变频伺服驱动器硬件设计筹划_电路_暗记

伺服驱动器的硬件研发紧张包括掌握板和电源板的设计，掌握板承担与上位机进行交互和实时天生精准的PWM旗子暗记。
电源板的浸染根据PWM旗子暗记，利用调制的事理产生特定频率，特定相位和特定幅值的三相电流以驱动电机以达到最优掌握。

一 掌握板研发

安川、西门子等国际有名的公司都是采取ASIC的办法的芯片，这样就可以按照自己的设计须要来制造专用于伺服掌握的芯片，由于采样ASIC办法，以是芯片的运行速率非常快，随意马虎实现电流环的快速相应，并且可以并行事情，那么也很随意马虎实现多轴的一体化设计。
采样ASIC的办法还有很多的好处，比如加密等。
但是采取ASIC的风险和前期的投入也是非常的巨大的，并且还要受该国的芯片设计和制造工艺的限定。

根据我国的实际的国情和国际的成分等多种缘故原由，核心芯片比较适宜采取通用的DSP，ARM等处理器，比如Ti的C2000、飞思卡尔的K60和英飞凌的XE164等。
研究台达的伺服驱动器创造其架构是采取Ti的DSP 2812+CPLD，这和我们公司的方案基本一样。
我们也是采取DSP2812加CPLD(EPM570T144)来实现核心的掌握功能。
如果是高档伺服可以考虑用Ti目前刚推出的2837X系列的DSP。

DSP实现位置环、速率环、电流环的掌握以及利用事宜管理器PWM接口产生特定的PWM旗子暗记。
可以利用其灵巧的编程特性和快速的运算能力实现特定的掌握算法等，还可以利用其自身的A/D完成对电机电流的转换，但是DSP自身的A/D精度普遍较低，并且还受基准电压、电源的纹波及PCB的LAYOUT模数稠浊电路的处理技巧影响，以是高档的伺服险些都采取了外部A/D来完成电流采样的处理。
比如路斯特安川等。
也有一些高档的伺服利用一些分外的电流传感器，该传感器的输出已经是数字旗子暗记，这样就可以节省了外部A/D芯片和增强抗滋扰能力。
如西门子的变频器采取HCPL7860，法拉克用于机器人的六驱一体的伺服也是采取了HCPL7860，西门子的伺服S120采取了Ti的芯片AMC1203。

CPLD的浸染是用来帮忙DSP以减少其自身的开销，比如扩展I/O,完成速率的打算，位置的打算，掌握外部A/D对电机电流进行转换，因此实现位置环速率环电流环所须要的位置数据，速率数据及电流数据，那么DSP就可以直接从CPLD/FPGA处读取，不须要耗费DSP的宝贵韶光来打算这些数据。
如果是增量式编码器采取M/T法测速效果是最好的，但M/T法对DSP处理器的资源开销很大, 而CPLD/FPGA可以非常方便利用M/T法进行测速。
如果是绝对式编码器也可以非常方便采取CPLD/FPGA来解析通信协议，并实现测速。
一些高档的伺服也采取了CPLD/FPGA实现总线和以太网功能。

显示和参数管理海内的绝大多数公司都是DSP来承担该任务，研究台达的驱动器创造，他们是采取CPLD来完成该任务，这样DSP承担的任务就很纯挚，可以专注于运动掌握。
以是高档的伺服也该当借鉴和学习台达伺服关于显示和参数管理的方法。

DSP和CPLD/FPGA的芯片都须要几路电源，比如1.2V、1.8V、2.5V、3.3V等，DSP等处理器每每还须要仿照的电源。
因此须要用电源芯片将5V转化为上述所需的几路电源。
电源芯片的选择紧张受全体PCB的布局和整机的构造决定，可以采取1转1，1转2或者1转3，终极达到使电源就近核心芯片提高抗滋扰能力的目的。

有些电源芯片本身带有复位输出也可以根据须要选用专用的复位芯片，把稳复位芯片一定要就近DSP等核心芯片，并且把稳布线达到提高抗滋扰的能力避免误触发复位。

伺服驱动一样平常由位置环、速率环、电流环三环构成，而电流环是根本是内环，该环的电路是模数稠浊型，与该环干系的元器件非常多，包括：直流母线用的滤波电容，IGBT和其驱动电路，电流传感器，运算放大器，基准电源，A/D及干系的仿照部分的电源等。

