一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，属于先进机器人伺服控制领域；包括集成在一块电路板上的：电源，STM32F4主控单元，隔离通信模块，隔离功率驱动单元，编码器单元，安全保护单元以及传感采集单元；所述的隔离通信模块通过RS485总线或CAN总线连接上位机和STM32F4主控单元，STM32F4主控单元的内部定时器TIMER工作在PWM模式，产生的PWM波形经过电平转换后，输出到隔离功率驱动单元，隔离功率驱动单元同时连接电机；STM32F4主控单元通过SPI总线连接编码器单元；STM32F4主控单元的ADC模数转换接口连接传感采集单元；EXTI外部中断接口连接安全保护单元；将多圈绝对值编码器采集电路集成在电机驱动器上，刚好贴合电机安装，便于在机器人本体上集成应用。

An Intelligent AC Servo Driver with High Integration and High Power Density

The utility model discloses an intelligent AC servo driver with high integration and high power density, which belongs to the field of advanced robot servo control, including power supply, STM32F4 main control unit, isolated communication module, isolated power driving unit, encoder unit, safety protection unit and sensor acquisition unit integrated on a circuit board; and the isolated communication module through RS4. The 85 bus or CAN bus connects the host computer and STM32F4 master control unit. The internal timer TIMER of STM32F4 master control unit works in PWM mode. The generated PWM waveform is output to the isolated power drive unit after level conversion, and the isolated power drive unit connects the motor at the same time. The STM32F4 master control unit connects the encoder unit through SPI bus, and the ADC analog-to-digital conversion interface of STM32F4 master control unit. Connect the sensor acquisition unit; EXTI external interrupt interface connects the security protection unit; integrate the acquisition circuit of multi-loop absolute encoder on the motor driver, just fit the motor installation, so as to facilitate the integrated application on the robot body.

【技术实现步骤摘要】
一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器
本技术涉及一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，具体涉及先进机器人伺服控制领域。
技术介绍
随着机器人技术的发展，特别是服务机器人和协作机器人的发展，对机器人本体体积的要求越来越苛刻，当前机器人相关产品对驱动器的功率密度，特别是体积方面的严格要求，导致电机驱动器需要有足够小的体积，能够配合电机安装在机器人关节处，同时还要集成更多的功能。而现有工业应用驱动器产品体积大，而且协作机器人产品多采用增量式编码器模块+绝对值编码器模块+驱动器模块+电机模块+制动模块+减速模块构成一体化伺服关节的形式，均不利于减小机器人本体体积。
技术实现思路
