CN110855193B - 一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，本发明的舵机传动误差输入端数据采集电路包含电源转换模块(1)、MCU运算控制模块(2)、高速CAN通信模块(3)、电机驱动输出模块(4)、霍尔、磁编码信号输入模块(5)和直流无刷电机模块(6)。该发明提出了在直流无刷电机转子末端狭小的空间内安装永磁体和微型磁编码芯片，设计了直流无刷电机转子位置检测电路，磁编码器输出转子的位置信息给MCU控制器，得到舵机输入端的位置信息，进行传动误差测量，传动误差对舵机的齿轮箱减速器迭代设计具有指导意义，提高舵机的位置定位精度。

Description

一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路
技术领域
本发明涉及一种小型机器人舵机传动误差输入端数据采集控制电路，特别是关于小型机器人关节舵机中小型直流无刷电机的控制与转子角度信息的获取电路。
背景技术
机器人关节舵机包括控制器、电机、减速器三个关键部分，小型关节舵机的减速器主要是齿轮箱减速器。舵机的位置定位精度对机器人整体性能具有至关重要作用，舵机的传动误差能够直接反映舵机的定位精度，对内部齿轮箱减速器的迭代设计具有指导作用。在测试机器人关节舵机传动误差时需要得到舵机输入端与输出端的精确的角度信息。输出端能够使用圆光栅或高精度的编码器获取，由于舵机尺寸小、结构复杂输入端的角度信息较输出端难度大。在批量生产中为了节约成本某些关节舵机的输入端使用精度较差的电位器作为定位基准，但是这种电位器的位置信息并不能满足舵机传动误差测量的要求。所以需要一种能够准确反映输入端电机转子角度信息采集系统。
测量舵机的传动误差时需要保证更换方便且不破坏舵机原有的结构，考虑替换被测舵机中原有电机与控制器，测量结束之后再将舵机还原最初状态，对被测舵机没有任何伤害。直流无刷电机相比直流有刷电机具有结构简单、效率高、寿命高、调速范围广、噪音小等优点。常用的直流无刷电机的控制方式有两种方式包括带霍尔传感器控制和无霍尔传感器，带霍尔传感器能够精确的获取换相信号，适合在传动误差测试中使用。
该发明提出了一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，使用一种集成的驱动直流无刷电机的芯片，采集直流无刷电机的霍尔信号，使用六步换相法驱动直流无刷电机，MCU输出三路PWM波便能够驱动直流无刷电机工作，使用硬件、软件双重保护驱动电路的安全。采用一种微型的磁编码芯片获取转子的位置信息，在直流无刷电机转子尾部安装永磁体，磁编码芯片垂直固定在永磁体后端约1mm的位置，永磁体随转子转动时磁场发生变化，磁编码芯片通过磁场的变化解算出转子的位置信息，转子转一周磁编码芯片可输出1024脉冲信号，MCU倍频后可得到4096个脉冲信号。MCU实时获取转子的位置信息通过PID控制电机的转速与位置。MCU通过CAN通信方式按指定时间或指定角度向上位机传送转子的位置与速度信息。该系统电路能够准确获取舵机输入端转子的位置信息，满足传动误差计算要求，且表现较好的工作特性。
发明内容
本发明的目的是为了解决测量舵机传动误差时不能准确获取输入端的位置信息的问题，在测量舵机传动误差时，为克服某些型号舵机不能准确反映输入端的位置信息的缺陷，本发明提供一种通用性强、方便拆卸、不破坏舵机原有的机构能够准确获取舵机输入端位置信息的数据采集系统。
本发明的舵机传动误差输入端数据采集电路包含电压转换模块（1）、MCU运算控制模块（2）、高速CAN通信模块（3）、电机驱动输出模块（4）、霍尔、磁编码信号输入模块（5）和直流无刷电机模块（6）。电压转换模块（1）输入端接12V直流电源，同时该直流电源接入电机驱动输出模块（4），电压转换模块（1）将外部电压转换为5V直流电压和3.3V直流电压，电压转换模块（1）的输出为MCU运算控制模块（2）、下载仿真接口、直流无刷电机模块（6）中的霍尔元件和磁编码元件供电；MCU运算控制模块（2）的输出一路接电机驱动输出模块（4）用于输出PWM波控制直流无刷电机，一路接高速CAN通信模块（3），用于将位置、速度信号反馈给上位机；MCU运算控制模块（2）的输入一路接高速CAN通信模块（3），用于接收上位机的指令；一路接电机驱动输出模块（4），用于接收驱动芯片反馈的故障信息；一路接霍尔、磁编码信号输入模块（5）（5），用于接收直流无刷电机的霍尔信号和位置信号；电机驱动输出模块（4）的输出接直流无刷电机模块（6），电机驱动输出模块（4）输出的三相电流经滤波稳流之后接入直流无刷电机的U、V、W接口驱动直流无刷电机工作；电机驱动输出模块（4）内部有错误诊断电路，出现故障时可及时停止工作并将错误信号反馈给MCU控制器，停止输出PWM波，保证电路的安全；直流无刷电机模块（6）内部装有霍尔元件，通过反馈的霍尔信号，使用六步换相法控制直流无刷电机工作，直流无刷电机转子尾部安装有永磁体，垂直永磁体约1mm的位置安装有磁编码芯片，磁编码芯片能够将转子位置信息反馈给MCU控制器，形成闭环控制，进行速度PID与位置PID调节。
