CN109510172A - 一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统 - Google Patents

一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，包括：STM32F103VCT6单片机、驱动单元、采样检测单元和供电单元；其中单片机用于处理本系统内的信号并对其他单元输出控制信号；驱动单元用于接收单片机的PWM三相控制信号并驱动直流无刷电机转动；采样检测单元包括采样电路和对比电路，其中采样电路用于采集相电流和母线电流信号，对比电路用于将母线电流与预设值进行对比，采样检测单元的结果发送回单片机；供电单元用于对电源进行变压并供给系统内各单元使用。本发明创造所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统能够在工作时对电机的相电流和母线电流进行检测，防止电机发生过流情况。

Description

一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统
技术领域
本发明创造属于移动机器人控制技术领域，尤其是涉及一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统。
背景技术
移动机器人是一种能够自动执行工作的机械装置，按照移动方式可分为：轮式机器人、步行机器人、履带式机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式人等类型，其中轮式移动机器人，尤其是两轮机器人通常借助直流无刷电机来进行驱动，具有运动过程灵活平稳、使用寿命长、传动声音小和转速范围宽等优点。
在现有的直流无刷电机控制系统中不具备线路过流检测功能，当电机发生堵转时容易导致线路内的电流过大，进而导致线路发热，轻则破坏机器人的移动性能，重则烧毁电机导致机器人损坏。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，以实现防止电机过流损坏的目的。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，包括：
STM32F103VCT6单片机，用于输出PWM三相控制信号；
驱动单元，用于接收单片机的PWM三相控制信号并驱动直流无刷电机转动，包括结构相同的左轮驱动电路和右轮驱动电路；
所述左轮驱动电路包括：U相驱动电路，其输入端连接单片机的67和52针脚，用于控制左轮电机U相上两个MOS管的导通和截止；V相驱动电路，其输入端连接单片机的68和53针脚，用于控制左轮电机V相上两个MOS管的导通和截止；W相驱动电路，其输入端连接单片机的69和54针脚，用于控制左轮电机W相上两个MOS管的导通和截止；
所述右轮驱动电路包括：U相驱动电路，其输入端连接单片机的63和32针脚，用于控制右轮电机U相上两个MOS管的导通和截止；V相驱动电路，其输入端连接单片机的64和35针脚，用于控制右轮电机V相上两个MOS管的导通和截止；W相驱动电路，其输入端连接单片机的65和36针脚，用于控制右轮电机W相上两个MOS管的导通和截止；
采样检测单元，包括采样电路和对比电路，所述采样电路用于采集电机相电流和母线电流信号，并对其进行保真处理，包括相电流电路和母线电流电路；
所述相电流电路的输入端连接电机各相驱动电路的单相采样电阻，其中左轮电机的U、V、W相相电流电路的输出端分别连接单片机的15、16、17针脚，右轮电机的U、V、W相相电流电路的输出端分别连接单片机的26、29、30针脚；所述母线电流电路的输入端连接母线采样电阻，其中左轮电机的母线电流电路输出端连接单片机的18针脚，右轮电机的母线电流电路输出端连接单片机的31针脚；
所述对比电路用于将母线电流电路的输出信号与预设值进行对比，其中左轮对比电路的输入端连接单片机的18针脚，输出端连接单片机的51针脚，右轮对比电路的输入端连接单片机的31针脚，输出端连接单片机的91针脚；
供电单元，用于对电源进行变压并供给系统内各单元使用。
进一步的，所述驱动电路包括：
IR2101S功率驱动器，用于对电机上的三相MOS管进行驱动，驱动器的2、3针脚接收PWM信号，其7、6针脚分别连接上桥臂和下桥臂的MOS管的栅极；
自举升压模块，用于提升上桥臂MOS管的电压，包括升压二极管和升压电容，所述升压二极管的正极连接电源电压，其负极连接驱动器的8针脚，所述升压电容的正极连接升压二极管的负极，升压电容的负极连接上桥臂MOS管的源极。
进一步的，所述单相采样电阻的第一端与下桥臂MOS管的漏极相连，第二端连接母线采样电阻的第一端，所述母线采样电阻的第二端接地。
进一步的，所述采样检测模块还包括参考电路，所述参考电路用于生成参考电压，所述参考电压用于供给采样电路使用。
进一步的，所述参考电路包括第一运算放大器、第一分压电阻、第二分压电阻、第一保护电容和第二保护电容；
所述第一分压电阻的第一端连接电源电压，第二端与第二分压电阻的第一端相连，所述第二分压电阻的第二端接地；所述第一运算放大器的正向输入端与第一分压电阻的第二端相连，其反向输入端与自身输出端相连，其输出端输出参考电压；所述第一保护电容的正极与第一运算放大器的正电源端相连，负极接地；所述第一运算放大器的负电源端接地；第二保护电容的正极与第一运算放大器的输出端相连，负极接地。
进一步的，所述采样电路包括第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容和第二电容；
