一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器

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1.本实用新型属于伺服电机驱动技术领域，具体涉及一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器。

背景技术：

2.电机驱动技术是实现对不同种类的电机达到控制者所想要的预期控制动作，控制者通过编写控制程序控制要求输出pwm控制信号，电机驱动器接收控制信号通过逆变电路对vbus电压实现逆变，输出驱动电流，进而达到对电机驱动的目的。
3.制造业设备开始逐步升级换代，很多小型工厂的生产规模正在不断的向大型企业迈进，原本的低功率电机已经无法满足大型工厂的动力输出要求，需要更换高功率电机提高生产效率，但随着电机的升级换代，其驱动系统也随之需要更新，提高了其改造升级的成本，故而提出一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器来解决上述所提出的问题。

技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，具备独立化设计的板卡式的半桥电路，使得控制系统在升级时只需要更换对应的半桥电路板卡，降低了升级成本，扩大了电机驱动器的适用范围，隔离电路使用磁耦隔离的元件对控制信号在核心板与驱动板之间进行隔离，提升了数据传输速率的范围，使其能够适应不同的控制方式，实现对更多型号和电机的驱动，提高了适用范围，反馈电路采用电流互感器的测量方式构成电流环，增加了测量范围，保证了电机驱动器的普遍适用性等优点，解决了随着中国“十四五”规划的逐步推进，制造业设备开始逐步升级换代，很多小型工厂的生产规模正在不断的向大型企业迈进，原本的低功率电机已经无法满足大型工厂的动力输出要求，需要更换高功率电机提高生产效率，但随着电机的升级换代，其驱动系统也随之需要更新，提高了其改造升级的成本的问题。
6.(二)技术方案
7.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，包括连接器和电机，还包括逆变系统结构、磁耦隔离结构和保护结构，所述连接器与磁耦隔离结构相连，所述磁耦隔离结构与逆变系统结构相连，所述保护结构分别与磁耦隔离结构和逆变系统结构相连；
8.所述逆变系统结构包括多个半桥电路卡板，多个所述半桥电路卡板与磁耦隔离结构电连接，所述半桥电路卡板与所述电机电连接。
9.本实用新型的有益效果是：
10.该半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，具备独立化设计的板卡式的半桥电路，使得控制系统在升级时只需要更换对应的半桥电路板卡，降低了升级成本，扩大了电机驱动器的适用范围，隔离电路使用磁耦隔离的元件对控制信号在核心板与驱动板之间进行
隔离，提升了数据传输速率的范围，使其能够适应不同的控制方式，实现对更多型号和电机的驱动，提高了适用范围，反馈电路采用电流互感器的测量方式构成电流环，增加了测量范围，保证了电机驱动器的普遍适用性等优点。
11.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
12.进一步，还包括电源供电电路，所述电源供电电路包括开关电源，所述开关电源输入端与电网交流电连接，所述开关电源输出端与半桥电路卡板电连接。
13.采用上述进一步方案的有益效果是，所述电源供电电路，由电网220v交流进行供电，后经开关电源进行降压输出15v电压供驱动电路使用，再降压为5v和3.3v的隔离电压，分别供放大电路和隔离电路使用。
14.进一步，还包括保护控制电路，所述保护控制电路输入端与半桥电路卡板输出端或电机输入端相连用于测量半桥电路卡板与电机之间的电流，所述保护控制电路输出端与连接器相连用于输出电流数据。
15.进一步，所述半桥电路卡板包括pcb板，所述pcb板上设有第一n型mos 管-(q1)、第二n型mos管-(q2)、第一低压二极管(d2)、第二低压二极管 (d3)、第一栅极电阻(r1)、第二栅极电阻(r2)、自举电容(c1)、自举二极管(d1)和检流电阻(r3)，所述第一n型mos管-(q1)、第二n型mos管
