CN205490260U - 基于fpga的多路无刷直流电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，包括FPGA模块和控制板，所述FPGA模块设于所述控制板；所述FPGA模块包括主控单元和与电机数量对应的至少一个驱动单元；每个所述驱动单元均与所述主控单元连接；所述主控单元被配置成能够：通过所述驱动单元获得对应电机的状态信息，并反馈至上位机；响应上位机的反馈，确定所述驱动单元驱动对应电机工作的工作参数；所述驱动单元被配置成能够：依据所述主控单元确定的工作参数闭环控制对应的电机工作；自对应的电机获得其状态信息，并反馈至所述主控单元。

Description

基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置

技术领域

本实用新型涉及移动机器人的底盘电机驱动领域，尤其涉及一种基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置。

背景技术

运动控制是移动机器人最基本的功能之一，机器人要实现巡检、搬运等工作任务都离不开快速、准确、稳定的运动控制。

而移动机器人底盘通常由2-4路无刷直流电机组成，其常用的控制方式是由一个主控制器集中控制：采集各路电机反馈信号，进行运算处理，并将计算结果通过数据线通讯给各路驱动器。由于数据的处理和传输都需要时间，这会使系统同步性能变差，响应滞后，实时性下降。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是系统同步性能变差，响应滞后，实时性下降。

为了解决这一技术问题，本实用新型提供了一种基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，包括FPGA模块和控制板，所述FPGA模块设于所述控制板；所述FPGA模块包括主控单元和与电机数量对应的至少一个驱动单元；每个所述驱动单元均与所述主控单元连接；

所述主控单元被配置成能够：

通过所述驱动单元获得对应电机的状态信息，并反馈至上位机；

响应上位机的反馈，确定所述驱动单元驱动对应电机工作的工作参数；

所述驱动单元被配置成能够：

依据所述主控单元确定的工作参数闭环控制对应的电机工作；

自对应的电机获得其状态信息，并反馈至所述主控单元。

可选的，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括通讯单元，所述通讯单元与所述主控单元连接，使得所述主控单元通过所述通讯单元与上位机通讯。

可选的，所述通讯单元设于一电源板上，装配完成后，所述电源板与所述控制板的位置相对固定。

可选的，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括PWM驱动输出单元，分别连接一个所述电机和一个所述驱动单元，所述驱动单元通过驱动所述PWM驱动输出单元输出相应的PWM信号驱动所述电机工作，所述PWM驱动输出单元设于一驱动板上，装配完成后，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。

可选的，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括电机信号反馈单元，分别连接一个所述电机和一个所述驱动单元，所述驱动单元通过所述电机信号反馈单元自所述电机获得其状态信息。

可选的，所述电机信号反馈单元设于所述控制板上。

可选的，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括供电单元，被配置能够转换电源电压进而至少为所述FPGA模块和电机供电，所述供电单元设于一电源板上，装配完成后，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。

可选的，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括输入输出组件和显示组件，均连接于所述主控单元，所述输入输出组件和显示单元设于所述控制板，所述主控单元还被配置成能够：

将所述工作参数和/或状态信息反馈至所述显示组件；

响应所述输入输出组件的控制信号，通过所述驱动单元驱动相应电机进行动作。

可选的，所述驱动单元还被配置成能够依据所述状态信息和预设规则判断是否需要发出警报，若需要，则反馈报警信息至所述主控单元；

所述主控单元还被配置成能够接收所述报警信息，并反馈至上位机。

可选的，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括电源板和驱动板，装配完成后，所述控制板位于所述电源板上侧，所述电源板位于所述驱动板上侧，所述控制板与电源板之间，以及所述电源板与驱动板之间通过接插件电连接，且通过固定组件互相固接。

本实用新型利用FPGA资源可灵活配置的特点，把一个FPGA芯片设计成多路独立、并行工作的驱动单元，利用较为简单的电路结构，达到了实时性强和便于维护的效果，解决了系统同步性能变差，响应滞后，实时性下降的技术问题。

附图说明

图1是本实用新型一实施例提供的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置的连接示意图；

图2是本实用新型一实施例中控制板的示意图；

图3是本实用新型一实施例中电源板的示意图；

图4是本实用新型一实施例中驱动板的示意图。

具体实施方式

以下将结合图1至图4对本实用新型提供的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置进行详细的描述，其为本实用新型可选的实施例，可以认为，本领域技术人员在不改变本实用新型精神和内容的范围内，对其进行修改和润色。