关于传感器，高档的伺服如伦茨和路斯特的传感器是用的霍尔传感器，其输出是仿照旗子暗记，是电流旗子暗记，抗滋扰的能力较强、精度高、范围宽，但是价格贵。
台达安川及广数的伺服是采取的线性光耦HCPL7840,其输出是差动的电压旗子暗记，以是较霍尔其抗滋扰的能力差一些。
因此在电路的处理时要把稳将运放置于掌握板上，只管即便提高旗子暗记的抗滋扰能力。
也有一些哀求特殊高的伺服如西门子的S120，法拉克和安川的用于机器人的伺服采取输出是数字旗子暗记线性光耦如HCPL7860，以是比以上两种办法的抗滋扰能力都强很多并且可以省却运放和A/D等干系电路。

关于运放，霍尔和7840的输出的仿照旗子暗记须要运放进行相应的放大及转化成A/D可以接管的电压范围比如0-3V等，以是哀求运放选用低噪声，高输入阻抗，高转化速率，高分离度。
比如TL072，TL074，TLV2372,TLV2374等。

关于A/D, DSP自带的A/D精度较低，台达的高档伺服ASDA-A2采取了非常奥妙的方法利用自身DSP2812的A/D提高其自身的精度，本钱也很空想。
但是电路比较繁芜，软件处理稍显麻烦。
目前我们研发的伺服也借鉴了该方法。

不雅观察国外的伺服每每都是采取外部A/D，比如路斯特，安川，伦茨，好处是精度高，处理的工艺不繁芜，并且可以采取过采样来提高掌握的性能，但是价格比较贵。

国外的伺服如日精的注塑机用的是三洋的伺服，由于其功率大,以是它采取了霍尔传感器+线性光耦7860的方法来检测电流，既发挥了霍尔检测电流范围宽，又利用了7860在最短的线路将仿照旗子暗记转化为数字旗子暗记。

关于仿照部分电源和基准等，仿照部分电路的电源哀求纹波要很低，且在电路的处理工艺上要只管即便让数字电路对其产生的影响最低，可以从电路布局布线、地平面的分割和滤波等办法来加以处理。
旗子暗记调理电路和A/D都须要基准电压，它对全体旗子暗记的保真度有很主要的影响，高档的伺服因此只管即便采取专用的基准电压芯片。

伺服驱动器不仅要处理数字旗子暗记，还要处理仿照旗子暗记比如电机的电流旗子暗记，直流母线的电压旗子暗记，速率掌握时的外部仿照电压，还有一些编码器输出是仿照的正弦旗子暗记，因此布局要只管即便将仿照部分和数字部分分布不同的区域，并且数字部分也要分出高速区和低速区，把稳跨分割区的延时突变等等问题，合理利用地平面抑制旗子暗记受到的滋扰，条件许可可以采取6层板，终极的目的是达到仿照旗子暗记受到数字电路的影响最低，和数字旗子暗记保持较好的完全性。

二 电源板研发

国内外各种伺服驱动器的电源板部分可分为几种电路：整流电路，母线滤波电路，接管电路，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，赞助电源。

下面就关键的电路进行选择得当的方案。

比拟国外高档的伺服驱动装置，日系驱动器由于在IPM方面技能工艺上风，其采取的IPM模块都是量身定制的，无论采取IGBT模块的架构或者IPM模块的架构都能取得很好的性能， 欧美的驱动器很少利用IPM，险些都采取IGBT模块的架构，比如伦茨，艾默生，KMG，西门子等。

IPM的优点：小体积，小型化 ；缩短研发周期；驱动电路和IGBT之间连线短，驱动电路的阻抗低，不须要负电源；集成了IGBT的驱动，欠压保护，过热保护，过流短路保护，可靠性高。

IPM的缺陷：过流或者过温保护点已经定去世,如果由于某些分外的需求就无法作变动，灵巧性不足；IPM只有一个报警旗子暗记输出，不能分辨究竟是过热还是过流还是欠压等。
还有如果就只有驱动或者保护部分电路破坏,但是我们只能无奈的换掉全体模块，而大功率IPM的采购本钱非常高。

IGBT的优点：采取IGBT架构电路构造灵巧 ，过载能力强（其额定电流是在80℃定义，而IPM是在25℃定义的），采购本钱低，可以灵巧的设计IGBT的驱动电路有效的掌握其开启和关断韶光，实现良好的EMI和IGBT的热功耗。

IGBT的缺陷：体历年夜，还须要设计如驱动电路、外围的报警保护电路等担保IGBT的可靠运行。
因此设计难度大，稳定性和可靠性很难把握，并且驱动电源每每须要负电源，须要供应的电源相对多，布局布线存在困难。

