CN104065315A - 一种有刷直流电机多闭环驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有刷直流电机多闭环驱动控制器，包括上位机、通信接口模块、MCU控制模块、电机驱动模块、信息采集模块和电源模块，上位机通过通信接口模块与MCU控制模块连接，MCU控制模块与电机驱动模块连接，电机驱动模块与信息采集模块连接，通信接口模块、MCU控制模块和电机驱动模块均与电源模块连接；其特征在于，所述电机驱动模块包括两块半桥控制芯片和H桥驱动电路。通过本发明的有刷直流电机多闭环驱动控制器，能实现车载控制系统中电压输入、高功率输出，而且制作简单，成本低，体积小。本发明的有刷直流电机多闭环驱动控制器还提供了温度采集模块，能实施检测控制温度因素对系统控制的影响，使系统稳定性进一步提高。

Description

一种有刷直流电机多闭环驱动控制器

技术领域：

本发明涉及自动控制领域，特别涉及一种在低电压环境下工作的有刷直流电机多闭环驱动控制器。

背景技术：

车载控制系统的供电一般都是使用电压为24V或者12V的直流电源，市面上的直流电机控制器在低压环境下，只支持小功率输出。

一般的有刷直流电机多闭环驱动控制器只有速度控制环，或者加入电流控制环，但是温度因素对系统控制的影响，本系统加入温度控制环，使系统稳定性进一步提高。

大部分的驱动器的电流检测部分采用霍尔感应器件，这种器件成本高，且体积大，增大了PCB的设计尺寸，本系统采用康铜丝检测电阻，大大降低了成本，简化了电路，缩小了PCB尺寸。使其在体积要求比较严格的应用领域有更大的空间。

发明内容：

本发明提供一种有刷直流电机多闭环驱动控制器，针对车载系统的低压环境下，直流电机控制器输出功率低的问题，提供了一种低电压输入、高功率输出的有刷直流电机多闭环驱动控制器，其制作简单，成本低，体积小，能广泛应用于车载控制系统。

本发明提供的技术方案为：

一种有刷直流电机多闭环驱动控制器，包括上位机、通信接口模块、MCU控制模块、电机驱动模块、信息采集模块和电源模块，上位机通过通信接口模块与MCU控制模块输入端连接，MCU控制模块输出端与电机驱动模块输入端连接，电机驱动模块输出端与直流电机连接，信息采集模块输入端与电机驱动模块和直流电机连接，信息采集模块输出端与MCU控制模块连接，通信接口模块、MCU控制模块和电机驱动模块均与电源模块连接；其特征在于，所述电机驱动模块包括两块半桥控制芯片和H桥驱动电路。

所述电机驱动模块中半桥控制芯片为IR2110，其接收来自MCU控制模块的PWM信号，PWM信号通过阻容电路调节死区时间，防止同侧桥臂上下导通，H桥驱动电路为8个NMOS功率管组成，其中每个桥臂由两个功率管并联组成，增大驱动功率。半桥芯片(1)和与NMOS管(1)、NMOS管(2)、NMOS管(3)、NMOS管(4)连接，NMOS管(1)与NMOS管(2)并联组成左半桥上桥臂，NMOS管(3)与NMOS管(4)并联组成左半桥下桥臂；半桥芯片(2)和与NMOS管(5)、NMOS管(6)、NMOS管(7)、NMOS管(8)连接，NMOS管(5)与NMOS管(6)并联组成右半桥上桥臂，NMOS管(7)与NMOS管(8)并联组成右半桥下桥臂。

所述信息采集模块包括速度采集模块、电流采集模块和温度采集模块。

所述电流采集模块包括康铜丝电阻以及运放电路。

所述温度采集模块包括数字温度传感器。

本发明的原理为：通信接口模块，负责上位机与下位机的通信连接，通过在上位机发送指令即可控制电机的运动；MCU控制模块，负责接收上位机发来的指令，对相应指令控制电机驱动模块使电机执行相应的动作，同时还负责收集由信息采集模块采集过来的数据，并对数据进行处理；电机驱动模块，由半桥控制电路以及多个大功率MOS管组成；信息采集模块，包括速度采集模块用来采集电机实时速度，电流采集模块用来采集电机工作电流，温度采集模块用来监测整个系统的温度；电源模块，负责将供电电压转换成各模块所使用的电压，为各模块提供直接电源。

