【变频器有用到什么芯片】变频伺服驱动硬件设计

伺服驱动器的硬件开发主要包括与主机计算机的交互以及实时生成准确PWM信号的仪表板和电源板的设计。电源板的作用取决于PWM信号，利用调制原理产生特定频率、特定相位和特定尺寸的三相电流，驱动电机以实现最佳控制。

仪表板研究与开发

决定控制板架构的主要是核心设备的选择。

安川、西门子等国际知名公司都是采用ASIC方式的芯片，可以根据自己的设计需求制作伺服控制用芯片。由于采样ASIC方式的原因，芯片的运行速度非常快，容易实现电流环的快速响应，如果能并行，多轴的一体化设计也很容易实现。采样ASIC的方法有很多优点，例如加密。但是采用ASIC的风险和初期投资也很大，必须受到该国芯片设计和制造工艺的限制。

根据我国的实际国情和国际因素等多种原因，核心芯片更适合采用通用DSP、ARM等处理器，如Ti的C2000、飞思卡尔的K60、荣飞的XE164等。研究大达的伺服驱动器发现其结构是采用Ti的DSP 2812 CPLD，与我们公司的方案大致相同。此外，DSP2812和CPLD(EPM570T144)可提供核心控制功能。对于高级伺服，可以考虑Ti目前推出的2837X系列的DSP。

核心部件控制功能的分工。DSP使用定位环、速度环、电流环控制和事件管理器PWM接口生成特定的PWM信号。利用灵活的编程特性和快速计算功能，可以实现特定的控制算法等，可以使用自己的A/D进行电机电流转换，但DSP本身的A/D精度一般较低。此外，受参考电压、电源模式和PCB的LAYOUT模块混合电路处理技术的影响，高级伺服几乎使用外部A/D进行电流采样。比如鲁斯特安川等。一些高级伺服使用已经输出为数字信号的特殊电流传感器，可以节省外部A/D芯片，提高抗干扰能力。如果西门子的变频器使用HCPL7860，FARAK用于机器人的6驱动器一体式舵机也将采用HCPL7860，西门子的伺服S120将使用Ti芯片AMC1203。

CPLD的作用是让DSP减少自身开销，包括扩展I/O、速度计算完成、位置计算、外部A/D控制、电机电流转换等。因此，通过实现定位环速度环电流环所需的位置数据、速度数据和电流数据，DSP可以直接从CPLD/FPGA读取。对于增量编码器，M/T速度测量效果最好，但M/T方法对DSP处理器的资源开销较大，CPLD/FPGA可以使用M/T方法轻松测量速度。如果是绝对式编码器，还可以使用CPLD/FPGA分析通信协议并测量速度。一些高级伺服也使用CPLD/FPGA实现总线和以太网功能。

显示器和参数管理国内大多数公司发现，DSP负责这项工作，研究Data的驱动器，使用CPLD完成这项工作。因此，DSP执行的任务很简单，可以专注于运动控制。因此，高级伺服也需要学习和学习德尔塔伺服在显示和参数管理方面的方法。

电源复位芯片等周边电路。DSP和CPLD/FPGA芯片都需要一些电源，如1.2V、1.8V、2.5V、3.3V等，DSP等处理器通常需要模拟电源。因此，必须使用电源芯片将5V转换为上述几个电源。电源芯片的选择主要由整个PCB的布局和整机的结构决定，可以采用一对一、一比二或一比三，最终达到让电源接近核心芯片以提高抗干扰能力的目的。

有些电源芯片本身有重置输出，可以根据需要选择专用重置芯片。重置芯片必须接近DSP等核心芯片，注意布线提高抗干扰能力，避免错误触发重置。

电流环支路的相关电路。伺服驱动器一般由定位环、速度环、电流环三环组成，电流环是模块混合的，用于直流总线的滤波容量、IGBT和驱动电路、电流传感器、运算放大器、基准电源、A/D和相关

就传感器而言，高级伺服(如伦茨)和鲁斯特的传感器是模拟信号，是电流信号，抗干扰能力强，精度高，范围广，但价格昂贵。太田安川和矿泉水的伺服是线性光耦合HCPL7840，其输出是差分电压信号，因此略低于霍尔地的抗干扰能力。因此，在电路处理时，应将操作放置在仪表板上，尽可能提高信号的抗干扰能力。西门子的S120、PARAK、安川等非常高的伺服用于机器人的伺服输出是数字信号线性光耦合，与HCPL7860一样非常高，因此抗干扰能力比两种方式强得多，还能节省运算和A/D等相关电路。

关于运算放大，霍尔和7840的输出的模拟信号必须相应放大，转换成A/D可以接受的电压范围(例如0-3V等)，因此必须使用低噪音、高输入阻抗、高转换速度和高分离度。示例包括TL072、TL074、TLV2372、TLV2374等。

关于A/D，DSP有自己的A/D精度低，ASDA的高级伺服ASDA-A2采用了非常巧妙的方法，可以使用自己DSP2812的A/D提高自己的精度，成本也很理想。但是电路比较复杂，软件处理