电压转换模块（1）包括5V降压电路和3.3V降压电路，外部12V电源经过第二插座P2的第三/第四引脚接熔断可恢复保险丝FB1、FB2接入第一电容C1两端，第一电容C1的一端为VCCIN，另一端为GND；第四芯片U4的第八引脚和第九引脚短接后接入外部输入电源VCCIN和第十五电容C15和第十一电容C11，第十五电容C15和第十一电容的另一端接GND；第十五电容C15和第十一电容起到稳流滤波作用。第四芯片U4的第三引脚和第七电阻R7、第九电阻R9连到一起，第九电阻R9另一端接GND，第七电阻R7另一端接电源输入VCCIN，通过调整第七电阻R7和第九电阻R9分压大小，能够给第一芯片U1信号；第四芯片U4的第七引脚接第十电阻R10，第十电阻R10另一端接GND，调整第十电阻R10的大小能够调整芯片的振荡频率；U4第十一引脚/第六引脚短接后接入GND；第四芯片U4的第五引脚接第六电阻R6和第十一电阻R11，第十一电阻R11一端接GND，第六电阻R6一端接电压输出端，通过调整第六电阻和第十一电阻能够调整输出电压，霍尔元件使用的是5V电压，在此调整第六电阻和第十一电阻使输出端电压为5V；第九电容C9和第十电容C10并联，一端接电压输出端VCC5V，一端接GND，保证输出5V电压的稳定性；第十四电容C14和第十二电阻R12串联，第十四电容C14另一端接第四芯片U4的第四引脚，第十二电阻R12另一端接GND；第四芯片U4的第一引脚和第二引脚短接连接第一电感L1，第一电感L1另一端接电压输出端VCC5V；第一芯片U1的第十引脚接第五电容C5，第五电容C5的另一端接第四芯片U4的第一引脚，第四芯片U4的第十引脚和第四芯片U4的开关引脚直接需要接一个旁路电容；第一芯片U1的第一引脚和第二电容C2相连接地，第一芯片U1的第三引脚和第二电容C2另一端相连接入VCC5V电压，第二电容C2具有稳压作用；第三电容C3和第四电容C4并联，一端接GND一端接第一芯片U1的第二引脚和第四引脚，第二第四引脚输出稳定的3.3V电压。
高速CAN通信模块（3）的第二芯片U2的第一引脚与第三电阻R3连接，第三电阻R3另一端与第二电阻R2连接，第二电阻R2另一端接VCC3.3V；第二芯片U2的第四引脚与第五电阻R5连接，第五电阻R5另一端与第八电阻R8连接，第八电阻R8另一端接VCC3.3V；第十二电容C12与第十三电容C13并联，一端接VCC3.3V电压及第二芯片U2的第3引脚，另一端接GND，第十二电容C12与第十三电容C13起到滤波稳压作用；U2处理的信号CAN_H、CAN_L经第七引脚、第六引脚输出，输出信号经过第二电感L2，第二电感L2既能够抑制外部EMI信号传入，又能够衰减线路自身工作时产生的EMI信号有效的减少EMI干扰，保证CAN通信线上的数据高速稳定的传输；第二芯片U2第六引脚和第七引脚之间接入第四电阻R4；第二芯片U2第二、第八、第九引脚接GND，第五引脚接3.3V电压。
所述的第二芯片U2是ATA6561CAN通信芯片。
电机驱动输出模块（4）包括第六芯片U6的第一、第二引脚接到第二十六电容C26的两端；第六芯片U6的第三引脚接第二十七电容C27的一端，另一端接输入直流电源正极VCCIN；第六芯片U6的第四、第十一引脚接直流电源的正极VCCIN；第六芯片U6的第五、第八、第九引脚分别接第三十三电容C33、第三十四电容C34、第三十五电容C35，再分别接入第三熔断恢复保险丝FB3、第四熔断恢复保险丝FB4、第五熔断恢复保险丝FB5之后输出接入直流无刷电机，驱动直流无刷电机工作，C35/C36/C37能够滤除部分直流无刷电机相线上的杂波电流，使直流无刷电机运行更平稳，第三熔断恢复保险丝FB3、第四熔断恢复保险丝FB4、第五熔断恢复保险丝FB5能够防止输出电流过大烧坏直流无刷电机；第六芯片U6的第六/第七/第十/第十二引脚连接一起接到第十九电阻R19的一端，第十九电阻R19另一端接GND；第六芯片U6的第十三引脚接第二十电阻R20、第十八电阻R18，另一端接GND，第十八电阻R18一端接第二十八电容C28，然后接第六芯片U6的第15引脚，第二十八电容C28的另一端接GND；第六芯片U6内置的比较器，起到限流保护的作用，电阻第二十R20能够调节电压比较器的参考电压，第十三引脚是比较器的反向输入端，第十二引脚是比较器的同向输入端，通过判断输入端与输出端的电压，会在第十九引脚输出比较结果，第六芯片U6的第十九引脚接MCU的第九引脚，MCU通过扫描第九引脚的信号判读是否出现过流现象保障芯片安全工作。