本发明中，所述通信接口模块为通信芯片和光耦隔离电路，MCU控制模块通过通信接口模块与PC机实现通信电平的相互转换，实现相互之间的通信。

本发明中，所述MCU控制模块为一个微控制器芯片及其相关的晶振电路和上电复位电路，负责接收信息采集模块发送过来的数据并进行相应处理，同时控制电机驱动模块，调节电机执行相应转速与转向。

本发明中，所述电机驱动模块由栅极驱动模块和改进的H桥驱动电路组成，其中栅极驱动模块为两块半桥控制芯片，H桥驱动电路主要由8个N沟道mos功率管组成。

本发明中，所述信息采集模块由速度采集模块、电流采集模块、温度采集模块组成，其中速度采集模块主要由光电编码器组成；电流采集模块由康铜丝电阻以及运放检测电路组成，康铜丝电阻将电流信号转换成电压信号给运放电路，运放电路将信号处理后再转换成微控制器能处理的电压值；温度检测模块主要由数字温度传感器组成，与微控制器连接，将检测到的温度值通过数字信号的形式发送给MCU。

有益效果：

通过本发明的有刷直流电机多闭环驱动控制器，能实现车载控制系统中电压输入、高功率输出，而且制作简单，成本低，体积小。本发明的有刷直流电机多闭环驱动控制器还提供了温度采集模块，能实施检测控制温度因素对系统控制的影响，使系统稳定性进一步提高。电流采集模块采用康铜丝检测电阻，降低了成本，简化了电路，使本发明适于在体积要求比较严格领域应用。

附图说明：

图1为本发明结构框图；

图2为本发明的电源模块电路原理图；

图3为本发明的通信接口模块电路原理图；

图4为本发明通信接口模块的高速光耦的真值表；

图5为本发明MCU控制模块的电路原理图；

图6为本发明电机驱动模块的驱动电路的电路原理图；

图7为本发明电机驱动模块的保护电路的电路原理图；

具体实施方式：

如图1所示，我们通过在PC机上发送指令，指令经通信接口模块传送到MCU控制模块，MCU控制模块根据指令对电机驱动模块执行相应操作，进而控制直流电机执行相应动作，同时信息采集模块会采集电机转速、驱动电流以及系统温度一系列信息发送给MCU控制模块，MCU控制模块接收反馈过来的速度和电流信息，通过PID控制算法，对速度进行恒定控制，当温度值超过预设的一个值时，MCU控制模块会停止系统工作，同时向PC机发出警报指令，PC机收到警报指令后会在桌面上显示警报信息，提醒操作员系统过热，注意保护。

如图2所示，外界提供24V直流电源，系统内分别通过U11和U12将24V电压转换成5V和12V电压，电源模块包括电源芯片U11和U12，电容C9、C10、C13、C14、C22、C23、C24、C25，电感L1、L2，电阻R37、R55，R58，二极管D12、D16、D17、D18。电源芯片U11为L7805，1脚(Vin)为输入端口，电容C9和C13连接在1脚和地之间，C9防止瞬态输入电压的作用，C13起到滤波的作用，2脚(GND)接地，3脚(Vout)为输出端，接电感L2，L2防止瞬态冲击电压，C10起到吸收瞬态电压的作用，C14也是起到滤波作用。输出5V电压后接电阻R37与发光二级管D12再接地，D12作为5V电压电源的指示灯。电源芯片U12为LM2576T-12，1脚(Vin)为输入端，通过二极管D16接外部24V电源，另接电容C9和C13，分别起到防止瞬态电压和滤波作用，2脚(Vout)输出端接电感L1后，L1起到防冲击作用，再通过防瞬态电压电容C23和滤波电容C25接到发光二极管D17和R55后，D17作为12V电压电源的指示灯。3脚(GND)接地，4脚(feedback)接输出端，将输出电压反馈给内部处理，5脚(ON/OFF)接地。5V电压和12V电压随后分别接入需要相应电压的芯片，为其提供电源。系统中有两个地，一个是模拟电源地VEE，另一个地是数字地GND，两个地通过0欧电阻R58相连，这样处理是防止模拟电路与数字电路的相互干扰。

