CN106849767A - 一种机器人关节电机驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种机器人关节电机驱动电路，包括主控CPU模块，所述主控CPU模块连接有电源模块，所述电源模块启动检测无误后输出纯净稳定直流电压；所述主控CPU模块连接有驱动功率模块，所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息；所述主控CPU模块连接有检测反馈及保护模块，所述检测反馈保护模块用于检测全系统工作状态，并在异常时进行指示；所述主控CPU模块连接有通信模块，所述通信模块连接上位机，本发明能够针对无刷电机，实现更好的开闭环控制，并且将每个主控CPU模块当成一个节点，实现多个关节电机的组网控制，并且不再需要使用专用的驱动器。

Description

一种机器人关节电机驱动电路

技术领域

本发明属于机器人智能控制技术领域，特别涉及一种机器人关节电机驱动电路。

背景技术

目前，并无一种机器人关节电机专用的驱动方案，小型的舵机多为有刷空心杯电机，但是，有刷电机的构造导致其工作的效率偏低，且无法做到高转速大扭矩，其次，有刷电机使用寿命偏短，不能做到免维护，再次，有刷电机的转动惯量偏大，电压/转速线性不好，对其速度控制等闭环不好。

因此，现在亟需一种机器人关节电机驱动电路，能够针对无刷电机，实现更好的开闭环控制，并且将每个主控CPU模块当成一个节点，实现多个关节电机的组网控制，并且不再需要使用专用的驱动器。

发明内容

本发明提出一种机器人关节电机驱动电路，解决了现有技术中机器人关节的转动惯量偏大，电压/转速线性差，速度控制等闭环不好的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：机器人关节电机驱动电路，包括主控CPU模块，所述主控CPU模块连接有电源模块，所述电源模块启动检测无误后输出纯净稳定直流电压；所述主控CPU模块连接有驱动功率模块，所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息；所述主控CPU模块连接有检测反馈及保护模块，所述检测反馈保护模块用于检测全系统工作状态，并在异常时进行指示；所述主控CPU模块连接有通信模块，所述通信模块连接上位机。

作为一种优选的实施方式，所述电源模块接入7.6V-36V超宽直流电压，并在启动检测无误后输出3.3V和5V纯净稳定直流电压并将电源指示灯点亮。

作为一种优选的实施方式，所述主控CPU模块在上电后，经复位→自检→反馈检测→检测结果存储并显示，检测无误后系统进入待命状态。

作为一种优选的实施方式，当检测出现故障信号时利用LED信号灯显示，存储信息通过上位机显示，并且当待命状态超过一定时间阀值后进行超低功率空闲模式。

作为一种优选的实施方式，所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息，包括自动根据令进行开环或闭环对无刷电机的速度、位置、转矩中的任意一项或几项先后/同时进行控制，并记录存储无刷电机工作信息。

作为一种优选的实施方式，所述检测及反馈保护模块与主控CPU模块同时工作，当主控CPU模块完成上电自检后，进行系统全检，当检测正常后，反馈到主控CPU模块，系统进入待命状态，如果检测异常，将存储并通过故障灯显示。

作为一种优选的实施方式，所述系统全检包括输入电压、MOS管温度、电机转子位置、减速箱输出轴位置检测。

作为一种优选的实施方式，所述主控通信模块采用2根双绞线实现舵机组网。

作为一种优选的实施方式，主控CPU模块之间、主控CPU模块与上位机之间采用RS485总线的MODBUS协议进行通信，采用轮询方式，完成上位机与主控CPU模块和主控CPU模块之间的通信。

作为一种优选的实施方式，主控CPU模块之间、主控CPU模块与上位机之间的通信采用循环冗余校验码进行检验。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：本发明采用驱动带霍尔传感的无刷电机为动力源，转速高扭矩大，体积小功率大，最大可达600W，使大批量生产应用机器人的关节电机成为可能，另外无刷电机免维护使用寿命长，为整机机器人寿命提供保障；

输入电压宽，7.6V-36V，为关节电机的扭矩提供了保证；

可精确监控电机的工作电压、温度与转速，为使用人员提供了方便；

采用RS485总线通讯，最多可达128个节点，每个节点均有唯一地址，为编程人员设计算法和程序提供了便利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方框示意图；