所述第一电阻的第一端与单相采样电阻相连，第二端连接第二电阻的第一端；所述第二电阻的第二端连接第二运算放大器的正向输入端；所述第三电阻的第一端连接第二电阻的第二端，其第二端连接参考模块的输出端，用于向采样电路导入参考电压，并对参考电压起稳压作用；所述第一电容的正极与第一电阻的第二端相连，负极与第四电阻的第一端相连，用于降低信号干扰；所述第四电阻的第二端接地，用于防止采样电路信号失真；所述第二运算放大器的输出连接第七电阻的第一端，第七电阻的第二端连接单片机；第二运算放大器的反向输出端连接第六电阻的第一端，第六电阻的第二端连接第七电阻的第一端；所述第五电阻的第一端与第四电阻的第一端相连，其第二端连接第六电阻的第一端；所述第二电容的正极连接第七电阻的第二端，其负极接地。
进一步的，所述对比电路包括第三运算放大器、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三电容、第四电容和第五电容；
所述第八电阻的第一端连接母线采样电路的输出端，第二端连接第三运算放大器的反向输入端；所述第九电阻的第一端连接电源电压，第二端连接第三运算放大器的正向输入端；所述第三运算放大器的输出端连接第十电阻的第一端，第十电阻的第二端连接单片机；所述第十一电阻的第一端连接第九电阻的第二端，其第二端接地；所述第三电容的正极连接第八电阻的第二端，其负极接地；所述第十二电阻的第一端连接第十电阻的第二端，其第二端连接电源电压；所述第四电容的正极连接第十电阻的第二端，其负极接地；所述第五电容的正极连接第三运算放大器的正电源端，其负极接地，第三运算放大器的负电源端接地。
进一步的，所述驱动电路还包括PWM整形模块，用于将单片机产生的PWM三相信号整形为满足电机工作的形式，包括：74LV244APW芯片、第一缓冲电阻、第二缓冲电阻、第一保真电容和第二保真电容；
所述第一缓冲电阻的第一端连接电源电压，第二端连接第二缓冲电阻的第一端，所述第二缓冲电阻的第二端分别连接74LV244APW芯片的1针脚和19针脚；所述第一保真电容的正极连接第二缓冲电阻的第二端，其负极接地；所述第一缓冲电阻的第一端连接电源电压，第二端连接第二缓冲电阻的第一端；
所述74LV244APW芯片的20针脚连接电源电压，8、10、17针脚接地；74LV244APW芯片的2、11针脚接收单片机U相的PWM信号，该信号经74LV244APW芯片整形后于18、9针脚输出；其4、13针脚接收单片机V相的PWM信号，该信号经74LV244APW芯片整形后于16、7针脚输出；其6、15针脚接收单片机W相的PWM信号，该信号经74LV244APW芯片整形后于14、5针脚输出。
进一步的，本控制系统还包括霍尔检测单元，用于接受电机霍尔传感器发出的信号，并将结果传输至单片机中，其中左轮电机的霍尔检测单元连接单片机的92、93、95针脚，右轮电机的霍尔检测单元连接单片机的23、24、25针脚。
进一步的，所述霍尔检测单元包括五针接插件、第一滤波模块、74AHC14D芯片和第二滤波模块；
所述五针接插件用于将电机霍尔传感器上的信号传递至霍尔检测单元内部，其1针脚连接电源电压，5针脚接地，2、3、4针脚分别与一个第一滤波模块的输入端相连；
三个所述第一滤波模块的输出端分别连接74AHC14D芯片的第1、2、5针脚，所述74AHC14D芯片的2、4、6针脚分别与一个第二滤波模块的输入端相连；
所述第二滤波模块的输出端连接单片机。
进一步的，所述第一滤波模块包括第一滤波电阻、第二滤波电阻和第一滤波电容；所述第一滤波电阻的第一端连接五针接插件，第二端连接74AHC14D芯片；所述第二滤波电组的第一端连接工作电压，第二端连接第一滤波电阻的第一端；所述第一滤波电容的正极连接第一滤波电阻的第二端，负极接地。
进一步的，所述第二滤波模块包括第三滤波电阻和第二滤波电容；所述第三滤波电阻的第一端连接74AHC14D芯片，第二端连接单片机；所述第二滤波电容的正极连接第三滤波电阻的第二端，负极接地。
进一步的，本控制系统还包括通讯单元，用于实现单片机与上位机的信号交流，其信号输出端连接单片机的79针脚，信号输入端连接单片机的78针脚。
进一步的，所述通讯单元包括SP3232EEN芯片和保护模块；
所述保护模块包括第一抑制二极管、第二抑制二极管、第一抑制电容、第二抑制电容、第一保护电阻和第二保护电阻；
所述第一抑制二极管的第一端接地，第二端连接第一保护电阻的第一端，第一保护电阻的第二端连接SP3232EEN芯片的13针脚，所述第一抑制电容的正极连接第一保护电阻的第一端，其负极接地；所述第二抑制二极管的第一端连接第一抑制二极管的第一端，第二端连接第二保护电阻的第一端，所述第二保护电阻的第二端连接SP3232EEN芯片的14针脚，所述第二抑制电容的正极连接第二保护电容的第一端，其负极接地；
所述SP3232EEN芯片用于实现信号在RS232和TTL格式之间的转化，其11针脚接收单片机信号，12针脚向单片机传输信号。
进一步的，所述供电单元包括第一转换电路、第二转换电路和第三转化电路；
所述第一转换电路用于将24V电源电压转化为15V电源电压，包括LM2596-ADJ芯片、第一二极管、第二二极管、第一储能电容、第二储能电容、第三储能电容、第四储能电容、第一电感、第一缓冲电容和第二缓冲电容；
所述第一二极管的正极连接24V工作电压，负极连接LM2596-ADJ芯片的1针脚；所述第一储能电容和第二储能电容的正极均与第一二极管的正极相连，负极均接地；所述第三储能电容和第四储能电容的正极均与第一二极管的负极相连，其负极均接地；所述LM2596-ADJ芯片的2针脚连接第一电感的第一端，第一电感的第二端输出15V电源电压；所述第二二极管的负极连接第一电感的第一端，其负极接地；所述第一缓冲电容和第二缓冲电容的正极均与第一电感的第二端相连，负极均接地；
所述第二转换电路用于将15V电源电压转化为5V电源电压，包括LM2596-5芯片、第三二极管、第五储能电容、第六储能电容、第二电感、第四缓冲电容和第五缓冲电容；
所述LM2596-5芯片的1针脚连接15V电源电压，2针脚连接第二电感的第一端，所述第二电感的第二端输出5V电源电压；所述第三二极管的负极与第二电感的第一端相连，其正极接地；所述第四缓冲电容和第五缓冲电容的正极均与第二电感的第二端相连，其负极均接地；