如图3所示，通信接口模块包括高速光耦U7、U8，全双工串行通信芯片U9，三极管Q2、Q4，电阻R13、R20、R21、R25、R26、R28、R32，高速光耦芯片选用的是6N137，切换速度达到10Mbit/s，其中1脚和4脚为悬空脚，2脚(anode)为阳极，3脚(cathode)为阴极，5脚(GND)接地，6脚(Vout)输出端，7脚使能端，8脚电源(VCC)，TX端为MCU控制模块的通信端口的发送端，TX通过电阻R28再连接在PNP三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接在光耦U8的3脚阴极，光耦U8的2脚阳极接电阻R25再接5V，根据光耦6N137的真值表(附图4)，当TX为低电平时，三极管Q4的PN结导通，U8的3脚为低电平，此时光耦U8输入为高电平，同时U8的7脚使能端接5V，为高电平，对照真值表，此时U8的6脚输出端为低电平；当TX为高电平时，三极管Q4截止，此时光耦U8输入低电平，对照真值表图4，U8的6脚输出高电平，Q4的作用主要是加强光耦输入的驱动能力。U8的6脚输出信号DI接到通信芯片U9的3脚，U8接收到DI信号后，当DI为高电平时，U9的5脚和6脚输出相应的差分信号RXZ、RXY，然后再接到标准的通信接口端，最后信号再传送到PC机端。PC机发送指令时，指令经过处理后转换成差分信号发送到标准接口的RXA、RXB端，信号RXA、RXB经过匹配电阻R32，分别接到U9的8脚和7脚，当U9的8脚A端电压比U9的7脚B端电压高200mV以上，U9的2脚RO输出高电平，当U9的8脚A端电压比U9的7脚B端电压低200mV，U9的2脚RO输出低电平；RO信号经电阻R13再接三极管Q2接到光耦U7的3脚，经光耦处理后U7的6脚输出信号RX到MCU控制模块的通信端口的接收端。

如图5所示，MCU控制模块包含微控制器U1，电容C3、C8、C11、C12，电阻R41，晶振Y1。当电源上电时，电容C8充电这时RST为高电平，微控制芯片复位端高电平复位，当电容C8充电满后，RST为低电平，微控制芯片正常工作。微控制器是整个系统的处理核心，负责接收数据，处理数据，执行控制命令。微控制器包括6单元的PCA(可编程计数器阵列)，可以切换捕捉模式、PWM(脉冲宽度调制器)模式，所以我们不需要另加PWM电路，直接使用微控制器上的端口就可以了。电机调速是通过微控制器的45脚输出的脉宽调制脉冲波进行控制的，电机驱动模块根据接收到的脉冲波调节电机相应转速。

如图6所示，电机驱动模块接收来自微控制器的PWM信号和DIR信号，然后控制电机转速和转向。这里有两个半桥控制芯片U2、U10，U2控制左半桥，U10控制右半桥。半桥控制芯片采用IR2110，具有独立的低端和高端输入通道，悬浮电源采用自举电路，可简化电路设计，15V下静态功耗仅116mW，可方便与TTL、CMOS电平相匹配，工作频率高，可以达到500KHz，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns，输出电流可达2A，驱动能力强。当DIR为高电平时，经三极管Q8隔离处理后到缓冲器U4D输入端也为高电平，在这里R42与C15组成阻容电路，U4D输出信号会发生滞后，再经U4E缓冲整形，这样做为了防止上下桥臂同时导通，滞后时间由R42和C15决定，到达U10的14脚(LIN)也为高电平，U6B此时作为反相器，DIR高电平经反向后变成低电平与PWM信号相与，输出低电平连接到U10的12脚(HIN)，此时U10控制的右半桥上桥臂截止，下桥臂导通；在与非门U6A的输入端为高电平，这里将与非门U6A作为反相器使用，U6A输出低电平，经缓冲器U4B后到U2的14脚(LIN)为低电平，DIR高电平与PWM信号经过与门U3A相与，再经缓冲器到U2的12脚(HIN)，此时U2控制的左半桥上桥臂跟随PWM信号导通与截止，下桥臂截止，这时电机正转，转速跟随PWM信号变化。当DIR为低电平时，U2控制的左半桥上桥臂截止，下桥臂导通，U10控制的右半桥上桥臂随PWM信号导通与截止，下桥臂截止，这时电机反转，转速跟随PWM信号变化。H桥由8个MOSFET组成，MOSFET是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件，从导电载流子的带电极性来看，有N(电子型)沟道，P(空穴型)沟道，一般选用N沟道MOS管，原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS管。本发明中与一般H桥电路不同的是，每个桥臂由2个NMOS管并联组成，这样做是加大的驱动能力，这里一个NMOS管的导通电流为100A，那这样并联理论上就达到200A，使用一个200A的MOS管的成本大大高于使用两个100A的MOS管。这样大大加强了驱动器的驱动能力，而且加大了系统的可靠性。在驱动回路的地端串入两个并联的康铜丝电流检测电阻，通过电阻端的电压信号I_test接入到保护电路中，通过检测信号I_test，来检测实时驱动电流，这与一般使用霍尔传感器检测电路比较，大大节约了成本，简化了电路。

