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爆款拆解:多传伺服电机驱动内部结构的奥秘

2023/12/07
4418
阅读需 13 分钟
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谈到自动化,我们很自然地联想到电机,而在各种电机中,伺服电机是控制设备中最常见的一种。它主要负责控制设备的位移和动作,具有机电时间常数小、线性度高等优越特性。在控制系统中,伺服电机作为执行元件,通常需要搭配伺服电机驱动系统进行精准的驱动和控制。

伺服电机驱动系统扮演着关键的角色,其任务是接收来自控制系统的指令,将电流传送到伺服电机,为其提供动力。同时,该系统监测伺服电机的反馈信号,以确保动作的准确性。

因此,我们可以将伺服驱动系统视为自动控制系统中类似于人体神经系统的组成部分,这进一步突显了伺服驱动系统在自动化系统中的关键性和不可或缺性。

相信通过上面的简单介绍大家已经能对伺服驱动系统有了一个初步的了解,而今天,由我来带大家通过拆解的方式一起看看伺服驱动系统的内部构造和电路

本期的拆解对象是工业领域某龙头企业的多传伺服电机驱动系统。

介绍

伺服驱动器采用了该公司海外某研发中心的底层算法平台,对于手机制造、机器人、机床、锂电、硅晶半导体、触控屏、LED等行业设备中遇到的集成度高、总线、体积小、调试简单、耐环境性等需求,提供了有效的解决方案。

具有一键式调整、自适应限波器、转矩补偿等功能,高可靠性、高功率密度设计,并在安装、配电配线、维护性等方面进一步优化了用户的使用体验。

外包装

该伺服驱动器使用硬质纸盒包装,拆开包装,主机使用泡棉固定,随机附带了1个S6-C8-接插套件、电源及伺服电机接线插头、1本使用手册以及1张产品维修卡。

产品外观

该伺服驱动器主机设计得非常紧凑,一个手掌即可抓取,可以明显感觉到重量上的分量感。

整体机身使用黑色塑料外壳,安装面使用的是导电铁片,可以使用预留的3个螺丝孔进行安装、固定。

机身的侧面贴有产品铭牌及危险提示,顶部装有2个散热风扇。

正面是主机的接口面板,翻开盖板可以看到1个数码管显示器及按钮旋钮输入面板,它用于显示伺服的运行状态及参数设置。

向下有一个母线电压指示灯,用于指示母线电容是否处于拥有电荷状态。

SN7口是一个24V抱闸电源输入口。

CN8上的L1C、L2C外接控制回路AC220V电源输入,L1、L2、L3接主回路单相三相220V电源输入,P、C外接泄放电阻,P、N是伺服的直流母线端子,在多机并联时进行母线连接。

CN3是1个Enternet连接器端口、CN4、CN5是EnterCAT的输出、输入端口。

CN1是数字量输入、输出信号使用端口。

X1、X2用于连接电机编码器、X3、X4上BR+、BR-用于连接抱闸电机的抱闸线圈、U、V、W连接伺服电机U、V、W相。

同时面板左下方和机体下方还留有接地端子。

拆卸

整个主机采用的拼接的方式组装。拆卸下主机顶部2颗螺丝可以拆卸散热风扇。拆除机身其余螺丝后可以将接插部件分开,此时有4个部件,转接板部分、供电、通讯部分、2个电机驱动部分。

拆下转接板部分的螺丝可以将转接板与外壳分离。

拆下供电、通讯部分的外围螺丝,可以将电路板抽离外壳,供电和通讯部分电路拼接在铝合金部件上,铝合金部件也起到散热器的作用,拆卸下螺丝可以将2块电路板分离成独立部分。

驱动部件拆开卡扣可以将外壳分离,然后拆卸下螺丝就可以将驱动电路板从铝合金部件上取下。

至此,我们可以得到5块电路板。

 

