CN205304659U - 一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，包括BTN7971功率驱动电路、隔离型电源管理模块、光耦数字隔离单元、基于STM32的微控制器<i>电路</i>、锂电池组电源、数字控制电路电源、串口及CAN通讯接口、编码器及其接口电路。本实用新型中的电路安全可靠，控制快速准确，通过强电、弱电之间的隔离，模拟、数字之间的隔离，电路板上系统具有完整性较好、信噪比较低的信号传递，防瞬态冲击保护的功能；通过高速光耦作为数字隔离器件可以实现刷式直流电机的单、双极性驱动，具有适用电机范围广、适用环境宽的优点；选用的微控制器专门做成一块顶板，可以直接插拔，复用性高且电路可靠性高，工作稳定。

Description

一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器

技术领域

本实用新型属于电机控制技术领域，尤其涉及一种带有全隔离功能的刷式直流伺服电机驱动电路。

背景技术

在电气时代的今天，电动机在现代化的许多生产、生活方面中起着十分重要的作用，如：工业生产、交通运输、国防、航空航天、机器人技术、运动控制技术、医疗卫生、办公设备等方面。资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机。随着现代化步伐的迈进，自动化的需求越来越高，而电机的复杂控制成为一项系统工程技术，应用领域极为广泛。例如：军事方面的雷达天线、火炮系统、飞船光电池对太阳的跟踪控制，数控机床等各类工业设备。人们对各类电机的驱动、控制方法一直在不断研究中，目前形成了数字与模拟混合控制系统和纯数字控制系统的应用，而功率驱动器件也经历了几次比较大的变革，电机本身的原理设计，制造工艺都在不断的进步中。

实用新型内容

针对背景技术存在的问题，本实用新型提供一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，包括：BTN7971功率驱动电路、隔

离型电源管理模块、光耦数字隔离单元、基于STM32的微控制器电路、锂电池组电源、数字控制电路电源、串口及CAN通讯接口、编码器及其接口电路；

基于STM32的微控制器电路、光耦数字隔离单元、BTN7971功率驱动电路依次连接，锂电池组电源、隔离型电源管理模块、数字控制电路电源依次连接，锂电池组电源与BTN7971功率驱动电路连接，数字控制电路电源通过串口及CAN通讯接口与基于STM32的微控制器电路连接，编码器及其接口电路与基于STM32的微控制器电路连接。

所述的BTN7971功率驱动电路包括元件U5、U7、R22，分别为左半桥功率驱

动器件、右半桥功率驱动器件及高精度20毫欧电流采样电阻，U5和U7均由BTN7971芯片实现，R22连接U5、U7的地引脚与锂电池组电源的地引脚，通过电机的电流都通过R22。