观察国外的伺服往往都是采用外部A/D，比如路斯特，安川，伦茨，好处是精度高，处理的工艺不复杂，并且可以采用过采样来提高控制的性能，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,所以它采用了霍尔传感器+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在最短的线路将模拟信号转化为数字信号。

关于模拟部分电源和基准等，模拟部分电路的电源要求纹波要很低，且在电路的处理工艺上要尽量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方式来加以处理。信号调理电路和A/D都需要基准电压，它对整个信号的保真度有很重要的影响，高档的伺服因此尽量采用专用的基准电压芯片。

1. 模数混合电路的处理及PCB的布局和LAYOUT工艺等。

伺服驱动器不仅要处理数字信号，还要处理模拟信号比如电机的电流信号，直流母线的电压信号，速度控制时的外部模拟电压，还有一些编码器输出是模拟的正弦信号，因此布局要尽量将模拟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，注意跨分割区的延时突变等等问题，合理利用地平面抑制信号受到的干扰，条件允许可以采用6层板，最终的目的是达到模拟信号受到数字电路的影响最低，和数字信号保持较好的完整性。

1. 其他的通信接口，国外的伺服都具有串口或者USB接口，可以非常方便和PC机个人电脑实现数据的传输，实现参数管理，在线调试，和实时观察电机运行的相关数据，如电流波形等。
2. 其他的外围电路，这方面高档伺服和普通伺服的差别很小，因此不再详述。

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，吸收电路，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，辅助电源。

下面就关键的电路进行选择合适的方案。

1. IGBT逆变电路

对比国外高档的伺服驱动装置，日系驱动器由于在IPM方面技术工艺优势，其采用的IPM模块都是量身定制的，无论采用IGBT模块的架构或者IPM模块的架构都能取得很好的性能， 欧美的驱动器很少使用IPM，几乎都采用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，不需要负电源；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的缺点：过流或者过温保护点已经定死,如果因为某些特殊的需求就无法作更改，灵活性不够；IPM只有一个报警信号输出，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损坏,但是我们只能无奈的换掉整个模块，而大功率IPM的采购成本非常高。

IGBT的优点：采用IGBT架构电路结构灵活 ，过载能力强（其额定电流是在80℃定义，而IPM是在25℃定义的），采购成本低，可以灵活的设计IGBT的驱动电路有效的控制其开启和关断时间，实现良好的EMI和IGBT的热功耗。

IGBT的缺点：体积大，还需要设计如驱动电路、外围的报警保护电路等保证IGBT的可靠运行。因此设计难度大，稳定性和可靠性很难把握，并且驱动电源往往需要负电源，需要提供的电源相对多，布局布线存在困难。

在高档的伺服驱动装置的研发中，我们恰恰需要它的灵活性。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。因此一般采用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用了IPM的方案，主要原因是为了实现小型化，将6个驱动器集成一体，采用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全可以实现定制，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用日本的IPM, 因为我们曾经花了两周时间调试完毕基于三菱的IPM模块PS21255(20A)的电源板，并且发现了三菱模块不论是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般的产品卖给中国，所以我建议公司应该加大IGBT的应用，多沉淀和积累关于IGBT的驱动保护等相关经验，逐步减少对日本IPM模块的依赖。

1. IGBT驱动电路

IGBT驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲。

IGBT的驱动的结构形式：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出现，这类分离元件式的驱动电路，因结构复杂、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简单、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用。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。目前已开发的专用集成驱动电路，主要有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驱动电路设计上采用高频隔离变压器，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信号的隔离，增强驱动电路的可靠性，同时也有效地防止主电路出现故障时对控制电路的损坏，故障率低，寿命长，响应快。但缺点是工艺复杂。

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。

1. 外围保护电路

IGBT 模块可能由于过电流、过电压这类异常情况而受损，因此，在IGBT 模块的运用中,设计能够避免这种异常情况从而保护元件的保护电路显得尤为重要。短路保护通常有两种方案，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，另外一种通过检测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锁定无效和损坏，以及降低电磁干扰，通常采用软关断技术。一些驱动光耦同时具备这两种功能，如ACPL-332,因此采用带检测IGBT的饱和压降功能驱动光耦来实现短路保护。

因为IGBT 的开关速度很快，IGBT 关断时，或FWD 反向恢复时会产生很高的di/dt，由模块周边的杂散电感引发很高的关断浪涌电压，要抑制发生过电压的方法有：尽量将电解电容器配置在IGBT 的附近，减小杂散电感; 调整IGBT 的驱动电路的驱动电阻，减小di/dt; 在IGBT 中加上缓冲电路，吸收浪涌电压。在缓冲电路的电容器中使用薄膜电容，并配置在IGBT 附近，使其吸收高频浪涌电压。

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保证硬件平台的可靠性。

4）电流采样电路

由于矢量控制是通过控制电流来控制交流同步电机的转矩，因此电流检测电路的精度尤为重要。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，而且一般用于大电流检测；线性光耦线性度也不错，但是响应比霍尔电流传感器慢。FANUC的一款六轴驱动器中采用HCPL-7860，其输出为数字信号，抗干扰能力强，其A/D采样精度最高可以达到16位；公司常用HCPL-7840输出的是模拟信号，容易受到干扰，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用HCPL-7860来检测电流。