出端相連，用 于調(diào)節(jié)電流反饋系數(shù)；運(yùn)算電路包括:第二運(yùn)算放大器U2、第二滑動(dòng)變阻器r2、第四電阻R4、第五電阻R5、第六 電阻R6及第七電阻R7;其中，R4—端輸入所述控制信號(hào)，另一端連接U2反相輸入端及R5—端;R5另一端與U1輸出端 相連;U2同相輸入端通過R6接地;r2固定端連接U2反相輸入端，滑動(dòng)端與R7—端相連，用于 調(diào)節(jié)運(yùn)算電路的放大倍數(shù);R7另一端連接U2輸出端。3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，信號(hào)變換電路包括:電壓變換電路、射隨電 路、加法電路及電壓取反電路;其中，電壓變換電路包括:第三運(yùn)算放大器U3、第三滑動(dòng)變阻器r3、第八電阻R8、第九電阻R9、 第十電阻R10;其中，U3的反相輸入端通過R8輸入比例運(yùn)算電路的輸出信號(hào)，同相輸入端通 過R9接地;r3的固定端連接U3的反相輸入端，滑動(dòng)端通過R10與U3的輸出端相連；射隨電路包括:第四運(yùn)算放大器U4、第四滑動(dòng)變阻器r4、第十一電阻R11;其中，U4的同 相輸入端通過R11接地，反相輸入端與輸出端相連;r4的固定端輸入?yún)⒖茧妷盒盘?hào)，滑動(dòng)端 與U4同相輸入端相連；加法電路包括:第五運(yùn)算放大器U5、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、 第十五電阻R15,用于將電壓變換電路與射隨電路的輸出信號(hào)相加;其中，U5的反相輸入端 分別通過R12連接電壓變換電路的輸出端、通過R13連接射隨電路的輸出端，并通過R14與U5 的輸出端相連;U5的同相輸入端通過R15接地；電壓取反電路包括:第六運(yùn)算放大器U6、第十六電阻R16、第十七電阻R17、第十八電阻 R18,用于對(duì)加法電路的輸出信號(hào)取反;其中，U6的反相輸入端通過R16與U5的輸出端相連，通過R17與U6的輸出端相連;U6的同相輸入端通過R18接地。4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，PWM產(chǎn)生電路包括:TL494芯片，用于根據(jù)U6的 輸出信號(hào)產(chǎn)生PWM信號(hào)。5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括:保護(hù)電路；以及控制器還用于向保護(hù) 電路發(fā)送伺服ON信號(hào)。6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，保護(hù)電路包括:電流比較電路、伺服比較電 路、錯(cuò)誤指示電路、過流指示電路、故障指示電路;其中，電流比較電路包括:比較器T1、第一光耦P1、第十九電阻R19;其中，T1的反相輸入端連 接參考電壓信號(hào)，同相輸入端輸入所述電流信號(hào)的絕對(duì)值，輸出端通過R19與P1的陰極相 連;P1的陽極設(shè)置為高電平；伺服比較電路包括:第二光耦P2，其陽極置為高電平，陰極輸入所述伺服ON信號(hào)；錯(cuò)誤指示電路包括:第一與門芯片Y1、第一反相器S1、第一發(fā)光二極管Ledl、第二十電 阻R20,用于在所述電流信號(hào)過大和/或伺服ON信號(hào)為高電平時(shí)提供保護(hù)并指示;其中，P1、 P2的輸出端分別連接Y1的第一輸入端、第二輸入端，Y1的輸出端通過S1連接Led 1的負(fù)極； Led 1的正極通過R20接入5V電壓；過流指示電路包括:第二反相器S2、第三反相器S3、第二發(fā)光二極管Led2、第二十一電 阻R21，用于在所述電流信號(hào)過大時(shí)進(jìn)行指示;其中，S2輸入端連接P1的輸出端，其輸出端通 過S3連接Led2的負(fù)極;Led2的正極通過R21接入5V電壓；故障指示電路包括:第四反相器S4、第三光耦P3,用于在所述電流信號(hào)過大時(shí)輸出故障 信息;其中，S4的輸入端連接P1的輸出端，輸出端接入P3的陰極;P3的陽極置高電平。7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，互鎖電路包括:保護(hù)電路及光耦隔離電 路;其中，PWM保護(hù)電路包括:第二與門芯片Y2、第三與門芯片Y3、第四與門芯片Y4、第五與門芯片 Y5、第五反相器S5;其中，S5的輸入端接入PWM產(chǎn)生電路輸出的PWM信號(hào)，輸出端分別連接Y3、 Y4的第一輸入端;Y2、Y5的第一輸入端輸入所述PWM信號(hào);Y2、Y3、Y4、Y5的第二輸入端分別連 接Y1的輸出端；光耦隔離電路包括:第四光耦P4、第五光耦P5、第六光耦P6、第七光耦P7、第二十二電阻 R22、第二十三電阻R23、第二十四電阻R24、第二十五電阻R25,用于阻止P4、P5同時(shí)導(dǎo)通，并 阻止P6、P7同時(shí)導(dǎo)通;其中，P4的陽極通過R22連接Y2的輸出端，并與P5的陰極相連;P5的陽 極通過R23連接Y3的輸出端，并與P4的陰極相連;P6的陽極通過R24連接Y4的輸出端，并與P7 的陰極相連;P7的陽極通過R25連接Y5的輸出端，并與P6的陰極相連。8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，功率放大電路包括:IGCM20F60GA芯片，用于 對(duì)P4、P5、P6、P7的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并由此驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，光耦隔離電路還包括:第八光耦P8、第九光耦 P9、第二十六電阻R26、第二十七電阻R27,用于將強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)隔離;其中，P8的陽極與P9的陰極相連，并通過R26連接強(qiáng)電信號(hào)的地線；P9的陽極與P8的陰極相 連，并通過R27連接弱電信號(hào)的地線。10.如權(quán)利要求1-9任一所述的裝置，其特征在于，采集電路包括:CSNP661芯片及與之 連接的電感，該芯片用于采集直流電機(jī)反饋的電流信號(hào)，并通過調(diào)整所述電感線圈的匝數(shù)改變量程。
【文檔編號(hào)】H02H7/085GK105958881SQ201610374905
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】馬廣程, 張寒冰, 夏紅偉, 王常虹, 溫奇詠
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)