第六芯片U6的第十四、第十九、第二十、第二十八引脚接GND；第六芯片U6的第二十二、第二十四、第二十六引脚接第三芯片U3的第十五、第十四、第十三引脚，用于使能U6接收控制器的PWM波信号；第六芯片U6的第二十三、第二十五、第二十七引脚连接第三芯片U3的第二十/第十九/第十八引脚，用于接收控制器产生三路PWM波信号，第六芯片U6接收三路PWM波信号通过内部的逻辑电路能够自动生成相对应的互补的PWM波，六路互补对称的PWM信号控制内部集成三相全桥逆变电路便能够驱动直流无刷电机转动；第六芯片U6的第十六引脚接第二十七电阻R27，第二十七电阻R27另一端接第二十四电阻R24再接第三十二电容C32，第三十二电容C32另一端接GND，第二十四电阻R24的另一端接VCC3.3V电压，为第六芯片U6第16引脚提供一个高电平信号，第二十七电阻R27起到限流作用，当第六芯片U6的16引脚检测到外部输入为低时芯片将停止工作，当检测为高时使能芯片；第六芯片U6的第十八/第十七引脚连接一起接到第二十五电阻R25，第二十六电阻R26和第二发光二极管LED2串联，然后和第二十五电阻R25并联一段接VCC3.3V电源一段接第六芯片U6第十八/第十七引脚，正常情况第十八引脚输出高电平第二发光二极管LED2不亮，第十七引脚检测到高电平激活芯片处于工作状态，当芯片出现故障时第十八引脚输出低电平，第二发光二极管LED2发光，当第十七引脚检测到低电平时芯片会自动进入停止工作进入睡眠状态，检测到高电平时激活芯片工作，能够实现芯片一旦出现故障，立马进入睡眠功能，进一步保护芯片的安全；第三十三电容C33和第五熔断自恢复保险丝FB5相连，FB5的另一端接第五测试点TP5和第八插座接口P8的第三引脚，第三十三电容C33一端接GND，另一端接第六芯片U6的第五引脚；第三十四电感C34和第四熔断自恢复保险丝FB4相连，第四熔断自恢复保险丝FB4的另一端接第四测试点TP4和第八插座接口P8的第二引脚，第三十四电容C34一端接GND，另一接U6的第八引脚；第三十五电感C35和第三熔断自恢复保险丝FB3相连，第三熔断自恢复保险丝FB3的另一端接第三测试点TP3和第八插座接口P8的第一引脚，第三十五电容C35一端接GND，另一端接第六芯片U6的第九引脚。
所述的第六芯片U6的型号为DRV8313。
霍尔、磁编码信号输入模块（5）包括第二十一电容C21和第十五电阻R15串联，第十五电阻R15一端接VCC3.3V电压，第二十一电容C21一端接GND，另一端接MCU运算控制模块（2）中第三芯片U3的第六引脚，同时该引脚接入霍尔接口插座第五插座接口P5第一引脚，第二十一电容C21对A相霍尔信号具有滤波作用；第二十二电容C22和第十六电阻R16串联，第十六电阻R16一端接VCC3.3V电压，第二十二电容C22一端接GND，另一端接第三芯片U3的第七引脚，同时该引脚接入第五插座接口P5第二引脚，第二十二电容C22对B相霍尔信号具有滤波作用；第二十三电容C23和第十七电阻R17串联，第十七电阻R17一端接VCC3.3V电压，第二十三电容C23一端接GND，另一端接第三芯片U3的第八引脚，同时该引脚接第五插座接口P5第三引脚，第二十三电容C23对Z相霍尔信号具有滤波作用；第五插座接口P5的第四引脚第五引脚分别接VCC5V电压和GND。
直流无刷电机模块（6）主要包括直流无刷电机、霍尔元件、永磁体和微型磁编码器电路；霍尔元件为控制器提供换相信号，转子末端的永磁体和微型磁编码电路为控制器提供精确的转子位置信息；第二十四电容C24和第二十五C25电容并联接入第五芯片U5的第十三引脚和VCC3.3V电源，电容另一端接地；第五芯片U5第七/第四/第十二/第五引脚是SPI通信引脚接口；第十七/第八引脚短接接地；第十六引脚连接第十八电容C18再接入VCC3.3V电源，电容另一端接地；第二十九电容C29和第二十一电阻R21串联，二十一电阻R21一端接VCC3.3V电源，第二十九电容C29一端接GND，第二十一电阻R21和第二十九电容C29连接端接第五芯片U5的第二引脚，同时该引脚接入磁编码接口插座第三插座接口P3第二引脚，第二十九电容C29对A相位置信号具有滤波作用；第三十电容C30和第二十二电阻R22串联，第二十二电阻R22一端接VCC3.3V电源，第三十电容C30一端接GND，第二十二电阻R22和第三十电容C30连接端接第五芯片U5的第六引脚，同时该引脚接入第三插座接口P3第三引脚，第三十电容C30对B相位置信号具有滤波作用；第三十一电容C31和第二十三电阻R23串联，第二十三电阻R23一端接VCC3.3V电源，第三十一电容C31一端接GND，第二十三电阻R23和第三十一电容C31连接端接第五芯片U5的第三引脚，同时该引脚接入第三插座接口P3第四引脚，第三十一电容C31对Z相位置信号具有滤波作用；第三插座接口P3的第一引脚接VCC3.3V电压，第五引脚接GND。
本发明具有如下有益效果：