所述的隔离型电源管理模块包括元件U4，去耦电容C14、C15，电感L1、L2。

所述的光耦数字隔离单元模包括元件opt1、opt2、opt3及限流电阻R20、R15、

R14，输出端上拉电阻R21、R17、R16；元件opt1、opt2、opt3均为高速光耦器件，型号为TLP113。

所述的基于STM32的微控制器电路包括主控芯片、晶振及复位电路、SWD下

载调试接口、状态指示灯，2mm间距接口座子。

所述的串口及CAN通讯接口包括元件U3，去耦电容C16，MX3.00mm2脚座子。

本实用新型与传统的刷式直流电机驱动器相比，具有以下优点和有益效果：

（1）电路安全可靠，控制快速准确，可以利用现有的三环嵌套的PID算法达到优秀的加、减速动态性能及恒速、锁死的静态性能。

（2）通过强电、弱电之间的隔离，模拟、数字之间的隔离，电路板上系统具有完整性较好、信噪比较低的信号传递，防瞬态冲击保护的功能。

（3）通过高速光耦作为数字隔离器件可以实现刷式直流电机的单、双极性驱动，具有适用电机范围广、适用环境宽的优点。

（4）选用的微控制器具有编程、调试方便，专门做成一块顶板，可以直接插拔，复用性高且电路可靠性高，工作稳定。

（5）具有串口通讯、CAN通讯的接口，接口丰富可以方便的与其它设备之间做通讯，具有稳定可靠的通讯接口。

附图说明

图1是本实用新型的BTN7971功率驱动电路原理图；

图2是本实用新型的隔离型电源管理模块电路原理图；

图3是本实用新型的光耦数字隔离单元电路原理图；

图4是本实用新型的基于STM32的微控制器电路原理图；

图5是本实用新型的串口及CAN通讯接口电路原理图；

图6是本实用新型的平面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。

如图6所示，本实用新型包括：BTN7971功率驱动电路、隔离型电源管理模块、光耦数字隔离单元、基于STM32的微控制器电路、串口及CAN通讯接口模块。其中基于STM32的微控制器电路作为顶层电路板，其它部分作为底层电路板，两板用2mm座子连接。本实用新型采用两片BTN7971搭建全H桥并通过光耦数字隔离单元以光隔离的形式实现脉宽调制（PWM）数字控制信号与BTN7971强电部分控制信号之间的全隔离，隔离型电源管理模块采用隔离型DC-DC芯片WRB2405CS实现强弱电源间的隔离，采用高带宽隔离放大器实现对采样电阻上的微弱电压进行隔离放大并通过STM32进行AD转换来测量电机电流并反馈至微控制器，采用编码器接口电路实现对电机转速、位置传感并反馈至微控制器，采用CAN通讯芯片及接口电路实现与其它控制装置之间的信息通讯，并通过现有的数字PID算法可以完成对直流伺服电机的“位置”、“速度”、“电流”三环嵌套PID数字控制算法。

见图1，本实用新型的功率驱动电路部分主要包括元件U5、U7、R22，分别为左半桥功率驱动器件、右半桥功率驱动器件及高精度20毫欧电流采样电阻，两片BTN7971同时构成全H桥可以实现对刷式直流电机的四象限控制。

单极性驱动时：通过STM32微控制器的定时器单元在GPIOA的PA1引脚产生PWM信号经光耦隔离后，即为图1中INH所接信号Coupl_PA1来控制BTN7971的使能及失能---即控制功率驱动器件BTN7971输出与否。而微控制器的PA2、PA3引脚设置为普通IO，经光耦隔离后分别控制U5、U7的IN引脚，即控制U5、U7半桥的输出为高或者为低。

双极性驱动时：通过STM32微控制器的定时器单元在GPIOA的PA2、PA3引脚产生PWM信号经光耦隔离后，即为图1中U5、U7的IN引脚所接信号Coupl_PA2、Coupl_PA3来控制BTN7971的低边导通或高边导通--即控制功率驱动器件BTN7971输出高电压还是低电压。而微控制器的PA1引脚设置为普通IO，经光耦隔离后控制U5、U7的INH引脚，即控制U5、U7使能与失能，正常使用时将其设为使能即可。

R22作为电流采样电阻连接U5、U7的器件地引脚与锂电池组的地引脚，驱动电机的电流都将经过采样电阻R22并在其上产生一个电压差，该电压差通过隔离放大器放大后经微控制器的AD采样进而计算出此时流过电机电枢的电流。微控制器通过数字PID算法计算脉宽调制（PWM）信号的占空比从而控制电机电枢端电压的大小来调节电机的转速、转矩，实现刷式直流电机的四象限控制。

综上所述即为功率驱动部分的工作原理。

见图2，本实用新型装置的隔离型电源管理电路部分主要包括元件U4，去耦电容C14、C15，电感L1、L2。元件U4为隔离型DC-DC芯片，型号为WRB2405CS，通过其将锂电池组的24V电压转换为数字控制部分需要的5V低压，并与原24V电压进行了隔离，VIN引脚的去耦电容C14可以保证其输入引脚2上的电压稳定，且串联电感L1同时可以保持流入输入引脚2的电流保持恒定，保证了输入端的电源完整性，输出端串联电感L2具有保持输出电流恒定，抑制电流尖峰、纹波等的效果，并联电容C15选用等效串联电感较小的钽电容，可以起到保持输出电压稳定，抑制输出电压纹波、尖峰等的效果，两元件同时工作保证了输出端电源的完整性，使后级微控制器电路、通讯电路等数字逻辑部分得到稳定的电源供应，增大了整个板上电路系统的稳定性、可靠性。