本技术针对现有驱动器在集成度和功率密度方面不能兼顾、可靠性不足的问题，将编码器模块与电机驱动器相结合，提出了一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，具有体积小、集成度高、功率密度高、多功能和智能化的特点，满足上述机器人对伺服驱动器要求。所述的智能交流伺服驱动器包括集成在一块电路板上的：电源转换单元，电池充电单元，STM32F4主控单元，隔离通信模块，隔离功率驱动单元，编码器单元，EEPROM芯片，安全保护单元以及传感采集单元；所述的隔离通信模块通过RS485总线或CAN总线连接上位机，同时与STM32F4主控单元的CAN接口和USART接口相连；STM32F4主控单元的接口还包括：定时器TIMER的PWM接口、SPI通信接口、通用I/O接口、ADC模数转换接口、EXTI外部中断接口、SWD仿真器接口，FLASH模拟EEPROM，以及内部看门狗WDG；内部定时器TIMER工作在PWM模式，高级定时器TIM1/TIM8产生共6路PWM波形，分别经过电平转换后，输出到隔离功率驱动单元，隔离功率驱动单元同时连接电机；所述隔离功率驱动单元包括集成在电路板上由6个MOSFET芯片构建的三相H桥、MOSFET驱动电路和光耦隔离电路；隔离功率模块所有电路通过在电路板上切割出的凹槽形成隔离，并且每层电路均大面积铺铜，增大散热面积，6个MOSFET芯片与金属外壳之间通过导热硅胶垫片接触散热；隔离功率驱动单元完成对PWM控制信号的隔离和功率放大后传送至MOSFET芯片构建的H桥三相输出连接电机；同时利用采样电阻采集通过电机各绕组的电流；SPI通信接口通过SPI总线连接编码器单元，编码器单元连接至EEPROM；编码器单元包括两个磁编码器芯片：单圈绝对式编码器芯片IC-MU，用来记录电机单圈的绝对位置；编码器芯片IC-PVL记录电机的旋转圈数；EEPROM芯片记录两个编码器芯片的配置和校准参数；ADC模数转换接口连接传感采集单元；EXTI外部中断接口连接安全保护单元；安全保护单元包括功率模块的过流保护电路、过压保护电路和过温保护电路；以及控制模块的过流保护电路、过压保护电路和欠压保护电路；传感采集单元采集功率模块保护电路中的母线电压，母线电流，相电流和温度，以及控制模块保护电路中的电压、基准信号电压和零位校准电压等进行信号偏置校准、状态监测和电机控制；安全保护单元将功率模块的电流、电压和温度信号接入比较器进行处理，获得过流、过压和过温等信号，接入STM32F4外部中断接口EXTI及时切断PWM输出进行安全控制；FLASH模拟EEPROM，用于在掉电时存储驱动器参数和上位机控制参数。本技术的优点在于：1)、一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，将多圈绝对值编码器采集电路和集成在电机驱动器上，刚好贴合电机安装，便于在机器人本体上集成应用。2)、一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，在电路布局上将逻辑信号与功率信号通过电路板开槽的形式尽可能的物理隔离，优化功率部分散热设计，提高电路的抗干扰能力。3)、一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，支持CAN总线和高速485总线两种通信方式。4)、一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，STM32F4主控单元采用内部FLASH模拟EEPROM功能，实现掉电存储，节省了驱动器对单独掉电存储芯片用来存储驱动器参数和控制参数的需求。附图说明图1是本技术一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器的结构框图。图中：1-电源转换单元，2-电池充电单元，3-上位机，4-隔离通信模块，5-隔离功率驱动单元，6-电机，7-编码器单元，8-EEPROM芯片，9-传感采集单元，10-安全保护单元，11-STM32F4主控单元；具体实施方式下面将结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。本技术提出一种将多圈绝对值编码器集成在驱动器上的，显著减小机器人关节内部电路板数量和体积、提高功率密度和集成度的智能交流伺服电机驱动器。所述的智能交流伺服驱动器包括集成在一块电路板上的：电源转换单元1，电池充电单元2，STM32F4主控单元11，隔离通信模块4，隔离功率驱动单元5，编码器单元7，EEPROM芯片8，安全保护单元10以及传感采集单元9。STM32F4主控单元11主要完成对外通信，编码器配置和通信，模拟量采集，安全信息中断，以及用内部FLASH模拟EEPROM功能实现电机参数、上位机控制信息等数据的掉电存储等；隔离通信模块4主要完成CAN总线的驱动和隔离保护功能，RS485总线的驱动和隔离保护功能；隔离型功率驱动单元5主要完成PWM信号的电平转换、隔离放大驱动和H桥输出；编码器单元7主要完成单圈绝对位置采集、多圈计数和多圈数据掉电存储等；安全保护单元10利用电压比较器产生过压、过流和过温信号，以外部中断的形式接入STM32F4主控单元11，主要完成过流保护、过压保护、过温保护等功能；传感采集单元9主要完成相电流、母线电流、母线电压、温度等信息采集。STM32F4主控单元11采用STM32F405芯片，主要完成伺服运算，通过特定的控制算法完成高速的位置环、速度环、电流环的控制和PWM输出控制。同时还承担了编码器信息采集和传感信息采集、安全控制模块任务。接口具体包括：CAN和USART接口、定时器TIMER的PWM接口、SPI通信接口、通用I/O接口、ADC模数转换接口、EXTI外部中断接口、SWD仿真器接口，FLASH模拟EEPROM，以及内部看门狗WDG。