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(q2)和检流电阻(r3)三者串联，所述第一低压二极管(d2)和第一栅极电阻 (r1)并联后与第一n型mos管-(q1)的栅极相连接，所述第二低压二极管 (d3)和第二栅极电阻(r2)并联后与第二n型mos管-(q2)的栅极相连接，所述自举电容(c1)的正极与自举二极管(d1)的阴极相连接；所述自举电容(c1)的负极与第一n型mos管-(q1)的源极相连接。
16.采用上述进一步方案的有益效果是，逆变系统为主要电路，该电路由u、 v、w三相的模块式半桥电路卡板所构成，根据经过隔离电路后的控制信号对 vbus电压进行逆变完成对电机的驱动功能。将传统电机驱动电路中的逆变系统结构独立出来，将不同的桥式电路进行分解，将半桥电路卡板设计成更换式的板卡式pcb，板卡式的半桥电路，使得控制系统在升级时只需要更换对应的半桥电路板卡，降低了升级成本。
17.进一步，所述保护结构包括电压测量电路、电流测量电路和采样电阻，所述电压测量电路包括电压测量模块，所述半桥电路卡板上设有vbus，所述电压测量模块输入端与半桥电路卡板的vbus相连，所述电压测量模块输出端与采样电阻输入端相连，所述电流测量电路包括电流测量模块和比较器，所述电流测量模块与半桥电路卡板电连接，所述电流测量模块输出端分别与比较器和采样电阻的输入端电连接，所述比较器输出端分别与半桥电路卡板和磁耦隔离结构相连，所述采样电阻与磁耦隔离结构双向电连接。
18.进一步，所述保护控制电路包括电流互感器。
19.采用上述进一步方案的有益效果是，使用电流互感器的测量方式，更加适用于大电流的测量场景，提高了电机驱动器的适用范围。
20.进一步，所述磁耦隔离结构包括多个磁耦隔离电路，所述磁耦隔离电路包括隔离器和电容，所述隔离器与电容串连，所述电容与电源供电电路相并联，一个所述隔离器输入端与连接器相连用于接收控制信号且输出端与半桥电路卡板输入端用于输出隔离控制信号对半桥电路卡板进行驱动。
21.采用上述进一步方案的有益效果是，提高电机驱动器的适用范围，该隔离方式的数据传输速率范围要远高于传统的光耦隔离方式，配合卡板式的模块化半桥电路，进一步
提高了电机驱动器的适用性，降低了动力系统的升级成本。
附图说明
22.图1为本实用新型的电路结构图；
23.图2为板半桥电路卡板电路图；
24.图3为板半桥电路卡板电路pcb预览图；
25.图4为采用磁耦隔离结构的数字隔离电路。
具体实施方式
26.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.实施例中，由图1-4给出，一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，包括连接器和电机，还包括逆变系统结构、磁耦隔离结构和保护结构，连接器与磁耦隔离结构相连，磁耦隔离结构与逆变系统结构相连，保护结构分别与磁耦隔离结构和逆变系统结构相连；
28.逆变系统结构包括多个半桥电路卡板，多个半桥电路卡板与磁耦隔离结构电连接，半桥电路卡板与电机电连接；
29.卡板式半桥电路中的驱动电路，选择集成化程度较高的半桥驱动芯片作为驱动电路，可进一步降低驱动电路功耗，减小驱动器体积，另一方面为实现电机的闭环控制，选用安装电流互感器的电流测量方法，构成电流环控制。
30.模块化后的半桥电路卡板，通过安装不同型号和数量的卡板便可以组成不同结构的电机驱动电路；
31.将逆变系统结构独立于驱动电路之外，按照半桥电路卡板的结构将其设计为可以自由组合的卡板式结构。
32.对不同功率的电机进行驱动，需要选择不同参数的第一n型mos管-(q1) 和第二n型mos管-(q2)作为开关管来组成逆变电路，不同参数的第一n型 mos管-(q1)和第二n型mos管-(q2)其开通电压各不相同，开通电压不同影响上桥臂电路中自举电容的选型和上桥臂第一n型mos管-(q1)和第二n 型mos管-(q2)开通过程中防止电流流向自举电容充电电源的截止二极管选型，不同电机的逆变电路的直流电压输入不同，从几十伏到上百伏，截止二极管要承受不同数值的反相截止电压。
33.因不同功率的电机其驱动电流不同，流经半桥电路的电流数值不同，在检测其逆变电路的电流信息时，所使用的采样电阻的封装也有所不同，要根据实际的电流值进行调整。
34.进一步，还包括电源供电电路，电源供电电路包括开关电源，开关电源输入端与电网交流电连接，开关电源输出端与半桥电路卡板电连接。