（1）该发明提出了在直流无刷电机转子末端狭小的空间内安装永磁体和微型磁编码芯片，设计了直流无刷电机转子位置检测电路，磁编码器输出转子的位置信息给MCU控制器，得到舵机输入端的位置信息，进行传动误差测量，传动误差对舵机的齿轮箱减速器迭代设计具有指导意义，提高舵机的位置定位精度。
（2）该发明提出了利用DRV8313的特点设计了直流无刷电机驱动电路，DRV8313内部集成了三相全桥逆变电路，MCU主控芯片输出三路PWM波信号，DRV8313内部硬件逻辑电路自动生成与之对用互补对称的PWM波，驱动三相全桥逆变电路，控制直流无刷电机工作，使直流无刷电机驱动电路更为简洁可靠。通过DRV8313内部的过流保护电路，避免过流对芯片造成的损坏，使用硬件软件多重保护，保障驱动电路的安全可靠工作。
（3）通过STM32F0控制器读取磁编码器的位置信号，可进行PID计算形成速度环、位置环控制。根据测量需求能够按设置时间或按设置的角度通过CAN通信模块高速稳定的输出舵机输入端的位置信息。CAN通信输出端使用共模电感有效的抑制系统电路中的EMI信号传入以及自身产生的EMI信号，保证数据高速稳定的传输。
（4）该发明电路采用有效的隔离设计，当电源故障后能够有效的避免对系统电路和直流无刷电机的损害。实现外部供电的高压和控制电路的低压安全隔离，有效的保障电路中安全。
（5）该发明电路采用有效的滤波设计，在电机驱动输出端采用滤波设计能够有效的滤除相电流的高频信号，提高输出相电流的输出平稳性。霍尔信号采样电路与磁编码器采样电路中对采样信号滤波能够保证输入的信号稳定可靠。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统模块电路连接图。
图2是本发明的电源降压电路图。
图3是本发明的MCU运算控制电路图。
图4是本发明的高速CAN通信电路图。
图5是本发明的直流无刷电机驱动电路图。
图6是本发明的霍尔、磁编码信号的输入接口电路图。
图7是直流无刷电机尾部磁编码电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制系统，包括电源转换模块（1）、MCU运算控制模块（2）、高速CAN通信模块（3）、电机驱动输出模块（4）、霍尔、磁编码信号输入模块（5）、直流无刷电机模块（6）。
直流12V电压经熔断可恢复保险丝之后接入电源转换模块（1），输出直流5V电压，直流5V电压经过DC-DC低压转换芯片之后输出3.3V电压，输出的电压为MCU运算控制模块（2）供电，直流无刷电机尾部的磁编码器模块（6）供电，仿真下载接口供电，输入的直流12V电压为电机驱动输出模块供电；MCU运算控制模块（2）通过采集三相霍尔信号输出三路PWM波，控制电机驱动输出模块（4），同时电机驱动输出模块（4）中的驱动芯片会反馈故障信息给MCU运算控制模块（2），当接收到故障信号后立刻停止输出PWM波，保证电路安全；电机驱动输出模块（4）中内部集成的逻辑电路能够将3路PWM波信号变为6路互补对称的PWM信号，驱动内部的三相全桥逆变电路，输出的三路控制信号经滤波电路处理之后驱动直流无刷电机转动；电机驱动输出模块（4）具有硬件保护电路，一旦芯片工作出现故障，随机使芯片处于休眠状态，停止工作保障电路安全；直流无刷电机模块（6）中的直流无刷电机尾部带有磁编码器采样电路，在电机转子的尾部安装一个永磁体，转子转动时磁场发生变化磁编码芯片根据磁场变化获得转子的位置信息，转子转一圈磁编码芯片能够输出1024个脉冲信号；霍尔、磁编码信号输入模块（5）采样直流无刷电机模块（6）的霍尔信号和磁编码信号反馈给MCU运算控制模块（2），通过三相霍尔信号使用六步换相法控制直流无刷电机转动，通过磁编码器的位置信号使用PID控制直流无刷电机的转速与位置；MCU运算控制模块（2）将转子的速度与位置信息通过高速CAN通信模块（3）将位置信号和速度信号反馈给上位机，便可得到转子的位置信息，为计算舵机的传动误差提供输入端的角度信息。
如图2所示，电源转换模块（1）包括外部直流电压经第二插座P2的第四引脚正极，第三引脚负极接入第一/第二熔断恢复保险丝FB1/FB2，第一电容C1两端分别接FB1/FB2，FB1端接入VCCIN，FB2端接入GND；第十五电容C15和第十一电容C11并联一端接入VCCIN，一端接入GND，其中C15是极性电容，C15、C11起到稳流和滤波作用；电源降压芯片U4的第八引脚和第九引脚短接接入VCCIN端；第七电阻R7和第九电阻R9串联，R7和R9连接端接入U4的第三引脚，通过调整R7和R9的阻值大小可使能/失能芯片工作；U4的第七引脚接入第十电阻R10一端，R10另一端接地；U4第十一/第六引脚短接后接GND；第五电容C5和第一电感L1串联，C5和L1连接点接入U4的第一引脚，U4的第二引脚和第一引脚短接，C5的另一端接U1第十引脚，C5作为U4第十引脚和开关引脚之间的旁路电容，L1的另一端是降压之后的输出电压；第六电阻R6和第十一电阻R11串联，串联的中间节点接入U4的第五引脚，R6的另一端接输出电压，R11