所述第三转换电路用于将5V电源电压转化为3.3V电源电压，包括LM1117-3V3芯片、第七储能电容、第八储能电容、第六缓冲电容和第七缓冲电容；
所述LM1117-3V3芯片的1针脚连接5V电源电压，2针脚输出3.3V电源电压；所述第七储能电容和第八储能电容的正极均与LM1117-3V3芯片的1针脚相连，其负极均接地；所述第六缓冲电容和第七缓冲电容的正极均与LM1117-3V3芯片的2针脚相连，其负极均接地。
进一步的，所述第一转换电路包括第一取样反馈模块，用于将输出电压反馈回LM2596-ADJ芯片，包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三缓冲电容；
所述第三缓冲电容的正极连接第一电感的第二端，负极连接LM2596-ADJ芯片的4针脚；所述第一反馈电阻的第一端连接第三缓冲电容的正极，第二端连接第二反馈电阻的第一端，第二反馈电阻的第二端接地。
进一步的，所述第二转换电路包括第二取样反馈模块，用于将输出电压反馈回LM2596-5芯片，包括第三反馈电阻；所述第三反馈电阻的第一端连接第二电感的第二端，其第二端连接LM2596-5芯片的4针脚。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统具有以下优势：
(1)本发明创造所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，通过采样检测单元对电机的相电流和母线电流进行取样，其中相电流输送至单片机内部进行比较，母线电流输送至对比电路进行比较，根据比较结果对线路状态进行实时监测，以使得单片机能够在发生过流现象时及时切断电机的转动，防止线路过流损坏电机。
(2)本发明创造所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，能通过霍尔传感器实时监测电机的转动速度，方便对机器人的行进速度进行控制。此外，其霍尔检测单元能够消除信号在传递时的干扰，保证信号传输的准确性。
(3)本实施例所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其通讯单元带有防冲击功能，通过瞬态抑制二极管保护通讯芯片的正常工作，确保控制信号的准确传递。
(4)本实施例所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其供电单元能够将24V的电源电压转化为15V，供给驱动单元工作，再将15V电压转化为5V，供给霍尔检测单元工作，最后将5V电压转化为3.3V，供给单片机、采样检测单元和通讯单元工作，使得系统内的供电线路更加合理，无需增设多个电源。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统控制原理框图；
图2为本发明创造实施例所述的单相驱动电路的电路连接示意图；
图3为本发明创造实施例所述的PWM整形模块的电路连接示意图；
图4为本发明创造实施例所述的采样电路的电路连接示意图；
图5为本发明创造实施例所述的参考电路的电路连接示意图；
图6为本发明创造实施例所述的对比电路的电路连接示意图；
图7为本发明创造实施例所述的霍尔检测单元的电路连接示意图；
图8为本发明创造实施例所述的通讯单元的电路连接示意图；
图9为本发明创造实施例所述的第一转换电路的电路连接示意图；
图10为本发明创造实施例所述的第二转换电路的电路连接示意图；
图11为本发明创造实施例所述的第三转换电路的电路连接示意图。
附图标记说明：
1-单片机；2-驱动单元；21-单相采样电阻；22-母线采样电阻；23-升压二极管；24-升压电容；25-上桥臂MOS管；26-下桥臂MOS管；27-驱动器；28-74LV244APW芯片；29-第一缓冲电阻；210-第二缓冲电阻；211-第一保真电容；212-第二保真电容；3-采样检测单元；31-第一分压电阻；32-第二分压电阻；33-第一保护电容；34-第二保护电容；35-第一运算放大器；36-第一电阻；37-第二电阻；38-第三电阻；39-第四电阻；310-第五电阻；311-第六电阻；312-第七电阻；313-第一电容；314-第二电容；315-第二运算放大器；316-第八电阻；317-第九电阻；318-第十电阻；319-第十一电阻；320-第十二电阻；321-第三电容；322-第四电容；323-第五电容；324-第三运算放大器；4-供电单元；41-LM2596-ADJ芯片；42-第一二极管；43-第二二极管；44-第一储能电容；45-第二储能电容；46-第三储能电容；47-第四储能电容；48-第一反馈电阻；49-第二反馈电阻；410-第一电感；411-第一缓冲电容；412-第二缓冲电容；413-第三缓冲电容；414-LM2596-5芯片；415-第三二极管；416-第五储能电容；417-第六储能电容；418-第三反馈电阻；419-第二电感；420-第四缓冲电容；421-第五缓冲电容；422-LM1117-3V3芯片；423-第七储能电容；424-第八储能电容；425-第六缓冲电容；426-第七缓冲电容；5-霍尔检测单元；51-第一滤波电阻；52-第二滤波电阻；53-第一滤波电容；54-第三滤波电阻；55-第二滤波电容；56-五针接插件；57-74AHC14D芯片；6-通讯单元；61-SP3232EEN芯片；62-第一保护电阻；63-第二保护电阻；64-第一抑制电容；65-第二抑制电容；66-第一抑制二极管；67-第二抑制二极管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，包括：STM32F103VCT6单片机1、驱动单元2、采样检测单元3、供电单元4、通讯单元6和霍尔检测单元5，如图1所示为本控制系统的控制原理框图。