35.采用上述进一步方案的有益效果是，电源供电电路，由电网220v交流进行供电，后经开关电源进行降压输出15v电压供驱动电路使用，再降压为5v 和3.3v的隔离电压，分别供放大电路和隔离电路使用。
36.进一步，还包括保护控制电路，保护控制电路输入端与半桥电路卡板输出端或电机输入端相连用于测量半桥电路卡板与电机之间的电流，保护控制电路输出端与连接器相连用于输出电流数据。
37.参阅图2，该电路图是根据功率为100w的电机所设计的u相半桥卡板，半桥电路卡板包括pcb板，pcb板上设有第一n型mos管-(q1)、第二n型 mos管-(q2)、第一低压二极管(d2)、第二低压二极管(d3)、第一栅极电阻 (r1)、第二栅极电阻(r2)、自举电容(c1)、自举二极管(d1)和检流电阻 (r3)，第一n型mos管-(q1)、第二n型mos管-(q2)和检流电阻(r3) 三者串联，第一低压二极管(d2)和第一栅极电阻(r1)并联后与第一n型mos 管-(q1)的栅极相连接，第二低压二极管(d3)和第二栅极电阻(r2)并联后与第二n型mos管-(q2)的栅极相连接，自举电容(c1)的正极与自举二极管(d1)的阴极相连接；自举电容(c1)的负极与第一n型mos管-(q1) 的源极相连接，jp1的连接口使用金手指的连接方式，将板卡式半桥电路与电机驱动器的其他电路相连接；
38.v相半桥卡板和w相半桥卡板在元件的构成与u相半桥卡板相同。电机驱动器可通过安装不同型号的半桥电路卡板，实现一个产品对应多个使用对象的效果，模块化的半桥卡板可根据所要应用的不同电机进行选择和组合。
39.采用上述进一步方案的有益效果是，逆变系统为主要电路，该电路由u、 v、w三相的模块式半桥电路卡板所构成，根据经过隔离电路后的控制信号对 vbus电压进行逆变完成对电机的驱动功能。
40.其中，对不同种类电机的驱动电路进行分析后，目前驱动电路的主要形式分为h桥驱动电路和三相逆变驱动电路。
41.h桥驱动电路由两个半桥电路卡板组成，主要应用于直流有刷电机、步进电机，控制其实现电机的加减速、正反停的电机运行状态。
42.三相逆变电路由三个半桥电路卡板组成，主要应用于伺服电机、直流无刷电机、永磁同步电机等。根据分析结果，将电机驱动器的逆变系统分成三个组成部分，分别为u相半桥卡板、v相半桥卡板、w相半桥卡板。
43.例1：使用h桥电路进行驱动的电机，可以选择在驱动器上安装u相半桥卡板、v相半桥卡板，组合成h桥电路对所要控制的电机进行驱动。
44.例2：使用三相逆变电路驱动的电机，可以选择安装同时u相半桥卡板、 v相半桥卡板和w相半桥卡板，构成三相逆变电路对所要控制的电机进行驱动。
45.进一步，保护结构包括电压测量电路、电流测量电路和采样电阻，电压测量电路包括电压测量模块，半桥电路卡板上设有vbus，电压测量模块输入端与半桥电路卡板的vbus相连，电压测量模块输出端与采样电阻输入端相连，电流测量电路包括电流测量模块和比较器，电流测量模块与半桥电路卡板电连接，电流测量模块输出端分别与比较器和采样电阻的输入端电连接，比较器输出端分别与半桥电路卡板和磁耦隔离结构相连，采样电阻与磁耦隔离结构双向电连接。
46.进一步，保护控制电路包括电流互感器；
47.卡板式半桥电路的驱动保护电路，其作用是驱动不同组合的卡板式半桥电路实现对目标电机的驱动控制以及构建完整的电机驱动系统。
48.采用上述进一步方案的有益效果是，使用电流互感器的测量方式，更加适用于大
电流的测量场景，提高了电机驱动器的适用范围，提高电路的稳定性，降低功耗。
49.参阅图4，磁耦隔离结构包括多个磁耦隔离电路，磁耦隔离电路包括隔离器和电容，隔离器与电容串连，电容与电源供电电路相并联，一个隔离器输入端与连接器相连用于接收控制信号且输出端与半桥电路卡板输入端用于输出隔离控制信号对半桥电路卡板进行驱动。
50.考虑到电机的控制特性对不同频率的pwm控制信号要求各有不同，电机驱动器在接收控制核心发送的控制信号，需要在两者之间进行隔离，防止驱动器上的干扰信号通过导线对控制电路产生影响。
51.传统的电机驱动器通常使用光耦隔离的方法，在选用光耦隔离元件时通常根据其所控制电机的控制信号频率进行选择，具有一定的局限性，一般只能适用于其所针对的电机控制信号；