的另一端接GND，调整R6和R11的大小能够调整降压输出芯片电压的大小，本例输出的电压为5V；第十四电感C14和第十二R12电阻串联，C14另一端接U4的第四引脚，R12的另一端接GND，第九电容C9和第十电容C10并联，一端接VCC5V输出电压，一端接GND，C9和C10起到滤波和稳流作用；输出的5V电压VCC5V接U1的第三引脚，U1的第一引脚接GND，第二电容C2一端接U1第三引脚，另一端接U1第一引脚；U1第二/第四引脚短接输出3.3V电压，第三电容C3和第四电容C4并联，一端接输出的3.3V电压VCC3.3V，另一端接地，其中C3是极性电容；第十三电阻R13和第一二极管LED1串联，R13一端接VCC3.3V，D1一端接GND，LED1用来判断系统电源电路是否正常工作。
所述的U4芯片型号为MP4560，U1的芯片为ASM1117-3.3V。
如图3所示，MCU运算控制模块（2）包括系统下载仿真接口和U3的最小系统电路。
如图4所示，高速CAN通信模块（3）包括从MCU运算控制模块（2）输出的CANTX信号和CANRX信号，CANTX信号接第三电阻R3，R3另一端接U2的第1引脚，CANRX信号接第五电阻R5，R5另一端接U2的第4引脚，CANRX和CANTX信号需要接上拉电阻R2和R8；VCC3.3V电源接U2的第三/第五引脚，第十二电容C12/第十三电容C13/第七电容C7并联，一端接U2的第三第五引脚另一端接GND；共模电感L2的第二/第三引脚接U2的第七/第六引脚，终端电阻R4接入L2的第二/第三引脚，L2的第一/第四引脚高速稳定的输出直流无刷电机速度、位置信息。
所述的芯片U2型号为ATA6561CAN通信芯片。
电机驱动输出模块（4）包括第十九电容C19和第二十电容C20并联一端接VCCIN，另一端接GND，C19、C20起到稳流滤波作用，其中C19是极性电容；第六芯片U6的第一、第二引脚接到第二十六电容C26的两端；U6的第三引脚接第二十七电容C27的一端，另一端接输入直流电源正极VCCIN；U6的第四、第十一引脚接直流电源的正极，给系统供电；U6的第五/第八/第九引脚分别接第三十五电容C35、第三十四电容C34、第三十三电容C33，再接入熔断恢复保险丝FB3/FB4/FB5后分别接直流无刷电机相线接口插座P8的第一/第二/第三引脚，输出方波电流，驱动直流无刷电机工作，C33/C34/C35能够滤除部分直流无刷电机相线上的杂波电流，FB3/FB4/FB5能够防止输出电流过大烧坏直流无刷电机；U6的第六/第七/第十/第十二引脚连接一起接到第十九电阻R19，R19另一端接GND；U6的第十三引脚接第十八/第二十电阻R18/R20，R20另一端接GND，R18一端接第二十八电容C28，然后接U6的第十五引脚，C28的另一端接GND；U6内置的比较器可起到限流保护芯片的作用，调节电阻R20能够调节电压比较器的参考电压，第十三引脚是比较器的反向输入端，第十二引脚是比较器的同向输入端，第十九引脚是比较输出端，通过判断输入端的电压会在第十九引脚输出比较结果，MCU通过读取第十九引脚的信号判读是否出现过流现象及时停止工作。U6的第二十/第二十八接引脚接GND；U6的第二十二/第二十四/第二十六引脚接第二芯片U2的第十五/第十四/第十三引脚，用于使能U6接收控制器的PWM波信号；U6的第二十三/第二十五/第二十七引脚连接U3的第二十/第十九/第十八引脚，用于接收控制器产生三路PWM波信号，U6接收三路PWM波信号通过内部的逻辑电路能够自动生成相对应的互补的PWM波，经过内部集成三相全桥逆变电路驱动直流无刷电机转动；U6的第十六引脚接第二十七电阻R27，R27另一端接第二十四电阻R24再接第三十二电容C32，C32另一端接GND，R24另一端接VCC3.3V，R24是上拉电阻为U6第16引脚提供一个高电平信号，R27起到限流作用，当U6的16引脚检测到外部输入为低时芯片将停止工作，当检测为高时使能芯片工作；U6的第十八/第十七引脚连接一起接到第二十五电阻R25，第二十六电阻R26和第二发光二极管LED2串联，然后和R25并联，R25一段接VCC3.3V一段接U6第十八/第十七引脚，第十八/第十七引脚接收到高电平信号，当芯片出现故障时第十八引脚输出低电平，当第十七引脚检测到低电平时芯片会自动进入停止工作进入睡眠状态保护芯片，检测到高电平时激活睡眠状态，能够实现芯片一旦出现故障，立马进入睡眠功能，进一步保护芯片的安全，当芯片出现故障时LED2工作，给使用者一个报警信号，U6第十八/第十七引脚接入MCU运算控制模块（2）第十二引脚，当第十二引脚检测到低电平时MCU停止输出PWM波进一步保障芯片的安全。
所述的芯片U6的型号为DRV8313。
