一种高集成度高功率密度的智能交流伺服驱动器的制作方法

本实用新型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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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。

本实用新型的优点在于：

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是本实用新型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实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型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接口输出到隔离功率驱动单元5，隔离功率驱动单元5同时连接电机6。

所述隔离功率驱动单元5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；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；H桥的三相输出连接电机。同时通过采样电阻采集通过电机各绕组的电流。

本实用新型的智能交流伺服电机驱动器适用于中小功率电机，输入电压为DC20—80V，输出功率在1.2KW以下，选用英飞凌公司的MOSFET芯片IPD068N10作为开关器件。该芯片漏源极电压最大可达到100V，漏极持续电流达到90A，导通电阻6.8mΩ，特别是开关频率较低，适合高频开关应用。同时，选择英飞凌公司的隔离型高压栅级驱动IC：1EDI20N12芯片作为MOSFET的驱动芯片，采用了无铁芯变压器，可以确保在dV/dt操作时CMTI最高达100kV/μs。

为了降低驱动器的热损耗，本实用新型采用了单路MOS管驱动芯片方案，降低了MOS管开关下降的时间，尽可能的避免了MOSFET在开关过程中，工作在放大区的热损耗。

STM32F4主控单元11输出的PWM信号电平转换和RC滤波后进入MOS管驱动芯片1EDI20N12AF，经过隔离放大后给到3相H桥上下桥臂的MOSFET。下桥臂的MOSFET源极接地，只要在MOS管的栅极加上一定的电压即可导通。上桥臂MOS管通过自举电路实现开关控制，自举电路由二极管和电容组成。

电机相电流采样由精密合金采样电阻实现，采样电阻的电压信号经过运算放大器放大后送至STM32F4主控单元11的AD模块，采样电阻的阻值和运算放大器的放大倍数根据所需驱动器的电流大小进行调整，满足采样电阻的功率要求和最大电流放大后小于并接近3.3V这两个条件。

SPI通信接口通过SPI总线连接编码器单元7进行通信，获得当前电机6的转子的绝对位置，编码器单元7连接EEPROM芯片8。

编码器单元7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6单圈的绝对位置；编码器芯片IC-PVL记录电机6的旋转圈数。

电机轴与磁盘固定连接旋转，集成电路板安装在金属壳体上靠近磁盘，当电机6转动带动磁盘转动，编码器单元7中的两个磁编码器芯片分别采集磁盘的位置和旋转信息。两个磁编码器芯片共用同一个磁盘，极大的降低了成本，提高了驱动器的集成度。

其中单圈绝对式编码器芯片IC-MU最高具备18位的绝对分辨率，可通过串行接口(BISS、SSI和SPI)通信，同时可输出正交编码器信号和UVW霍尔信号，用于电机换相检测。该芯片采用16脚的DFN封装，仅在电路板上占用5mm×5mm的面积。编码器芯片IC-PVL通过电池供电，在驱动器上电和掉电的情况下均能稳定计圈数。

EEPROM芯片8存储两个编码器芯片的配置和校准参数。

SPI通信接口选用SPI总线与STM32F4主控单元11通信，主要用于单圈绝对值编码器芯片和多圈计数芯片的参数配置和位置信息读取。

ADC模数转换接口连接传感采集单元9；EXTI外部中断接口连接安全保护单元10；

安全保护单元10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；

1、功率模块过流保护电路

在功率模块，总电流由毫欧级别的精密合金采样电阻采样后，通过高端电流检测芯片ZXCT1009产生对应电流信号，该电流信号通过精密电阻后转换为电压信号，通过RC滤波电路后进入比较器芯片搭建的比较器电路。比较器的阈值由精密电阻分压产生，当产生过流信号后比较器输出信号变化，该信号接入STM32F4主控单元11的外部中断接口，即时关断PWM信号输出，实现过流保护功能。

2、功率模块过压保护电路

功率模块的电压通过分压电阻分压后进行阻容滤波，和过流保护模块的原理一样，分压后的信号接入比较器，比较器的阈值也是由电阻分压得到。比较器输出信号接入STM32F4主控单元11的外部中断接口，即时关断PWM信号输出，实现过压保护功能。

3、功率过温保护电路

过温保护电路主要检测功率模块的电压，由热敏电阻和电压基准芯片构成温度检测电路。热敏电阻的阻值会随着温度的上升阻值迅速上升或下降，当驱动板温度变化时，热敏电阻值迅速变化，根据热敏电阻的温度-阻值曲线，判定当前温度。由于温度变化相对于电压电流信号比较缓慢，有传导的过程，此处未采用比较器产生中断信号的方式进行保护，而是采用STM32F4主控单元11的ADC模数转换接口将温度信号采集后，经过程序计算，判断当前温度值是否大于温度阈值，如果是，则关断PWM信号输出，实现过温保护功能。