电路讲解

电路板采用接插的方式连接在一起,1个转接板4个分板,各部分对应不同功能,大致可以分为4个部分:电源电路、主控通讯电路、驱动控制电路和驱动电路。

首先我们来看看电源部分电路,最上面1路24V抱闸电源输入经由电容给到后续抱闸电路供电。向下1路220V交流电并接压敏电阻Y电容,再经由整流桥和大电容给后续控制部分电路供电。再向下是三相电输入,经由压敏电阻、Y电容,一个继电器控制通断,再经由整流桥和大电容给后续电机驱动供电。控制线和电源线通过接插口连接转接板。

驱动控制部分电路位于转接板上,电路板左上方是AC/DC电源转换电路,用于将高压电转换成低压直流电给控制部分电路供电。右上方是伺服电机驱动控制MCU,它与主控通讯芯片通讯,控制2个散热电机、采集处理4路电机编码器信息、控制4路伺服电机。伺服电机信号采集和控制信号通过电路板右下方的接口接入伺服电机驱动板。

该伺服驱动器采用有2个相同的伺服电机驱动板,电机编码器信号通过接口反馈给控制芯片。伺服电机控制信号通过光耦连接到后端伺服电机驱动芯片控制端。驱动电源通过供电端子经由继电器控制通断给伺服电机驱动芯片供电。驱动信号通过右侧端子外接电机。同时电路板上还带有电机驱动电流检测等电路。

最后我们来看看本伺服电机驱动系统板的核心主控通讯电路,左侧的连接端子连接转接板,用于供电、信号输入、输出及与控制主板通讯。电路板上附带了1块LED显示、按钮、旋钮输入板用作显示伺服的运行状态及参数设置。右侧主控MCU通过3颗以太网驱动芯片和变压器连接Enternet、EnterCAT输入、输出端子。数字量输入和输出信号经过光耦和电平转换芯片连接到主控。

主控使用的是瑞萨电子的RZ/T1群组的处理器R7S9100,这是1颗基于Arm® Cortex®-R4 处理器,拥有FPU 核心,专为实时处理设计,能以高达 600 MHz 的速度进行高速运算。此外,无需通过缓存内存进行访问,内置紧密耦合内存可进行明确的实时响应处理,实现从 CPU 高速访问而无需经过缓存内存。搭载内置 R-IN 引擎的 RZ/T1 设备,作为工业以太网通信的加速器,可通过硬件实时操作系统(HW-RTOS)执行工业以太网处理,而不损失实时性能。配置了可编程绝对编码器接口的 RZ/T1 设备非常适用于精密运动控制应用。可配置的编码器接口支持 EnDat2.2、BiSS®-C、A-format™、Tamagawa 和 HIPERFACE® DSL 等一系列行业标准。

特性如下:

  • 处理器:Arm® Cortex®-R4 处理器与 FPU,最大 600MHz
  • 工业以太网:EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP 等
  • 内存:紧密耦合内存 544KB(带ECC),扩展SRAM 1MB(带ECC,选项)
  • 编码器接口:2、BiSS®-C、A-format™、Tamagawa、HIPERFACE® DSL
  • 定时器:32位定时器3通道,16位定时器30通道,看门狗定时器2通道
  • PWM:3相PWM 输出功能:3通道
  • 模拟功能:12位A/D转换器 Unit0:8通道,Unit1:16通道
  • 封装:320引脚FBGA,176引脚HLQFP
  • 电压:核心2V,I/O 3.3V

在查找RZ/T1的相关资料时,关注到了瑞萨推出的第二代用于工业网络及实时控制的RZ/T2和RZ/N2,也是极具特色。这里分别挑选最大规格的RZ/T2M和RZ/N2L做介绍。

RZ/T2M:高性能、多功能 MPU ,应用于交流伺服驱动器和工业机器人等领域,可实现交流伺服系统和工业电机等工业设备的高速处理、高精度控制和功能安全

RZ/T2M 具有最大频率为 800 MHz 的双 Arm® Cortex®-R52 内核,可进行实时控制,而且还拥有能够与 CPU 直接连接的大容量紧密耦合内存 (576KB),以实现高性能实时处理。 此外,它还可以将电机控制的外设布置到能直接连接至 CPU 的 LLPP(低延迟外设端口)上,来实现较低的延迟访问。RZ/T2M 拥有多协议编码器硬件接口,可为 A-format™、EnDat 和 BiSS® 等各种绝对编码器协议提供支持。此外,RZ/T2M 还拥有一个 3 端口的千兆以太网交换机,可为 TSN 标准及 EtherCAT、PROFINET RT/IRT 和 EtherNet/IP 等工业以太网协议提供支持。