在高档的伺服驱动装置的研发中，我们正好须要它的灵巧性。
只有从工艺、电路、布局布线以及软件上进行优化，才能打造出可靠稳定的硬件平台。
因此一样平常采取IGBT架构。
也有一些高档的伺服如法拉克的6驱一体用于机器人的伺服是采取了IPM的方案，紧张缘故原由是为了实现小型化，将6个驱动器集成一体，采取IPM可以提高器可靠性，再者法拉克所用的IPM是其本国设计生产的完备可以实现定制，以达到最好的驱动特性。

如果我公司要设计高档的伺服最好不要采取日本的IPM, 由于我们曾经花了两周韶光调试完毕基于三菱的IPM模块PS21255(20A)的电源板，并且创造了三菱模块不论是PS21255(第二代)还是PS21875(第三代)配传感器ACS712性能都很差，连6米的快速移动都会造成电机闷车，但是英飞凌和IR的智能模块都运行很正常，这也真正的应证了日本确实是将品质一样平常的产品卖给中国，以是我建议公司该当加大IGBT的运用，多沉淀和积累关于IGBT的驱动保护等干系履历，逐步减少对日本IPM模块的依赖。

IGBT驱动电路必须具备2个功能：一是实现掌握电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是供应得当的栅极驱动脉冲。

IGBT的驱动的构造形式：分离元件;专用集成驱动电路;光耦驱动;变压器驱动。
随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的涌现，这类分离元件式的驱动电路，因构造繁芜、集成化低、故障率高已逐渐被淘汰。
光耦器件构成的驱动电路具有线路大略、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取。
如东芝公司的TLP系列、夏普公司的PC系列，安华高的HCPL系列等。
目前已开拓的专用集成驱动电路，紧张有IR公司的IR2136，三菱公司的EXB系列厚膜驱动。
此外，现在的一些欧美厂商在IGBT驱动电路设计上采取高频隔离变压器，如 CONCEPT公司，丹佛斯VLT系列变频电源。
通过高频变压器对驱动电路电源及旗子暗记的隔离，增强驱动电路的可靠性，同时也有效地防止主电路涌现故障时对掌握电路的破坏，故障率低，寿命长，相应快。
但缺陷是工艺繁芜。

目前国外的高档IGBT驱动方案伺服驱动器主流是驱动光耦，该方案最成熟，因此公司设计高档伺服适宜选择光耦来进行驱动IGBT。

IGBT 模块可能由于过电流、过电压这类非常情形而受损，因此，在IGBT 模块的利用中,设计能够避免这种非常情形从而保护元件的保护电路显得尤为主要。
短路保护常日有两种方案，一种是通过电流检测器，如电流传感器、互感器和采样电阻直接检测IGBT的集电极电流，其余一种通过检测IGBT的饱和压降。
当IGBT发生短路时，为了避免关断电流的di/dt过大形成的过电压，导致IGBT锁定无效和破坏，以及降落电磁滋扰，常日采取软关断技能。
一些驱动光耦同时具备这两种功能，如ACPL-332,因此采取带检测IGBT的饱和压降功能驱动光耦来实现短路保护。

由于IGBT 的开关速率很快，IGBT 关断时，或FWD 反向规复时会产生很高的di/dt，由模块周边的杂散电感谢发很高的关断浪涌电压，要抑制发生过电压的方法有：只管即便将电解电容器配置在IGBT 的附近，减小杂散电感; 调度IGBT 的驱动电路的驱动电阻，减小di/dt; 在IGBT 中加上缓冲电路，接管浪涌电压。
在缓冲电路的电容器中利用薄膜电容，并配置在IGBT 附近，使其接管高频浪涌电压。

其他的外围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担保硬件平台的可靠性。

4）电流采样电路

由于矢量掌握是通过掌握电流来掌握互换同步电机的转矩，因此电流检测电路的精度尤为主要。
电流检测可以通过霍尔电流传感器或者线性光耦来进行，霍尔电流传感器线性度好，而且一样平常用于大电流检测；线性光耦线性度也不错，但是相应比霍尔电流传感器慢。
FANUC的一款六轴驱动器中采取HCPL-7860，其输出为数字旗子暗记，抗滋扰能力强，其A/D采样精度最高可以达到16位；公司常用HCPL-7840输出的是仿照旗子暗记，随意马虎受到滋扰，并且HCPL-7840的A/D采样精度最高只能达到12位。
因此高档的伺服可以采取HCPL-7860来检测电流。