4、控制模块过流、过压、欠压保护电路

控制模块的过流通过逻辑电源输入端的保险丝实现，过压欠压通过对3.3V电压分压后产生的1.5V基准电压判断来实现。

传感采集单元9采集功率模块保护电路中的母线电压，母线电流，电机相电流和温度，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状态通信和监控电机。

1、功率模块母线电压

在前述安全保护模块功率模块过压保护电路中，分压电阻产生的电压在经过RC滤波电路后同时进入STM32F4主控单元11的ADC模数转换接口中，实现功率模块母线电压采集。

2、功率模块母线电流

在前述安全保护模块功率模块过流保护电路中，高端电流检测芯片ZXCT1009产生对应电流信号经过精密电阻后产生的电压信号，接入STM32F4主控单元11的ADC模数转换接口中，实现功率模块母线电流采集。

3、功率模块相电流采集

如隔离型功率驱动模块所述，电机相电流流经精密采样电阻，产生对应电压信号，为了减小电流损耗，保证采样电阻安全，一般采用毫欧级的采样电阻。故电流经过该采样电阻后的电流较小，通过RC滤波后进入运算放大器，将电流信号放大至0～3.3V，接入STM32F4主控单元11的ADC模数转换接口，实现功率模块相电流采集。

4、功率模块温度、控制模块电压、基准信号电压、零位校准电压采集

如前述安全保护模块所述，功率模块温度、控制模块电压、基准线号电压均由STM32F4主控单元11的ADC模数转换接口采集。同时由STM32F4主控单元11的ADC模数转换接口采集逻辑电路和功率电路的GND信号，用作零位校准电压，用作其它模拟信号的偏移量，避免其它信号干扰，提高采样精度。

安全保护单元10将功率模块的电流、电压和温度等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及时进行安全控制。

FLASH模拟EEPROM，用于在掉电时存储电机参数、上位机控制信息等。

通用I/O接口：用于状态指示灯控制、编码器状态信息采集等。

当驱动器软件发生故障时，为了防止程序卡死、跑飞等，看门狗定时器WDG能及时将驱动器程序复位，切断PWM输出，保护驱动器和电机的安全。

为了减小电路体积，采用了STM32F4主控单元11的SWD仿真器接口用于调试及程序烧录，仅采用SWDIO、SWCLK和GND三线连接。

晶振和复位电路等：构成STM32F4运行的最小系统。

本实用新型所述电源模块主要实现系统电源转换。电源由功率电输入产生，功率电输入范围为20～80V。电源模块主要分为模拟电源部分和数字电源部分。

1、数字电源部分

数字5V由输入功率电通过同步降压控制器LM5116芯片及外围电路组成的BUCK电路产生，用于给各接口芯片供电。

数字5V通过π型滤波器和稳压管后产生编码器电源5VE，用于给编码器芯片供电并给编码器用电池充电。

数字5V通过AP1117-3.3转换产生数字3.3V电源，用于给STM32F4最小系统供电。

数字5V通过DC-DC芯片组成的升压电路输出数字12V，用于功率驱动板MOSFET驱动芯片供电。编码器供电5V由数字5V滤波输出。

2、模拟电源部分

数字3.3V通过π型滤波器后产生3.3V模拟电压。3.3V模拟电压用于给运放、比较器等芯片供电，同时给STM32F4的ADC模块供电。

模拟3.3V通过电阻分压产生1.5V模拟电压，1.5V模拟电压用于STM32F4的ADC采集用于ADC信号校准和控制部分电压监控。

3.0V模拟电压由3.3V模拟电压通过微功耗电压基准芯片产生，供温敏电阻使用。

电源转换单元1将输入电源转换后给各个电路模块供电同时也通过电池充电单元2对电池进行充电，所充电电池在掉电情况下能及时记录电机的旋转圈数，实现多圈绝对值传感器的功能。

本智能交流伺服驱动器的具体工作原理如下：

驱动器上电后电源转换单元给系统各部分供电，STM32F4主控单元通过CAN总线或RS485总线接收上位机的配置和控制信息，同时反馈驱动器状态信息。

STM32F4主控单元根据上位机的配置和查询要求，通过定时器产生PWM控制信号，控制隔离功率驱动单元的H桥导通，使得电机的相序间依次导通，达到控制电机旋转的目的。通过STM32F4主控单元的ADC模数转换接口对电机相电流、电压、温度等采集，通过滤波放大等处理，送入STM32F4主控单元。

STM32F4主控单元通过SPI总线实时配置和读取编码器单元的多圈计数和单圈绝对位置。

最后，STM32F4主控单元在接收到控制指令后，结合编码器单元的反馈的电机转子位置信息、传感采集单元的电流信息等，进行电机的电流环、速度环、位置环的三闭环控制。

同时传感采集单元将采集到的电流、电压、温度等信息送入安全保护单元，通过安全保护单元的比较器实时比较采集到的电压、电流、温度等，当产生过压、过流、过温、欠压等信号时，即时通过STM32F4主控模块的外部中断信号，切断PWM输出。