图2为本发明的电源模块电路图；

图3为本发明的NN架构大功率MOS管功率输出及检测和保护电路的电路图；

图4为RS485总线模块的电路图；

图5为系统运行指示部分电路图；

图6为485防护电路的电路图；

图7a电机驱动部分的电路图；

图7b启动力矩设定部分的电路图；

图7c保护电流反馈部分的电路图；

图7d为转速控制部分的电路图；

图7e为信号调整部分的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本机器人关节电机驱动电路，包括主控CPU模块，所述主控CPU模块连接有电源模块，所述电源模块启动检测无误后输出纯净稳定直流电压；所述主控CPU模块连接有驱动功率模块，所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息；所述主控CPU模块连接有检测反馈及保护模块，所述检测反馈保护模块用于检测全系统工作状态，并在异常时进行指示；所述主控CPU模块连接有通信模块，所述通信模块连接上位机。

在本实施方式中，主控CPU模块采用32位单片机STM32F103VET6，由于单片机的功能实现主要在于程序，因此不再赘述该单片机的电路图情况。

所述电源模块接入7.6V-36V超宽直流电压，并在启动检测无误后输出3.3V和5V纯净稳定直流电压并将电源指示灯点亮，具体的请参照图2，电源模块包括一降压单元，降压单元铁输入端通过第十一二极管D11以及第三开关S3连接第八供电端子J8，降压单元的输入关还通过第十一电容C11连接降压单元的开关控制引脚，降压单元的输出引脚与接地引脚之间连接有第十三二极管D13，降压单元的输出引脚通过第二电感连接L2和十三二极管D13的正极，第十三二极管D13的正极连接降压单元的接地引脚，降压单元的接地端连接有稳压器的接地端，降压单元的FE引脚通过并联的第二十三电容C23、第三十三电C33容以及第三十四电容C34连接稳压器的输入端，稳压器的输出端通过第五十五电阻R55和第十二二极管D12接地，稳压器的输出端和接地端之间并联有第二十一电容C21和第二十九电容C29。

所述主控CPU模块在上电后，经复位→自检→反馈检测→检测结果存储并显示，检测无误后系统进入待命状态。

当检测出现故障信号时利用LED信号灯显示，存储信息通过上位机显示，并且当待命状态超过一定时间阀值后进行超低功率空闲模式。

所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息，包括自动根据令进行开环或闭环对无刷电机的速度、位置、转矩中的任意一项或几项先后/同时进行控制，并记录存储无刷电机工作信息，具体的请参数图3，采用标准的三相正弦波信号专用芯片输入，NN架构大功率MOS管功率输出及检测和保护电路，驱动功率模块共计三路，由于三路的电路结构相同，因此取其中一路进行介绍，驱动功率模块包括一驱动芯片IR2101，驱动芯片的VCC引脚通过第六十一二极管D61以及第十七电容C17连接电机的C相，驱动芯片的HO引脚通过第四十九电阻R49连接第九MOS管的栅极，驱动芯片的LO引脚通过第五十电阻R50连接第十MOS管的栅极，驱动芯片的VS引脚连接第九MOS管的源极和第十MOS管的漏极，其他相接法与C相接法相同，此外不再赘述；请参照图7a、7b、7c、7d及7e，还包括电机驱动部分，电机驱动部分包括无刷电机驱动IC，其Z/F引脚通过第三十九电阻接地端，其RQD引脚通过并联的第二十五电容C25和第五十九电阻R59接地端，通过第二十五电容C25、第五十九电阻R59和第四十一电阻R41实现启动力矩设定，构成启动力矩设定部分，其RQD引脚通过第四十一电阻R41连接电源电压，其IS引脚通过第六十电阻R60和第六十九电阻R69接地端，第六十九电阻R69作为采样电阻，进行电流采样，从而起到保护电流的反馈作用，构成保护电流反馈部分，其IS引脚通过第二十四电容C24接地端；还包括转速控制部分，连接无刷电机驱动IC的VR引脚，包括第六十一电阻R61，与第六十一电阻R61连接的并联的第二十六电容C26和第六十七电阻R67，以及与第六十一电阻R61连接的第十二极管D10，第十二极管D10的负极连接电源电压；为了进一步使无刷电机的控制更加稳定，还设置有信号调整部分，包括一信号调整电路OPA2349，其输出端连接无刷电机驱动IC的VR引脚，并通过第六十五电阻R65和第六十六电阻R66接地，其输入引脚连接单片机，并通过V+引脚连接电源电压。