本系统的各用电元件的电源均来自于供电单元4，所述供电电源4能够将24V的直流电转化为各单元工作所需的电压，供电电源4包括：第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路。
如附图9所示，为第一转换电路的电路图，该电路能够将24V的直流电通过DC/DC转化为15V的直流电，具体的，该电路包括：LM2596-ADJ芯片41、第一二极管42、第二二极管43、第一储能电容44、第二储能电容45、第三储能电容46、第四储能电容47、第一电感410、第一缓冲电容411和第二缓冲电容412。
其中第一储能电容44、第二储能电容45、第三储能电容46和第四储能电容47能够起到储能滤波的作用，第一二极管42能够防止第三储能电容46和第四储能电容47在放电时发生逆流，第二二极管43为续流二极管，该元件能够在第一电感410的负载电流发生突变时弱化这一波动，避免电路内的其他元件损坏。
所述第一二极管42的正极连接24V工作电压，负极连接LM2596-ADJ芯片41的1针脚；第一储能电容44和第二储能电容45的正极均与第一二极管42的正极相连，负极均接地；第三储能电容46和第四储能电容47的正极均与第一二极管42的负极相连，其负极均接地；LM2596-ADJ芯片41的2针脚连接第一电感410的第一端，第一电感410的第二端输出15V电源电压；第二二极管43的负极连接第一电感410的第一端，其负极接地；第一缓冲电容411和第二缓冲电容412的正极均与第一电感410的第二端相连，负极均接地。
此外，LM2596-ADJ芯片41的3针脚和5针脚接地，对该芯片进行接地保护。
优选的，第一转换电路中设有用于稳定输出电压的第一取样反馈模块，包括：第一反馈电阻48、第二反馈电阻49和第三缓冲电容413。
所述第三缓冲电容413的正极连接第一电感410的第二端，负极连接LM2596-ADJ芯片41的4针脚；所述第一反馈电阻48的第一端连接第三缓冲电容的正极，第二端连接第二反馈电阻49的第一端，第二反馈电阻49的第二端接地。
如附图10所示，为第二转换电路的电路图，该电路能够将15V的直流电通过DC/DC转化为5V的直流电，具体的，该电路包括：LM2596-5芯片414、第三二极管415、第五储能电容416、第六储能电容417、第二电感419、第四缓冲电容420和第五缓冲电容421。
其中第五储能电容416和第六储能电容417能够起到储能滤波的作用，第三二极管415为续流二极管。
所述LM2596-5芯片414的1针脚连接15V电源电压，2针脚连接第二电感419的第一端，第二电感419的第二端输出5V电源电压；第三二极管415的负极与第二电感419的第一端相连，其正极接地；第四缓冲电容420和第五缓冲电容421的正极均与第二电感419的第二端相连，其负极均接地。
此外，LM2596-5芯片414的3针脚和5针脚接地，对该芯片进行接地保护。
优选的，第二转换电路中设有用于稳定输出电压的第三反馈电阻418，所述第三反馈电阻418的第一端连接第二电感419的第二端，其第二端连接LM2596-5芯片414的4针脚。
可选的，可用第三反馈电阻418替代第一取样反馈模块实现第一转换电路输出电压的稳定。
如附图11所示，为第三转换电路的电路图，该电路能够将5V的直流电转化为3.3V的直流电，具体的，该电路包括：LM1117-3V3芯片422、第七储能电容423、第八储能电容424、第六缓冲电容425和第七缓冲电容426。
所述LM1117-3V3芯片422的1针脚连接5V电源电压，2针脚输出3.3V电源电压；第七储能电容423和第八储能电容424的正极均与LM1117-3V3芯片422的1针脚相连，其负极均接地；第六缓冲电容425和第七缓冲电容426的正极均与LM1117-3V3芯片422的2针脚相连，其负极均接地。
此外，LM1117-3V3芯片422的3针脚接地，对该芯片进行接地保护。
本系统中的核心控制组件为STM32F103VCT6单片机1，通过单片机1能够接受外界控制信号，并对机器人的两个直流电机进行控制。驱使机器人运动的过程依靠PWM信号实现，具体的，单片机1上的两个高级定时器(定时器1和定时器8)能够输出U、V、W三相PWM信号，将PWM信号发送给驱动单元2后，驱动单元2将分别驱使机器人的左、右两轮进行转动，从而控制机器人进行移动。
所述驱动单元2包括结构相同的左轮驱动电路和右轮驱动电路，所述驱动电路根据PWM信号分为3种类：U相驱动电路、V相驱动电路W相驱动电路，三相驱动电路的元件连接完全一致。具体的，在左轮电机驱动电路中，U相驱动电路的输入端连接单片机1的67和52针脚，V相驱动电路的输入端连接单片机1的68和53针脚；W相驱动电路的输入端连接单片机1的69和54针脚。在右轮电机驱动电路中，U相驱动电路的输入端连接单片机1的63和32针脚；V相驱动电路的输入端连接单片机1的64和35针脚；W相驱动电路的输入端连接单片机1的65和36针脚。
附图2为单相驱动电路的连接示意图，由图可知，单相驱动电路图包括：IR2101S功率驱动器27、上桥臂MOS管25、下桥臂MOS管26和自举升压模块。
其中，IR2101S功率驱动器27接收PWM信号，并切换MOS管的导通或截止状态。具体的，驱动器27上设有8个针脚，其中1针脚连接15V电源电压，为驱动器27提供工作电能，4针脚接地，用于保护驱动器27。驱动器27的2针脚和3针脚为PWM信号输入针脚，单片机产生的PWM-P型信号从2针脚进入驱动器27，并通过7针脚导向上桥臂MOS管25，而单片机产生的PWM-N型信号从3针脚进入驱动器27，并通过6针脚导向下桥臂MOS管26。
可选的，为降低信号进入IR2101S功率驱动器27的冲击，可在2针脚和3针脚的导线上分别设置缓冲电阻。同样的，也可在驱动器27与MOS管之间的导线上设置缓冲电阻，用于降低信号对MOS管的冲击。示例性的，单相驱动电路中的缓冲电阻阻值为100Ω±1％即可。