1.请参考图1和图2，本实用新型提供了一种基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，包括FPGA模块和控制板，所述FPGA模块设于所述控制板；所述FPGA模块包括主控单元和与电机数量对应的至少一个驱动单元；本装置图1示意的实施例以两路电机为例，实际应用中每一路电机配备单独的驱动单元、电机信号反馈单元和PWM驱动输出单元，可以扩展为多路电机驱动。

每个所述驱动单元均与所述主控单元连接；

所述主控单元被配置成能够：

通过所述驱动单元获得对应电机的状态信息，并反馈至上位机；

响应上位机的反馈，确定所述驱动单元驱动对应电机工作的工作参数；

所述驱动单元被配置成能够：

依据所述主控单元确定的工作参数闭环控制对应的电机工作；

自对应的电机获得其状态信息，并反馈至所述主控单元。

这里所称的状态信息可选为温度、转速、电流等，这里所称的工作参数可选为启停时机、转速、转矩等，即状态信息和工作参数可以具有交集，一个是检测到的，一个是需要控的，工作参数也可以基于状态信息来实现，即所述驱动单元进一步被配置成能够依据所述状态信息和工作参数闭环控制对应的电机工作，例如，驱动单元依据温度这一状态信息，控制电机是否开始工作，当温度低于阈值时，开始驱动工作，此即为前文提到启停时机，此为工作参数的一种，其也可以结合其他工作参数，例如电机转速，控制电机开始工作后，驱动其以特定的转速运作等等。不胜枚举，凡此通过电路布置，完成了信息的反馈，并以主控单元给出的参数驱动电机进行工作，至于信息和参数为何，本领域技术人员自可做可预知的设计，都不脱离本实用新型的保护范围。

本实用新型可选的实施例中，所述驱动单元还被配置成能够依据所述状态信息和预设规则判断是否需要发出警报，若需要，则反馈报警信息至所述主控单元；

所述主控单元还被配置成能够接收所述报警信息，并反馈至上位机。

可见，FPGA内部设计为一个主控单元和多路驱动单元的组合。主控单元负责进程管理、通讯、驱动单元参数配置、输入输出数字信号处理；多路驱动单元负责并行、独立的驱动电机。每一路驱动单元都可以采集处理电机反馈信号，对电机转速或转矩的进行闭环控制，并进行实时保护和报警。

在本实用新型可选的实施例中，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括通讯单元，所述通讯单元与所述主控单元连接，使得所述主控单元通过所述通讯单元与上位机通讯。通过通讯单元，本实用新型可选实施例实现了对外的数据传输，可实现近程或远程的控制和反馈。

可见，通讯单元连接上位机和FPGA的主控单元，使两者进行数据交换，包括：驱动器配置参数、报警信息、电机状态信息等。

本实用新型可选的实施例中，也可通过其他方式来实现控制，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括输入输出组件和显示组件，均连接于所述主控单元，所述输入输出组件和显示单元设于所述控制板，所述主控单元还被配置成能够：

将所述工作参数和/或状态信息反馈至所述显示组件；

响应所述输入输出组件的控制信号，通过所述驱动单元驱动相应电机进行动作。

当然，采用输入输出组件所做的控制主要将外部数字信号(如急停)传递给FPGA的主控单元，通过所述驱动单元驱动相应电机进行(如急停)动作。显示组件可以为指示灯，接收FPGA模块的输出信号控制指示灯的指示状态，例如是否亮，亮几个灯，亮什么颜色等，都是本实用新型可选方案。

有关电机与驱动单元的连接：

本实用新型可选的实施例中，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括电机信号反馈单元，分别连接一个所述电机和一个所述驱动单元，所述驱动单元通过所述电机信号反馈单元自所述电机获得其状态信息。

可见，电机信号反馈单元负责将电机温度、转速、电流等信号传递给FPGA内部对应的驱动单元。

本实用新型可选的实施例中，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括PWM驱动输出单元，分别连接一个所述电机和一个所述驱动单元，所述驱动单元通过驱动所述PWM驱动输出单元输出相应的PWM信号驱动所述电机工作，所述PWM驱动输出单元设于一驱动板上，装配完成后，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。