所述检测及反馈保护模块与主控CPU模块同时工作，当主控CPU模块完成上电自检后，进行系统全检，当检测正常后，反馈到主控CPU模块，系统进入待命状态，如果检测异常，将存储并通过故障灯显示,请参照图5，系统运行指示部分电路图，采用红色和绿色指示灯进行指示，利用红灯进行报警，利用绿灯指示处于工作状态，并且每个指示灯分别通过第五十六电阻R56和第五十七电阻R57连接电源电压。

所述系统全检包括输入电压、MOS管温度、电机转子位置、减速箱输出轴位置检测。

所述主控通信模块采用2根双绞线实现舵机组网。

主控CPU模块之间、主控CPU模块与上位机之间采用RS485总线模块的MODBUS协议进行通信，采用轮询方式，完成上位机与主控CPU模块和主控CPU模块之间的通信，具体的，请参照图4，RS485总线模块包括一MAX485接口芯片，MAX485接口芯片的DE和RE引脚通过第四十六电阻R46连接电源电压，并且DE和RE引脚通过第一三极管D1和第四十七电阻R47连接三孔插座，并通过三孔插座连接主控CPU模块，第一三极管D1，进一步的，请参照图6，RS485总线模块还设置有485防护电路，包括一两针的485输入端子，两根插针分别通过第五保险丝F5和第六保险丝F6连接第十六晶闸管Q16的两端，第十六晶闸管Q16的两端连接MAX485接口芯片。

主控CPU模块之间、主控CPU模块与上位机之间的通信采用循环冗余校验码进行检验，能够最大程度的克服电磁干扰，确保数据通信可靠。

该机器人关节电机驱动电路的工作原理是：本发明采用驱动带霍尔传感的无刷电机为动力源，转速高扭矩大，体积小功率大，最大可达600W，使大批量生产应用机器人的关节电机成为可能，另外无刷电机免维护使用寿命长，为整机机器人寿命提供保障；输入电压宽，7.6V-36V，为关节电机的扭矩提供了保证；可精确监控电机的工作电压、温度与转速，为使用人员提供了方便；采用RS485总线通讯，最多可达128个节点，每个节点均有唯一地址，为编程人员设计算法和程序提供了便利。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人关节电机驱动电路，其特征在于，包括主控CPU模块，所述主控CPU模块连接有电源模块，所述电源模块启动检测无误后输出纯净稳定直流电压；所述主控CPU模块连接有驱动功率模块，所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息；所述主控CPU模块连接有检测反馈及保护模块，所述检测反馈保护模块用于检测全系统工作状态，并在异常时进行指示；所述主控CPU模块连接有通信模块，所述通信模块连接上位机。

2.根据权利要求1所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，所述电源模块接入7.6V-36V超宽直流电压，并在启动检测无误后输出3.3V和5V纯净稳定直流电压并将电源指示灯点亮。

3.根据权利要求2所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，所述主控CPU模块在上电后，经复位→自检→反馈检测→检测结果存储并显示，检测无误后系统进入待命状态。

4.根据权利要求3所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，当检测出现故障信号时利用LED信号灯显示，存储信息通过上位机显示，并且当待命状态超过一定时间阀值后进行超低功率空闲模式。

5.根据权利要求4所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，所述驱动功率模块根据主控CPU模块的指令，控制无刷电机并记录存储电机工作信息，包括自动根据令进行开环或闭环对无刷电机的速度、位置、转矩中的任意一项或几项先后/同时进行控制，并记录存储无刷电机工作信息。

6.根据权利要求5所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，所述检测及反馈保护模块与主控CPU模块同时工作，当主控CPU模块完成上电自检后，进行系统全检，当检测正常后，反馈到主控CPU模块，系统进入待命状态，如果检测异常，将存储并通过故障灯显示。

7.根据权利要求6所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，所述系统全检包括输入电压、MOS管温度、电机转子位置、减速箱输出轴位置检测。

8.根据权利要求7所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，所述主控通信模块采用2根双绞线实现舵机组网。

9.根据权利要求8所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，主控CPU模块之间、主控CPU模块与上位机之间采用RS485总线的MODBUS协议进行通信，采用轮询方式，完成上位机与主控CPU模块和主控CPU模块之间的通信。

10.根据权利要求9所述的机器人关节电机驱动电路，其特征在于，主控CPU模块之间、主控CPU模块与上位机之间的通信采用循环冗余校验码进行检验。