霍尔、磁编码信号输入模块（5）包括第五插座P5接直流无刷电机的霍尔信号，第十五电阻R15和第二十一电容C21串联，串联的公共端接P5第一引脚，R15另一端接VCC5V，起上拉作用，C21另一端接地，对霍尔信号具有滤波作用；第十六电阻R16和第二十二电容C22串联，串联的公共端接P5第二引脚，R16另一端接VCC5V，起上拉作用，C22另一端接地，对霍尔信号具有滤波作用；第十七电阻R17和第二十三电容C23串联，串联的公共端接P5第三引脚，R17另一端接VCC5V，起上拉作用，C23另一端接地，对霍尔信号具有滤波作用；
第五电阻R5和第十二电容C12串联，串联的公共端接P3第二引脚，R5另一端接VCC5V，起上拉作用，C13另一端接地，对霍尔信号具有滤波作用；第七电阻R7和第十三电容C13串联，串联的公共P5的第一/第二/第三引脚接入U3的第六/第七/第八引脚，用于采集霍尔信号，控制直流无刷电机转动；P5的第四/第五引脚分别接GND、VCC5V；第七插座P7接直流无刷电机的磁编码器信号，第一引脚接VDD3.3，第五引脚接GND，第二/第三/第四引脚分别接直流无刷电机中磁编码的A、B、Z信号，再接入U3的第二十七/第二十八/第二十六引脚，用于获取转子的位置、速度信息。
直流无刷电机磁编码控制模块（6）包括永磁体和微型磁编码控制电路；永磁体固定在直流无刷电机转子尾部，微型磁编码芯片垂直安装在永磁体后端具永磁体约1mm左右，磁编码芯片通过感应外部永磁体的磁场解算出转子的位置信息，通过磁编码信号线引出外接MCU控制器；直流无刷电机外接线包括U、V、W三相控制线、霍尔信号线、磁编码信号线三组；第二十四电容C24/第二十五电容C25并联一端接VCC3.3V和U5的第十三引脚，另一端接GND；第十七/第十八引脚短接后接GND；第十八电容C18一端接GND另一端接U5第十六引脚和VCC3.3V；第二十一电阻R21和第二十九电容C29串联，串联的公共端接U5第二引脚，再接入第三插座P3第二引脚，R21另一端接VCC3.3V，起上拉作用，C29另一端接地，对磁编码信号具有滤波作用；第二十二电阻R22和第三十电容C30串联，串联的公共端接U5第六引脚，再接入P3第三引脚，R22另一端接VCC3.3V，起上拉作用，C30另一端接地，对磁编码信号具有滤波作用；第二十三电阻R23和第三十一电容C31串联，串联的公共端接U5第三引脚，再接第P3第四引脚，R23另一端接VCC3.3V，起上拉作用，C31另一端接GND，对磁编码信号具有滤波作用；从直流无刷电机内部引出的三相霍尔信号分别接第四插座P4的第一/第二/第三引脚，P4的第四引脚接GND，第五引脚接VCC5V；直流无刷电机的三相U、V、W电源线分别接第六插座P6的第一/第二/第三引脚。
所述微型磁编码芯片U5为MA302。

Claims (7)

1.一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：包含电压转换模块（1）、MCU运算控制模块（2）、高速CAN通信模块（3）、电机驱动输出模块（4）、霍尔、磁编码信号输入模块（5）和直流无刷电机模块（6）；
电压转换模块（1）输入端接12V直流电源，同时该直流电源接入电机驱动输出模块（4），电压转换模块（1）将外部电压转换为5V直流电压和3.3V直流电压，电压转换模块（1）的输出为MCU运算控制模块（2）、下载仿真接口、直流无刷电机模块（6）中的霍尔元件和磁编码元件供电；MCU运算控制模块（2）的输出一路接电机驱动输出模块（4）用于输出PWM波控制直流无刷电机，一路接高速CAN通信模块（3），用于将位置、速度信号反馈给上位机；MCU运算控制模块（2）的输入一路接高速CAN通信模块（3），用于接收上位机的指令；一路接电机驱动输出模块（4），用于接收驱动芯片反馈的故障信息；一路接霍尔、磁编码信号输入模块（5），用于接收直流无刷电机的霍尔信号和位置信号；电机驱动输出模块（4）的输出接直流无刷电机模块（6），电机驱动输出模块（4）输出的三相电流经滤波稳流之后接入直流无刷电机的U、V、W接口驱动直流无刷电机工作；电机驱动输出模块（4）内部有错误诊断电路，出现故障时可及时停止工作并将错误信号反馈给MCU控制器，停止输出PWM波，保证电路的安全；直流无刷电机模块（6）内部装有霍尔元件，通过反馈的霍尔信号，使用六步换相法控制直流无刷电机工作，直流无刷电机转子尾部安装有永磁体，垂直永磁体1mm的位置安装有磁编码芯片，磁编码芯片能够将转子位置信息反馈给MCU控制器，形成闭环控制，进行速度PID与位置PID调节；电机驱动输出模块（4）包括第六芯片U6的第一、第二引脚接到第二十六电容C26的两端；第六芯片U6的第三引脚接第二十七电容C27的一端，另一端接输入直流电源正极VCCIN；第六芯片U6的第四、第十一引脚接直流电源的正极VCCIN；第六芯片U6的第五、第八、第九引脚分别接第三十三电容C33、第三十四电容C34、第三十五电容C35，再分别接入第三熔断恢复保险丝FB3、第四熔断恢复保险丝FB4、第五熔断恢复保险丝FB5之后输出接入直流