所述的CAN接口和USART接口相连隔离通信模块4，同时隔离通信模块4通过RS485总线或CAN总线连接上位机3，实现STM32F4主控单元11与上位机3的通信功能，主要包括实时控制、控制参数设置、信息反馈等功能，控制参数和驱动器参数存储于STM32F405的内部FLASH中。具体为：CAN接口通过光耦隔离连接隔离通信模块4的SN65HVD230收发器，同时配备共模电感和TVS管，提高总线抗干扰和抗静电能力。USART接口通过光耦隔离后接于隔离通信模块4的MAX13488收发器；其最高通信速率达16Mbps，配合STM32F4的USART最大速率10.5M，在部分通信节点较多或通信任务量大的情况下替代CAN总线，解决CAN总线波特率最高1Mbps和总线利用率不足的问题。内部定时器TIMER工作在PWM模式，高级定时器TIM1/TIM8产生共6路PWM波形，分别通过74LVC4245进行3.3V电平到5V电平转换后，通过PWM接口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，其特征在于，包括集成在一块电路板上的：电源转换单元，电池充电单元，STM32F4主控单元，隔离通信模块，隔离功率驱动单元，编码器单元，EEPROM芯片，安全保护单元以及传感采集单元；所述的隔离通信模块通过RS485总线或CAN总线连接上位机，同时与STM32F4主控单元的CAN接口和USART接口相连；STM32F4主控单元的接口还包括：定时器TIMER的PWM接口、SPI通信接口、通用I/O接口、ADC模数转换接口、EXTI外部中断接口、SWD仿真器接口，FLASH模拟EEPROM，以及内部看门狗WDG；内部定时器TIMER工作在PWM模式，高级定时器TIM1/TIM8产生共6路PWM波形，分别经过电平转换后，输出到隔离功率驱动单元，隔离功率驱动单元同时连接电机；所述隔离功率驱动单元包括集成在电路板上由6个MOSFET芯片构建的三相H桥、MOSFET驱动电路和光耦隔离电路；隔离功率模块所有电路通过在电路板上切割出的凹槽形成隔离，并且每层电路均大面积铺铜，增大散热面积，6个MOSFET芯片与金属外壳之间通过导热硅胶垫片接触散热；隔离功率驱动单元完成对PWM控制信号的隔离和功率放大后传送至MOSFET芯片构建的H桥三相输出连接电机；同时利用采样电阻采集通过电机各绕组的电流；SPI通信接口通过SPI总线连接编码器单元，编码器单元连接至EEPROM；编码器单元包括两个磁编码器芯片：单圈绝对式编码器芯片IC‑MU，用来记录电机单圈的绝对位置；编码器芯片IC‑PVL记录电机的旋转圈数；EEPROM芯片记录两个编码器芯片的配置和校准参数；ADC模数转换接口连接传感采集单元；EXTI外部中断接口连接安全保护单元；安全保护单元包括功率模块的过流保护电路、过压保护电路和过温保护电路；以及控制模块的过流保护电路、过压保护电路和欠压保护电路；传感采集单元采集功率模块保护电路中的母线电压，母线电流，相电流和温度，以及控制模块保护电路中的电压、基准信号电压和零位校准电压等进行信号偏置校准、状态监测和电机控制；安全保护单元将功率模块的电流、电压和温度信号接入比较器进行处理，获得过流、过压和过温等信号，接入STM32F4外部中断接口EXTI及时切断PWM输出进行安全控制；FLASH模拟EEPROM，用于在掉电时存储驱动器参数和上位机控制参数。...

【技术特征摘要】
1.一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器，其特征在于，包括集成在一块电路板上的：电源转换单元，电池充电单元，STM32F4主控单元，隔离通信模块，隔离功率驱动单元，编码器单元，EEPROM芯片，安全保护单元以及传感采集单元；所述的隔离通信模块通过RS485总线或CAN总线连接上位机，同时与STM32F4主控单元的CAN接口和USART接口相连；STM32F4主控单元的接口还包括：定时器TIMER的PWM接口、SPI通信接口、通用I/O接口、ADC模数转换接口、EXTI外部中断接口、SWD仿真器接口，FLASH模拟EEPROM，以及内部看门狗WDG；内部定时器TIMER工作在PWM模式，高级定时器TIM1/TIM8产生共6路PWM波形，分别经过电平转换后，输出到隔离功率驱动单元，隔离功率驱动单元同时连接电机；所述隔离功率驱动单元包括集成在电路板上由6个MOSFET芯片构建的三相H桥、MOSFET驱动电路和光耦隔离电路；隔离功率模块所有电路通过在电路板上切割出的凹槽形成隔离，并且每层电路均大面积铺铜，增大散热面积，6个MOSFET芯片与金属外壳之间通过导热硅胶垫片接触散热；隔离功率驱动单元完成对PWM控制信号的隔离和功率放大后传送至MOSFET芯片构建的H桥三相输出连接电机；同时利用采样电阻采集通过电机各绕组的电流；SPI通信接口通过SPI总线连接编码器单元，编码器单元连接至EEPROM；编码器单元包括两个磁编码器芯片：单圈绝对式编码器芯片IC-MU，用来记录电机单圈的绝对位置；编码器芯片IC-PVL记录电机的旋转圈数；EEPROM芯片记录两个编码器芯片的配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑随兵，张旭龙，董芹鹏，张颖，夏维，
申请(专利权)人：睿尔曼智能科技北京有限公司，
类型：新型
国别省市：北京,11