52.采用电磁电的原理进行隔离，在各项性能指标上均高于其他的隔离方式，并且在数据传输速率相同的情况下，其功耗只有采用光耦隔离方式的八分之一左右，磁耦隔离的方式进一步的扩大了控制信号数据传输速率的范围，使得新型的电机驱动器可以兼容不同型号和功率的电机，进一步降低了升级换代的资金成本。
53.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
54.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，包括连接器和电机，其特征在于：还包括逆变系统结构、磁耦隔离结构和保护结构，所述连接器与磁耦隔离结构相连，所述磁耦隔离结构与逆变系统结构相连，所述保护结构分别与磁耦隔离结构和逆变系统结构相连；所述逆变系统结构包括多个半桥电路卡板，多个所述半桥电路卡板与磁耦隔离结构电连接，所述半桥电路卡板与电机电连接。2.根据权利要求1所述的一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，其特征在于：还包括电源供电电路，所述电源供电电路包括开关电源，所述开关电源输入端与电网交流电连接，所述开关电源输出端与半桥电路卡板电连接。3.根据权利要求1所述的一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，其特征在于：还包括保护控制电路，所述保护控制电路输入端与半桥电路卡板输出端或电机输入端相连用于测量半桥电路卡板与电机之间的电流，所述保护控制电路输出端与连接器相连用于输出电流数据。4.根据权利要求1所述的一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，其特征在于：所述半桥电路卡板包括pcb板，所述pcb板上设有第一n型mos管-(q1)、第二n型mos管-(q2)、第一低压二极管(d2)、第二低压二极管(d3)、第一栅极电阻(r1)、第二栅极电阻(r2)、自举电容(c1)、自举二极管(d1)和检流电阻(r3)，所述第一n型mos管-(q1)、第二n型mos管-(q2)和检流电阻(r3)三者串联，所述第一低压二极管(d2)和第一栅极电阻(r1)并联后与第一n型mos管-(q1)的栅极相连接，所述第二低压二极管(d3)和第二栅极电阻(r2)并联后与第二n型mos管-(q2)的栅极相连接，所述自举电容(c1)的正极与自举二极管(d1)的阴极相连接；所述自举电容(c1)的负极与第一n型mos管-(q1)的源极相连接。5.根据权利要求1所述的一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，其特征在于：所述保护结构包括电压测量电路、电流测量电路和采样电阻，所述电压测量电路包括电压测量模块，所述半桥电路卡板上设有vbus，所述电压测量模块输入端与半桥电路卡板的vbus相连，所述电压测量模块输出端与采样电阻输入端相连，所述电流测量电路包括电流测量模块和比较器，所述电流测量模块与半桥电路卡板电连接，所述电流测量模块输出端分别与比较器和采样电阻的输入端电连接，所述比较器输出端分别与半桥电路卡板和磁耦隔离结构相连，所述采样电阻与磁耦隔离结构双向电连接。6.根据权利要求3所述的一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，其特征在于：所述保护控制电路包括电流互感器。7.根据权利要求2所述的一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，其特征在于：所述磁耦隔离结构包括多个磁耦隔离电路，所述磁耦隔离电路包括隔离器和电容，所述隔离器与电容串连，所述电容与电源供电电路相并联，一个所述隔离器输入端与连接器相连用于接收控制信号且输出端与半桥电路卡板输入端用于输出隔离控制信号对半桥电路卡板进行驱动。

技术总结

本实用新型提供一种半桥电路为卡板可更换式的电机驱动器，该驱动器主要由U、V、W三相的模块式半桥电路卡板所构成的逆变系统、采用磁耦隔离方式所构成的隔离电路、卡板式半桥电路的驱保护电路以及供电电源电路所组成。本实用新型通过将传统电机驱动板中的逆变电路进行可更换的模块化设计，不同相位的半桥电路通过独立元件进行搭建，并且将其分别设计在不同的PCB板上，通过金手指的方式将其与其他电路相连接，实现了电机驱动器的低成本升级方式，扩大了电机驱动器的适用范围。扩大了电机驱动器的适用范围。扩大了电机驱动器的适用范围。