无刷电机，驱动直流无刷电机工作，C35/C36/C37能够滤除部分直流无刷电机相线上的杂波电流，使直流无刷电机运行更平稳，第三熔断恢复保险丝FB3、第四熔断恢复保险丝FB4、第五熔断恢复保险丝FB5能够防止输出电流过大烧坏直流无刷电机；第六芯片U6的第六/第七/第十/第十二引脚连接一起接到第十九电阻R19的一端，第十九电阻R19另一端接GND；第六芯片U6的第十三引脚接第二十电阻R20、第十八电阻R18，另一端接GND，第十八电阻R18一端接第二十八电容C28，然后接第六芯片U6的第15引脚，第二十八电容C28的另一端接GND；第六芯片U6内置的比较器，起到限流保护的作用，电阻第二十R20能够调节电压比较器的参考电压，第十三引脚是比较器的反向输入端，第十二引脚是比较器的同向输入端，通过判断输入端与输出端的电压，会在第十九引脚输出比较结果，第六芯片U6的第十九引脚接MCU的第九引脚，MCU通过扫描第九引脚的信号判读是否出现过流现象保障芯片安全工作；第六芯片U6的第十四、第十九、第二十、第二十八引脚接GND；第六芯片U6的第二十二、第二十四、第二十六引脚接第三芯片U3的第十五、第十四、第十三引脚，用于使能U6接收控制器的PWM波信号；第六芯片U6的第二十三、第二十五、第二十七引脚接第三芯片U3的第二十/第十九/第十八引脚，用于接收控制器产生三路PWM波信号，第六芯片U6接收三路PWM波信号通过内部的逻辑电路能够自动生成相对应的互补的PWM波，六路互补对称的PWM信号控制内部集成三相全桥逆变电路便能够驱动直流无刷电机转动；第六芯片U6的第十六引脚接第二十七电阻R27，第二十七电阻R27另一端接第二十四电阻R24再接第三十二电容C32，第三十二电容C32另一端接GND，第二十四电阻R24的另一端接VCC3.3V电压，为第六芯片U6第16引脚提供一个高电平信号，第二十七电阻R27起到限流作用，当第六芯片U6的16引脚检测到外部输入为低时芯片将停止工作，当检测为高时使能芯片；第六芯片U6的第十八/第十七引脚连接一起接到第二十五电阻R25，第二十六电阻R26和第二发光二极管LED2串联，然后和第二十五电阻R25并联一段接VCC3.3V电源一段接第六芯片U6第十八、第十七引脚，正常情况第十八引脚输出高电平第二发光二极管LED2不亮，第十七引脚检测到高电平激活芯片处于工作状态，当芯片出现故障时第十八引脚输出低电平，第二发光二极管LED2发光，当第十七引脚检测到低电平时芯片会自动进入停止工作进入睡眠状态，检测到高电平时激活芯片工作，能够实现芯片一旦出现故障，立马进入睡眠功能，进一步保护芯片的安全；第三十三电容C33和第五熔断自恢复保险丝FB5相连，FB5的另一端接第五测试点TP5和第八插座接口P8的第三引脚，第三十三电容C33一端接GND，另一端接第六芯片U6的第五引脚；第三十四电感C34和第四熔断自恢复保险丝FB4相连，第四熔断自恢复保险丝FB4的另一端接第四测试点TP4和第八插座接口P8的第二引脚，第三十四电容C34一端接GND，另一接U6的第八引脚；第三十五电感C35和第三熔断自恢复保险丝FB3相连，第三熔断自恢复保险丝FB3的另一端接第三测试点TP3和第八插座接口P8的第一引脚，第三十五电容C35一端接GND，另一端接第六芯片U6的第九引脚。
2.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：电压转换模块（1）包括5V降压电路和3.3V降压电路，外部12V电源经过第二插座P2的第三/第四引脚接熔断可恢复保险丝FB1、FB2接入第一电容C1两端，第一电容C1的一端为VCCIN，另一端为GND；第四芯片U4的第八引脚和第九引脚短接后接入外部输入电源VCCIN和第十五电容C15和第十一电容C11，第十五电容C15和第十一电容的另一端接GND；第十五电容C15和第十一电容起到稳流滤波作用；第四芯片U4的第三引脚和第七电阻R7、第九电阻R9连到一起，第九电阻R9另一端接GND，第七电阻R7另一端接电源输入VCCIN，通过调整第七电阻R7和第九电阻R9分压大小，能够给第一芯片U1信号；第四芯片U4的第七引脚接第十电阻R10，第十电阻R10另一端接GND，调整第十电阻R10的大小能够调整芯片的振荡频率；U4第十一引脚/第六引脚短接后接入GND；第四芯片U4的第五引脚接第六电阻R6和第十一电阻R11，第十一电阻R11一端接GND，第六电阻R6一端接电压输出端，通过调整第六电阻和第十一电阻能够调整输出电压，霍尔元件使用的是5V电压，在此调整第六电阻和第十一电阻使输出端电压为5V；第九电容C9和第十电容C10并联，一端接电压输出端VCC5V，一端接GND，保证输出5V电压的稳定性；第十四电容C14和第十二电阻R12串联，第十四电容C14另一端接第四芯片U4的第四引脚，第十二电阻R12另一端接GND；第四芯片U4的第一引脚和第二引脚短接连接第一电感L1，第一电感L1另一端接电压输出端VCC5V；第一芯片U1的第十引脚接第五电容C5，第五电容C5的另一端接第四芯片U4的第一引脚，第四芯片U4的第十引脚和第四芯片U4的开关引脚直接需要接一个旁路电容；第一芯片U1的第一引脚和第二电容C2相连接地，第一芯片U1的第三引脚和第二电容C2另一端相连接入VCC5V电压，第二电容C2具有稳压作用；第三电容C3和第四电容C4并联，一端接GND一端接第一芯片U1的第二引脚和第四引脚，第二第四引脚输出稳定的3.3V电压。