可选方案中，PWM驱动输出单元负责将FPGA驱动单元输出的PWM控制信号通过H桥传递到电机绕组。

有关供电方式，所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置还包括供电单元，被配置能够转换电源电压进而至少为所述FPGA模块和电机供电，所述供电单元设于一电源板上，装配完成后，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。当然，所述供电单元可以为其他例如输入输出组件、显示组件、PWM驱动输出单元、电机信号反馈单元等进行供电，供电单元也可以是多个电路模块，以完成所需对象的电源转换。即供电单元将电源电压转换成其他单元所需的工作电压。

有关本实用新型的具体结构，在本实用新型可选实施例中，包括控制板、电源板和驱动板，所述FPGA模块设于所述控制板；所述通讯单元设于一电源板上，装配完成后，所述电源板与所述控制板的位置相对固定，所述PWM驱动输出单元设于一驱动板上，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。所述电机信号反馈单元设于所述控制板上。所述供电单元设于一电源板上，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。所述输入输出组件和显示单元设于所述控制板，所述控制板位于所述电源板上侧，所述电源板位于所述驱动板上侧，所述控制板与电源板之间，以及所述电源板与驱动板之间通过接插件电连接，且通过固定组件互相固接。

进一步具体来说，控制板、电源板、驱动板3块板依次为上中下三层。电路板之间采用接插件连接，四周采用铜螺柱和螺丝加固，装配后的尺寸为140mm*90mm*50mm，适合安装于移动机器人底盘。控制板在上层，负责处理各类控制信号，包含输入输出及显示、FPGA、电机信号反馈3个单元；电源板在中层，负责供电、电流信号采样和通讯；驱动板在下层，由大功率MOS管组成H桥驱动电机，并采用铝基板工艺，便于紧贴基座或外壳散热。

综上所述，本实用新型利用FPGA资源可灵活配置的特点，把一个FPGA芯片设计成多路独立、并行工作的驱动单元，利用较为简单的电路结构，达到了实时性强和便于维护的效果，解决了系统同步性能变差，响应滞后，实时性下降的技术问题。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：包括FPGA模块和控制板，所述FPGA模块设于所述控制板；所述FPGA模块包括主控单元和与电机数量对应的至少一个驱动单元；每个所述驱动单元均与所述主控单元连接；

所述主控单元被配置成能够：

通过所述驱动单元获得对应电机的状态信息，并反馈至上位机；

响应上位机的反馈，确定所述驱动单元驱动对应电机工作的工作参数；

所述驱动单元被配置成能够：

依据所述主控单元确定的工作参数闭环控制对应的电机工作；

自对应的电机获得其状态信息，并反馈至所述主控单元。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：还包括通讯单元，所述通讯单元与所述主控单元连接，使得所述主控单元通过所述通讯单元与上位机通讯。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：所述通讯单元设于一电源板上，装配完成后，所述电源板与所述控制板的位置相对固定。

4.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：还包括PWM驱动输出单元，分别连接一个所述电机和一个所述驱动单元，所述驱动单元通过驱动所述PWM驱动输出单元输出相应的PWM信号驱动所述电机工作，所述PWM驱动输出单元设于一驱动板上，装配完成后，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。

5.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：还包括电机信号反馈单元，分别连接一个所述电机和一个所述驱动单元，所述 驱动单元通过所述电机信号反馈单元自所述电机获得其状态信息。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：所述电机信号反馈单元设于所述控制板上。

7.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：还包括供电单元，被配置能够转换电源电压进而至少为所述FPGA模块和电机供电，所述供电单元设于一电源板上，装配完成后，所述驱动板与所述控制板的位置相对固定。

8.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：还包括输入输出组件和显示组件，均连接于所述主控单元，所述输入输出组件和显示单元设于所述控制板，所述主控单元还被配置成能够：

将所述工作参数和/或状态信息反馈至所述显示组件；

响应所述输入输出组件的控制信号，通过所述驱动单元驱动相应电机进行动作。

9.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：所述驱动单元还被配置成能够依据所述状态信息和预设规则判断是否需要发出警报，若需要，则反馈报警信息至所述主控单元；

所述主控单元还被配置成能够接收所述报警信息，并反馈至上位机。

10.如权利要求1所述的基于FPGA的多路无刷直流电机驱动装置，其特征在于：还包括电源板和驱动板，装配完成后，所述控制板位于所述电源板上侧，所述电源板位于所述驱动板上侧，所述控制板与电源板之间，以及所述电源板与驱动板之间通过接插件电连接，且通过固定组件互相固接。