如图7所示，I_test信号通过两个运算放大器U14A、U14B进行比较转换，输出一个电压值PROTECT_AD，然后PROTECT_AD信号传送给微控制器的ADC采集模块处理转换成实时的驱动电流值，这个实时电流值还有光电编码器和温度传感器传给微控制器的实时速度值和温度值，通过一个多闭环控制算法，使整个系统成为一个稳定可靠的多环路闭合控制系统，一般的驱动器只采用了速度与电流双闭环控制，本系统还加入了温度控制环，大大提升了系统的性能。保护电路还加入硬件保护即无需微控制器处理，就可对过流和欠压情况进行保护，可以通过电位器R56和R49分别调整过流值和欠压值。当电流值超过设定的电流值时，LED1会亮起，提示过流，同时会给出保护信号ProtectOUT，这时ProtectOUT信号为低电平，并把这个信号发送给微控制器。另外还会给出高电平Protect信号，Protect信号连接在U2和U10的13脚(SD)，IR2110的13脚(SD)是逻辑输入关闭端，当13脚输入高电平时，逻辑输入关闭，这时MOSFET都将截止，电机停转。当电压值低于设定欠压值时，LED2会亮起，提示欠压，同时也会发送保护信号ProtectOUT，这时ProtectOUT信号为低电平，并把这个信号发送给微控制器。另外还会给出高电平Protect信号，这时MOSFET都将截止，电机停转。当电机停转后，操作员根据提示排查故障后，只需断电重新启动或者通过微控制器发送低电平Free_Protect信号即可解除保护状态。

Claims (5)

1.一种有刷直流电机多闭环驱动控制器，包括上位机、通信接口模块、MCU控制模块、电机驱动模块、信息采集模块和电源模块，上位机通过通信接口模块与MCU控制模块输入端连接，MCU控制模块输出端与电机驱动模块输入端连接，电机驱动模块输出端与直流电机连接，信息采集模块输入端与电机驱动模块和直流电机连接，信息采集模块输出端与MCU控制模块连接，通信接口模块、MCU控制模块和电机驱动模块均与电源模块连接；其特征在于，所述电机驱动模块包括两块半桥控制芯片和H桥驱动电路。

2.根据权利要求1所述的有刷直流电机多闭环驱动控制器，其特征在于，所述电机驱动模块中半桥控制芯片为IR2110，其接收来自MCU控制模块的PWM信号，PWM信号通过阻容电路调节死区时间，防止同侧桥臂上下导通，H桥驱动电路为8个NMOS功率管组成，其中每个桥臂由两个功率管并联组成，增大驱动功率。半桥芯片(1)和与NMOS管(1)、NMOS管(2)、NMOS管(3)、NMOS管(4)连接，NMOS管(1)与NMOS管(2)并联组成左半桥上桥臂，NMOS管(3)与NMOS管(4)并联组成左半桥下桥臂；半桥芯片(2)和与NMOS管(5)、NMOS管(6)、NMOS管(7)、NMOS管(8)连接，NMOS管(5)与NMOS管(6)并联组成右半桥上桥臂，NMOS管(7)与NMOS管(8)并联组成右半桥下桥臂。

3.根据权利要求1所述的有刷直流电机多闭环驱动控制器，其特征在于，所述信息采集模块包括速度采集模块、电流采集模块和温度采集模块。

4.根据权利要求3所述的有刷直流电机多闭环驱动控制器，其特征在于，所述电流采集模块包括康铜丝电阻以及运放电路。

5.根据权利要求3所述的有刷直流电机多闭环驱动控制器，其特征在于，所述温度采集模块包括数字温度传感器。