这样的特性意味着RZ/T2M在单芯片上结合了快速、高精度的实时电机控制能力以及对最新的工业以太网协议的支持,同时实现功能安全操作。通过为电机控制提供所有必要的外设功能,能够为用户显著减少外部元件数量,从而缩减BOM成本和产品尺寸。

RZ/N2L:工业以太网通信用MPU,可轻松将网络功能添加到工业设备中。

RZ/N2L搭载支持TSN的三端口千兆以太网交换机和EtherCAT®从控制器,可支持EtherCAT、PROFINET RT/IRT、EtherNet/IP™、OPC UA等主要的工业以太网通信协议,支持时间敏感网络(TSN)以太网标准,确保实时通信。

RZ/N2L 具有最大频率为 400MHz的Arm® Cortex®-R52内核,外设功能包括带 ECC 的大容量RAM与ΔΣ 代用于工业以太网通信的RZ/N2L微处理器MPUI/F、A/D转换器、PWM定时器、UART和CAN等,可在单个芯片上实现远程 I/O、传感器集线器变频器和网关等应用。

RZ/N2L符合众多工业标准规范和协议,便于开发需要实时功能的工业自动化设备。用户也可将RZ/N2L用作主机CPU的网络配套处理器,从而在设备中添加工业以太网功能,而无需对其内部配置进行重大更改。这使用户能够利用快速、精确的工厂自动化同步控制功能来开发工业设备。

更多关于RZ/T2和RZ/N2详细信息,可以在瑞萨电子官网查阅。

结束语

相信通过本次对多传伺服驱动系统的拆解可以让大家更加清楚的了解其内部结构和电路,不论从结构还是电路方面,该伺服驱动器设计得非常紧凑、合理,器件选择和用料方面也都十分得扎实,主控的选择也非常得当,充分得发挥了瑞萨电子的这款处理器优越的性能。

以上就是本次拆评的全部内容,谢谢大家。

瑞萨电子

瑞萨电子

(RENESAS)于2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。创立日期2003年4月1日公司法人董事长&CEO伊藤达业务范围单片机逻辑模拟等的系统LSI、分立半导体元件、SRAM等的存储器开发、设计、制造、销售、服务的提供。集团成员44家公司(日本20家,日本以外24家)年度销售额2006财年(截止至2007年3月):9526亿日元(约83亿美元)从业人员:26000人(全世界20个国家、43家公司)瑞萨科技是世界十大半导体芯片供应商之一,在很多诸如移动通信、汽车电子和PC/AV 等领域获得了全球最高市场份额。瑞萨集成电路设计(北京)有限公司苏州分公司(RDB-SU)是瑞萨科技全资子公司,2004年1月成立以来,现已拥有150多名优秀工程师,承担着家电和汽车电子领域MCU的一系列设计工作,并在2006年4月开始开发面向中国市场的MCU。

(RENESAS)于2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。创立日期2003年4月1日公司法人董事长&CEO伊藤达业务范围单片机逻辑模拟等的系统LSI、分立半导体元件、SRAM等的存储器开发、设计、制造、销售、服务的提供。集团成员44家公司(日本20家,日本以外24家)年度销售额2006财年(截止至2007年3月):9526亿日元(约83亿美元)从业人员:26000人(全世界20个国家、43家公司)瑞萨科技是世界十大半导体芯片供应商之一,在很多诸如移动通信、汽车电子和PC/AV 等领域获得了全球最高市场份额。瑞萨集成电路设计(北京)有限公司苏州分公司(RDB-SU)是瑞萨科技全资子公司,2004年1月成立以来,现已拥有150多名优秀工程师,承担着家电和汽车电子领域MCU的一系列设计工作,并在2006年4月开始开发面向中国市场的MCU。收起

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