为避免因工作电压不足导致的上桥臂MOS管25驱动失败，在单相驱动电路中设置了自举升压模块来提升驱动器27向上桥臂MOS管25输出的电压。具体的，自举升压模块包括升压二极管23和升压电容24，升压二极管23的正极连接15V电压，其负极连接驱动器27的8针脚，所述升压电容24的正极连接升压二极管23的负极，升压电容24的负极连接上桥臂MOS管25的源极。
本实施例中所述的上桥臂MOS管和下桥臂MOS管均为N沟道MOS管，因此供给MOS管进行动作的电源从上桥臂MOS管25的漏极接入，下桥臂MOS管26的漏极与上桥臂MOS管25的源极相连，而下桥臂MOS管26的源极则与单向采样电阻21相连，驱使MOS管进行动作的信号则由MOS管的栅极接入。
在驱动电路驱使电机转动时，处于不同相的MOS管交替导通，具体的，共存在六种导通方式：U相上桥臂与V相下桥臂导通；U相上桥臂与W相下桥臂导通；V相上桥臂与U相下桥臂导通；V相上桥臂与W相下桥臂导通；W相上桥臂与U相下桥臂导通；W相上桥臂与V相下桥臂导通。
优选的，为提升电机转动的平滑程度并减少冲击，在驱动电路中还包括PWM整形模块，所述PWM整形模块能够对单片机1产生的PWM波形进行优化，并将优化后的PWM信号导向IR2101S功率驱动器27，示例性的，可整形为等幅等宽或等幅不等宽的矩形脉冲序列，以提升直流无刷电机的运转平滑度。
附图3为PWM整形模块的电路连接图，如图所示，PWM整形模块包括：74LV244APW芯片28、第一缓冲电阻29、第二缓冲电阻210、第一保真电容211和第二保真电容212。
其中，第一缓冲电阻29和第二缓冲电阻210能够降低信号输入时的冲击，保证信号的稳定；第一保证电容211和第二保证电容212能够防止信号在整形过程中发生失真。
所述第一缓冲电阻29的第一端连接3.3V电压，第二端连接第二缓冲电阻210的第一端，第二缓冲电阻210的第二端分别连接74LV244APW芯片28的1针脚和19针脚；第一保真电容211的正极连接第二缓冲电阻210的第二端，其负极接地；第一缓冲电阻29的第一端连接3.3V电压，第二端连接第二缓冲电阻210的第一端。
所述74LV244APW芯片28上共有20个针脚，其中20针脚接入供给芯片工作的3.3V电压，8针脚、17针脚和10针脚接地。芯片的2针脚接收单片机的U相P型PWM信号，11针脚接收单片机的U相N型PWM信号；芯片的4针脚接收单片机的V相P型PWM信号，13针脚接收单片机的V相N型PWM信号；芯片的6针脚接收单片机的W向相P型PWM信号，15针脚接收单片机的W相N型PWM信号。经过整形后，芯片的18针脚输出U相P型信号，9针脚输出U相N型信号；芯片的16针脚输出V相P型信号，7针脚输出V相N型信号；芯片的14针脚输出W相P型信号，5针脚输出W相N型信号。
为防止机器人的电机在工作过程时发生线路过流而烧毁，本实施例设置了采样检测单元3。所述采样检测单元3包括采样电路和对比电路，所述采样电路包括相电流电路和母线电流电路，相电流电路和母线电流电路均为1:1同步放大电路，能够将采集到的电流信号进行保真输送，确保信号的准确性。
相电流电路用与采集电机单相PWM信号支路的电流信息，其输入端连接设置在驱动电路上的单相采样电阻21，输出端连接单片机1上的接收针脚。具体的，检测左轮U相的相电流电路输出端连接单片机1的15针脚，V相的相电流电路输出端连接单片机1的16针脚，W相的相电流电路输出端连接单片机1的17针脚；检测右轮U相的相电流电路输出端连接单片机1的26针脚，V相的相电流电路输出端连接单片机1的29针脚，W相的相电流电路输出端连接单片机1的30针脚。
母线电流电路用于采集电机PWM信号母线的电流信息，其输入端连接设置在驱动电路上的母线采样电阻22，输出端连接对比电路。
所述母线采样电阻22的一端分别与U相、V相和W相的单相采样电阻21相连，母线采样电阻22的另一端接地。由于电机的PWM母线通过的电流较大，因此母线最容易发生过流烧毁，设置母线采样电阻22能够和单相采样电阻21进行配合，实时显示出电机各线路的电流载荷，在任意线路发生过流是及时切断电机工作进程，最大程度上保护电机。
如图4所示为采样电路的示意图，如图所示，该电路包括：第二运算放大器315、第一电阻36、第二电阻37、第三电阻38、第四电阻39、第五电阻310、第六电阻311、第七电阻312、第一电容313和第二电容314。
其中，第一电阻36和第二电阻37用于对采集到的电流信号进行缓冲，第三电阻38用于对参考电压进行稳压缓冲，第四电阻39和第二电容314用于防止信号在电路中发生失真，第五电阻310、第六电阻311和第七电阻312用于进行限流，第一电容313用于降低信号干扰。
所述第一电阻36的第一端与单相采样电阻21相连，第二端连接第二电阻37的第一端；第二电阻37的第二端连接第二运算放大器315的正向输入端；第三电阻38的第一端连接第二电阻37的第二端，其第二端接入参考电压；第一电容313的正极与第一电阻36的第二端相连，负极与第四电阻39的第一端相连，第四电阻39的第二端接地。
所述第二运算放大器315的输出连接第七电阻312的第一端，第七电阻312的第二端连接单片机1；第二运算放大器315的反向输出端与设置在自身输出端的第七电阻312相连，构成负反馈回路，保证第二运算放大器315处于线性工作区域。
所述第五电阻310的第一端与第四电阻39的第一端相连，其第二端连接第六电阻311的第一端；第二电容314的正极连接第七电阻312的第二端，其负极接地。
优选的，本实施例中参考电压由参考电路生成，附图5为参考电路的电路连接图。如图所示，参考电路包括：第一运算放大器35、第一分压电阻31、第二分压电阻32、第一保护电容33和第二保护电容34。
其中，第一分压电阻31和第二分压电阻32的阻值相等，用于对输入参考电路的3.3V电压进行分压；第一保护电容33和第二保护电容34能够确保第一运算放大器35正常工作，提供稳定可靠的参考电压。