综上所述即为隔离型电源管理部分的工作原理。

见图3，本实用新型装置的光耦数字隔离电路部分主要包括元件opt1、opt2、opt3、均为高速光耦器件，型号为TLP113，及限流电阻R20、R15、R14，输出端上拉电阻R21、R17、R16。高速光耦用来实现微控制器GPIO口与功率驱动器件控制引脚间的数字信号隔离、耦合，起到保护弱电控制电路部分的功能，极大的提高了电路系统的安全性，保证了弱电控制部分电路的安全性、稳定性。

综上所述即为光耦数字隔离电路部分的工作原理。

见图4，本实用新型装置的微控制器电路部分主要包括主控芯片部分，晶振、复位部分，SWD下载调试接口部分，状态指示LED部分，2mm间距接口座子部分。主控芯片为32位微控制器STM32F103VCT6，该主控芯片工作在72MHz主频，1.25DMIPS/MHz，具有256KBFlash，64KBSRAM，3.3V电压下工作，高达80个GPIO，11个Timers定时器单元，工作频率可达72MHz，3*12Bit1usADC数模转换单元，12通道DMA，支持JTAG/SWD调试，具有CAN、USART通讯等功能接口，具有编程、调试方便，功耗低、处理能力强、外设模块多的优点，适用于此全隔离式刷式直流电机驱动板。主控芯片作为顶板采用2mm间距座子与底板相连，具有可插拔，方便替换的优点。

综上所述即为微控制器电路部分的工作原理。

见图5，本实用新型装置的CAN通讯电路部分主要包括元件U3，去耦电容C16，MX3.00mm2脚座子。U3为CAN通信芯片VP230，具有通信稳定、占板上面积小、功耗低、外围电路简单等特点，可以搭载上其它设备的CAN接口，形成一个CAN通信网络，通信稳定、可靠。

综上所述即为CAN通讯电路部分的工作原理。

以上所述为本实用新型的最佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，其特征在于，包括：BTN7971功率驱动电路、隔离型电源管理模块、光耦数字隔离单元、基于STM32的微控制器电路、锂电池组电源、数字控制电路电源、串口及CAN通讯接口、编码器及其接口电路；

基于STM32的微控制器电路、光耦数字隔离单元、BTN7971功率驱动电路依次连接，锂电池组电源、隔离型电源管理模块、数字控制电路电源依次连接，锂电池组电源与BTN7971功率驱动电路连接，数字控制电路电源通过串口及CAN通讯接口与基于STM32的微控制器电路连接，编码器及其接口电路与基于STM32的微控制器电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，其特征在于：所述的BTN7971功率驱动电路包括元件U5、U7、R22，分别为左半桥功率驱动器件、右半桥功率驱动器件及高精度20毫欧电流采样电阻，U5和U7均由BTN7971芯片实现，R22连接U5、U7的地引脚与锂电池组电源的地引脚，通过电机的电流都通过R22。

3.根据权利要求2所述的一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，其特征在于：所述的隔离型电源管理模块包括元件U4，去耦电容C14、C15，电感L1、L2。

4.根据权利要求3所述的一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，其特征在于：所述的光耦数字隔离单元模包括元件opt1、opt2、opt3及限流电阻R20、R15、R14，输出端上拉电阻R21、R17、R16；元件opt1、opt2、opt3均为高速光耦器件，型号为TLP113。

5.根据权利要求4所述的一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，其特征在于：所述的基于STM32的微控制器电路包括主控芯片、晶振及复位电路、SWD下载调试接口、状态指示灯，2mm间距接口座子。

6.根据权利要求5所述的一种全隔离式刷式直流伺服电机驱动器，其特征在于：所述的串口及CAN通讯接口包括元件U3，去耦电容C16，MX3.00mm2脚座子。