3.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：高速CAN通信模块（3）的第二芯片U2的第一引脚与第三电阻R3连接，第三电阻R3另一端与第二电阻R2连接，第二电阻R2另一端接VCC3.3V；第二芯片U2的第四引脚与第五电阻R5连接，第五电阻R5另一端与第八电阻R8连接，第八电阻R8另一端接VCC3.3V；第十二电容C12与第十三电容C13并联，一端接VCC3.3V电压及第二芯片U2的第3引脚，另一端接GND，第十二电容C12与第十三电容C13起到滤波稳压作用；U2处理的信号CAN_H、CAN_L经第七引脚、第六引脚输出，输出信号经过第二电感L2，第二电感L2既能够抑制外部EMI信号传入，又能够衰减线路自身工作时产生的EMI信号有效的减少EMI干扰，保证CAN通信线上的数据高速稳定的传输；第二芯片U2第六引脚和第七引脚之间接入第四电阻R4；第二芯片U2第二、第八、第九引脚接GND，第五引脚接3.3V电压。
4.根据权利要求3所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：所述的第二芯片U2是ATA6561CAN通信芯片。
5.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：所述的第六芯片U6的型号为DRV8313。
6.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：霍尔、磁编码信号输入模块（5）包括第二十一电容C21和第十五电阻R15串联，第十五电阻R15一端接VCC3.3V电压，第二十一电容C21一端接GND，另一端接MCU运算控制模块（2）中第三芯片U3的第六引脚，同时该引脚接入霍尔接口插座第五插座接口P5第一引脚，第二十一电容C21对A相霍尔信号具有滤波作用；第二十二电容C22和第十六电阻R16串联，第十六电阻R16一端接VCC3.3V电压，第二十二电容C22一端接GND，另一端接第三芯片U3的第七引脚，同时该引脚接入第五插座接口P5第二引脚，第二十二电容C22对B相霍尔信号具有滤波作用；第二十三电容C23和第十七电阻R17串联，第十七电阻R17一端接VCC3.3V电压，第二十三电容C23一端接GND，另一端接第三芯片U3的第八引脚，同时该引脚接第五插座接口P5第三引脚，第二十三电容C23对Z相霍尔信号具有滤波作用；第五插座接口P5的第四引脚第五引脚分别接VCC5V电压和GND。
7.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：直流无刷电机模块（6）主要包括直流无刷电机、霍尔元件、永磁体和微型磁编码器电路；霍尔元件为控制器提供换相信号，转子末端的永磁体和微型磁编码电路为控制器提供精确的转子位置信息；第二十四电容C24和第二十五C25电容并联接入第五芯片U5的第十三引脚和VCC3.3V电源，电容另一端接地；第五芯片U5第七/第四/第十二/第五引脚是SPI通信引脚接口；第十七/第八引脚短接接地；第十六引脚连接第十八电容C18再接入VCC3.3V电源，电容另一端接地；第二十九电容C29和第二十一电阻R21串联，二十一电阻R21一端接VCC3.3V电源，第二十九电容C29一端接GND，第二十一电阻R21和第二十九电容C29连接端接第五芯片U5的第二引脚，同时该引脚接入磁编码接口插座第三插座接口P3第二引脚，第二十九电容C29对A相位置信号具有滤波作用；第三十电容C30和第二十二电阻R22串联，第二十二电阻R22一端接VCC3.3V电源，第三十电容C30一端接GND，第二十二电阻R22和第三十电容C30连接端接第五芯片U5的第六引脚，同时该引脚接入第三插座接口P3第三引脚，第三十电容C30对B相位置信号具有滤波作用；第三十一电容C31和第二十三电阻R23串联，第二十三电阻R23一端接VCC3.3V电源，第三十一电容C31一端接GND，第二十三电阻R23和第三十一电容C31连接端接第五芯片U5的第三引脚，同时该引脚接入第三插座接口P3第四引脚，第三十一电容C31对Z相位置信号具有滤波作用；第三插座接口P3的第一引脚接VCC3.3V电压，第五引脚接GND。
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