所述第一分压电阻31的第一端连接3.3V电压，第二端与第二分压电阻32的第一端相连，第二分压电阻32的第二端接地。
第一运算放大器35的正向输入端与第一分压电阻31的第二端相连，其反向输入端与自身输出端相连，构成负反馈回路，其输出端向采样电路输出参考电压。
所述第一保护电容33的正极与第一运算放大器35的正电源端相连，负极接地；第一运算放大器35的负电源端接地；第二保护电容34的正极与第一运算放大器35的输出端相连，负极接地。
由于参考电路中的两个分压电阻阻值相等，且参考电路为1:1同步放大电路，因此其输出的参考电压为1.65V。参考电压在采样电路的工作过程中能够为采样电路的输出值提供一个基准，在这个基准上面，采样电路能根据输入信号的变化而对输出信号进行变化。
对比电路能够将母线电流电路输出的值与预期值进行比较，并将对比结果以电平信号的形式反馈给单片机1。作为示例而非限定，母线电流的预期值为11.9A，当实际值大于预期值时，对比电路输出低电平，单片机1切断电机的工作进程；当实际值小于预期值时，对比电路输出高电平，单片机1继续驱使电机工作。具体的，用于进行左轮母线电流检测的对比电路输出端连接单片机1的18针脚，用于进行右轮母线电流检测的对比电路输出端连接单片机1的31针脚。
附图6为对比电路的示意图，如图可知，对比电路包括：第三运算放大器324、第八电阻316、第九电阻317、第十电阻318、第十一电阻319、第十二电阻320、第三电容321、第四电容322和第五电容323。
其中，第三电容321、第四电容322和第五电容323能够对第三运算放大器324的工作起到稳定作用，提升比较结果的准确性；第八电阻316、第九电阻317、第十电阻318、第十一电阻319能够使提升信号在对比电路中的稳定性。
所述第八电阻316的第一端连接母线采样电路的输出端，第二端连接第三运算放大器324的反向输入端；第九电阻317的第一端连接电源电压，第二端连接第三运算放大器324的正向输入端；第三运算放大器324的输出端连接第十电阻318的第一端，第十电阻318的第二端连接单片机1；第十一电阻319的第一端连接第九电阻317的第二端，其第二端接地；第三电容321的正极连接第八电阻316的第二端，其负极接地；第十二电阻320的第一端连接第十电阻318的第二端，其第二端连接电源电压；第四电容322的正极连接第十电阻318的第二端，其负极接地；第五电容323的正极连接第三运算放大器324的正电源端，其负极接地，第三运算放大器324的负电源端接地。
此外，本系统还包括霍尔检测单元5，该单元能够接受电机上霍尔传感器发来的信号，判断电机的实时转速和内部转子位置，方便单片机1驱动直流无刷电机。
附图7为霍尔检测单元5的电路连接示意图，如图可知，霍尔检测单元包括五针接插件56、第一滤波模块、74AHC14D芯片57和第二滤波模块。所述五针接插件56用于连接霍尔传感器和第一滤波模块，其1针脚连接5V电压，5针脚接地，剩余的2、3、4针脚分别与一个第一滤波模块相连。
所述第一滤波模块用于对进入霍尔检测单元的信号进行滤波和保真，包括：第一滤波电阻51、第二滤波电阻52和第一滤波电容53。所述第一滤波电阻51的第一端连接五针接插件56，第二端连接74AHC14D芯片57；所述第二滤波电阻52的第一端接入5V电压，第二端连接第一滤波电阻51的第一端；所述第一滤波电容53的正极连接第一滤波电阻52的第二端，负极接地。
经过第一滤波模块处理后的信号进入74AHC14D芯片57内部，所述74AHC14D芯片57为非门整形IC，能够对霍尔传感器发出的缓慢脉冲波进行整形，使之形成适合于数字电路的矩形脉冲。
具体的，74AHC14D芯片57的1、3、5针脚接收来自第一滤波模块的信号，上述信号从2、4、6针脚发送至第二滤波模块中。芯片的7、9、11、13针脚接地，14针脚接入3.3V电压。此外，可以在14针脚加设一个接地的滤波电容，降低3.3V电压对脉冲整形的影响。
所述第二滤波模块用于对经过整形后的信号进行滤波，包括：第三滤波电阻54和第二滤波电容55。所述第三滤波电阻54的第一端连接74AHC14D芯片57，第二端连接单片机1；第二滤波电容55的正极连接第三滤波电阻54的第二端，负极接地。
通过第二滤波模块的信号会发送至单片机1内部，单片机1的92、93、95针脚用于接收来自左轮电机的信号，23、24、25针脚接收来自右轮电机的信号。
此外，本控制系统还包括通讯单元6，所述通讯单元6用于实现单片机1与上位机之间的信号交流。如图8为通讯单元6的电路连接示意图，如图所示，通讯单元6包括保护模块和SP3232EEN芯片61。
所述保护模块用于降低信号对通讯单元6产生的冲击和干扰，包括：第一抑制二极管66、第二抑制二极管67、第一抑制电容64、第二抑制电容65、第一保护电阻62和第二保护电阻63。
其中，第一抑制二极管66和第二抑制二极管和67为瞬态抑制二极管，能够在通讯单元6受到反向瞬态高能量冲击时，以10-12秒量级的速度将两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，避免通讯单元6因浪涌造成损坏。
所述第一抑制二极管66的第一端接地，第二端连接第一保护电阻62的第一端，第一保护电阻62的第二端连接SP3232EEN芯片61的13针脚，第一抑制电容64的正极连接第一保护电阻62的第一端，其负极接地；第二抑制二极管67的第一端连接第一抑制二极管66的第一端，第二端连接第二保护电阻63的第一端，第二保护电阻63的第二端连接SP3232EEN芯片61的14针脚，第二抑制电容65的正极连接第二保护电容34的第一端，其负极接地。
所述SP3232EEN芯片61用于实现信号在RS232和TTL格式之间的转化，其11针脚接收来自单片机1中78针脚的信号，12针脚向单片机1的79针脚传输信号。此外，SP3232EEN芯片61的4针脚和5针脚之间、1针脚和3针脚之间均通过电容相连，2、6、12针脚分别通过一个电容进行接地保护，在16针脚上还接入供给芯片工作的3.3V电源。
下面对上述方案进行效果描述：
本实施例提供了一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，通过PWM信号驱使MOS管交替导通而实现左、右轮电机的转动。在电机的驱动电路中，通过单相采样电阻收集各个相电流的数值，通过母线采样电阻收集母线电流的数值，并对上述数值进行检测，当母线电流超过预定值时本系统能够及时切断电机的转动，避免电机产生过流烧毁。
本实施例能够通过霍尔检测单元接收电机霍尔传感器的信号，实时监测电机的转动情况，并及时提供适合电机工作的PWM波形，使得机器人的运动更加平滑。
本实施例的通讯单元能够消除信号浪涌的影响，保证控制系统与上位置通讯过程的通畅。
本实施例中的供电单元能够将24V的电源电压转化为15V、5V、3.3V，无需增设多规格电源，精简了线路结构。
本实施例中所述的第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器可选用LM324型运算放大器；第一抑制二极管和第二抑制二极管可选用P6SMB16CAT3G型瞬态抑制二极管；上桥MOS管和下桥臂MOS管可选用IRF540N型MOS管；其余芯片或单片机均可根据上文内容找到相应产品，且上述元件的内部构造已为大众所熟知，因此不再本申请中赘述。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：包括STM32F103VCT6单片机(1)，用于输出PWM三相控制信号；
驱动单元(2)，用于接收单片机(1)的PWM三相控制信号并驱动直流无刷电机转动，包括结构相同的左轮驱动电路和右轮驱动电路；
所述左轮驱动电路包括：U相驱动电路，其输入端连接单片机(1)的67和52针脚，用于控制左轮电机U相上两个MOS管的导通和截止；V相驱动电路，其输入端连接单片机(1)的68和53针脚，用于控制左轮电机V相上两个MOS管的导通和截止；W相驱动电路，其输入端连接单片机(1)的69和54针脚，用于控制左轮电机W相上两个MOS管的导通和截止；
所述右轮驱动电路包括：U相驱动电路，其输入端连接单片机(1)的63和32针脚，用于控制右轮电机U相上两个MOS管的导通和截止；V相驱动电路，其输入端连接单片机(1)的64和35针脚，用于控制右轮电机V相上两个MOS管的导通和截止；W相驱动电路，其输入端连接单片机(1)的65和36针脚，用于控制右轮电机W相上两个MOS管的导通和截止；
采样检测单元(3)，包括采样电路和对比电路，所述采样电路用于采集电机相电流和母线电流信号，并对其进行保真处理，包括相电流电路和母线电流电路；
所述相电流电路的输入端连接电机各相驱动电路的单相采样电阻(21)，其中左轮电机的U、V、W相相电流电路的输出端分别连接单片机(1)的15、16、17针脚，右轮电机的U、V、W相相电流电路的输出端分别连接单片机(1)的26、29、30针脚；所述母线电流电路的输入端连接母线采样电阻(22)，其中左轮电机的母线电流电路输出端连接单片机(1)的18针脚，右轮电机的母线电流电路输出端连接单片机(1)的31针脚；
所述对比电路用于将母线电流电路的输出信号与预设值进行对比，其中左轮对比电路的输入端连接单片机(1)的18针脚，输出端连接单片机(1)的51针脚，右轮对比电路的输入端连接单片机(1)的31针脚，输出端连接单片机(1)的91针脚；
供电单元(4)，用于对电源进行变压并供给系统内各单元使用。
2.根据权利要求1所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于所述驱动电路包括：
IR2101S功率驱动器(27)，用于对电机上的三相MOS管进行驱动，驱动器(27)的2、3针脚接收PWM信号，其7、6针脚分别连接上桥臂和下桥臂的MOS管的栅极；
自举升压模块，用于提升上桥臂MOS管(25)的电压，包括升压二极管(23)和升压电容(24)，所述升压二极管(23)的正极连接电源电压，其负极连接驱动器(27)的8针脚，所述升压电容(24)的正极连接升压二极管(23)的负极，升压电容(24)的负极连接上桥臂MOS管(25)的源极。
3.根据权利要求2所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述单相采样电阻(21)的第一端与下桥臂MOS管(26)的漏极相连，第二端连接母线采样电阻(22)的第一端，所述母线采样电阻(22)的第二端接地。
4.根据权利要求1所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述采样检测模块还包括参考电路，所述参考电路用于生成参考电压，所述参考电压用于供给采样电路使用。
5.根据权利要求4所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述参考电路包括第一运算放大器(35)、第一分压电阻(31)、第二分压电阻(32)、第一保护电容(33)和第二保护电容(34)；
所述第一分压电阻(31)的第一端连接电源电压，第二端与第二分压电阻(32)的第一端相连，所述第二分压电阻(32)的第二端接地；所述第一运算放大器(35)的正向输入端与第一分压电阻(31)的第二端相连，其反向输入端与自身输出端相连，其输出端输出参考电压；所述第一保护电容(33)的正极与第一运算放大器(35)的正电源端相连，负极接地；所述第一运算放大器(35)的负电源端接地；第二保护电容(34)的正极与第一运算放大器(35)的输出端相连，负极接地。
6.根据权利要求3所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述采样电路包括第二运算放大器(315)、第一电阻(36)、第二电阻(37)、第三电阻(38)、第四电阻(39)、第五电阻(310)、第六电阻(311)、第七电阻(312)、第一电容(313)和第二电容(314)；
所述第一电阻(36)的第一端与单相采样电阻(21)相连，第二端连接第二电阻(37)的第一端；所述第二电阻(37)的第二端连接第二运算放大器(315)的正向输入端；所述第三电阻(38)的第一端连接第二电阻(37)的第二端，其第二端连接参考模块的输出端，用于向采样电路导入参考电压，并对参考电压起稳压作用；所述第一电容(313)的正极与第一电阻(36)的第二端相连，负极与第四电阻(39)的第一端相连，用于降低信号干扰；所述第四电阻(39)的第二端接地，用于防止采样电路信号失真；所述第二运算放大器(315)的输出连接第七电阻(312)的第一端，第七电阻(312)的第二端连接单片机(1)；第二运算放大器(315)的反向输出端连接第六电阻(311)的第一端，第六电阻(311)的第二端连接第七电阻(312)的第一端；所述第五电阻(310)的第一端与第四电阻(39)的第一端相连，其第二端连接第六电阻(311)的第一端；所述第二电容(314)的正极连接第七电阻(312)的第二端，其负极接地。
7.根据权利要求6所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述对比电路包括第三运算放大器(326)、第八电阻(316)、第九电阻(317)、第十电阻(318)、第十一电阻(319)、第十二电阻(320)、第三电容(321)、第四电容(322)和第五电容(325)；
所述第八电阻(316)的第一端连接母线采样电路的输出端，第二端连接第三运算放大器(326)的反向输入端；所述第九电阻(317)的第一端连接电源电压，第二端连接第三运算放大器(326)的正向输入端；所述第三运算放大器(326)的输出端连接第十电阻(318)的第一端，第十电阻(318)的第二端连接单片机(1)；所述第十一电阻(319)的第一端连接第九电阻(317)的第二端，其第二端接地；所述第三电容(321)的正极连接第八电阻(316)的第二端，其负极接地；所述第十二电阻(320)的第一端连接第十电阻(318)的第二端，其第二端连接电源电压；所述第四电容(322)的正极连接第十电阻(318)的第二端，其负极接地；所述第五电容(325)的正极连接第三运算放大器(326)的正电源端，其负极接地，第三运算放大器(326)的负电源端接地。
8.根据权利要求1所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：本控制系统还包括霍尔检测单元(5)，用于接受电机霍尔传感器发出的信号，并将结果传输至单片机(1)中，其中左轮电机的霍尔检测单元(5)连接单片机(1)的92、93、95针脚，右轮电机的霍尔检测单元(5)连接单片机(1)的23、24、25针脚。
9.根据权利要求1所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：本控制系统还包括通讯单元(6)，用于实现单片机(1)与上位机的信号交流，其信号输出端连接单片机(1)的79针脚，信号输入端连接单片机(1)的78针脚。
10.根据权利要求1所述的一种两轮机器人的直流无刷电机控制系统，其特征在于：所述供电单元(4)包括第一转换电路、第二转换电路和第三转化电路；
所述第一转换电路用于将24V电源电压转化为15V电源电压，包括LM2596-ADJ芯片(41)、第一二极管(42)、第二二极管(43)、第一储能电容(44)、第二储能电容(45)、第三储能电容(46)、第四储能电容(47)、第一电感(410)、第一缓冲电容(411)和第二缓冲电容(412)；
所述第一二极管(42)的正极连接24V工作电压，负极连接LM2596-ADJ芯片(41)的1针脚；所述第一储能电容(44)和第二储能电容(45)的正极均与第一二极管(42)的正极相连，负极均接地；所述第三储能电容(46)和第四储能电容(47)的正极均与第一二极管(42)的负极相连，其负极均接地；所述LM2596-ADJ芯片(41)的2针脚连接第一电感(410)的第一端，第一电感(410)的第二端输出15V电源电压；所述第二二极管(43)的负极连接第一电感(410)的第一端，其负极接地；所述第一缓冲电容(411)和第二缓冲电容(412)的正极均与第一电感(410)的第二端相连，负极均接地；
所述第二转换电路用于将15V电源电压转化为5V电源电压，包括LM2596-5芯片(414)、第三二极管(415)、第五储能电容(416)、第六储能电容(417)、第二电感(419)、第四缓冲电容(420)和第五缓冲电容(421)；
所述LM2596-5芯片(414)的1针脚连接15V电源电压，2针脚连接第二电感(419)的第一端，所述第二电感(419)的第二端输出5V电源电压；所述第三二极管(415)的负极与第二电感(419)的第一端相连，其正极接地；所述第四缓冲电容(420)和第五缓冲电容(421)的正极均与第二电感(419)的第二端相连，其负极均接地；
所述第三转换电路用于将5V电源电压转化为3.3V电源电压，包括LM1117-3V3芯片(422)、第七储能电容(423)、第八储能电容(424)、第六缓冲电容(425)和第七缓冲电容(426)；
所述LM1117-3V3芯片(422)的1针脚连接5V电源电压，2针脚输出3.3V电源电压；所述第七储能电容(423)和第八储能电容(424)的正极均与LM1117-3V3芯片(422)的1针脚相连，其负极均接地；所述第六缓冲电容(425)和第七缓冲电容(426)的正极均与LM1117-3V3芯片(422)的2针脚相连，其负极均接地。
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