CN206727912U - 正弦波驱动直流无刷电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电机驱动技术领域，尤其是公开了一种正弦波驱动直流无刷电机驱动器，包括主控单元；以及与主控单元信号输出一端连接的电机驱动装置；电机驱动装置包括至少一个与主控单元信号输出一端连接的栅极驱动单元、与栅极驱动单元信号输出一端连接的功率驱动单元及至少一可连接电机的电机接口单元，电机接口单元连接功率驱动单元的信号输出一端；每一个栅极驱动单元均包括3路栅极驱动电路，每一路栅极驱动电路均包括栅极驱动芯片、二极管及自举电容。本实用新型能适应不同功率电机使用，避免因功率不足而烧毁，且无需外接功率控制器件，结构简单，制造成本低，占用体积小。

Description

正弦波驱动直流无刷电机驱动器

技术领域

本实用新型涉及电机驱动技术领域，尤其是涉及一种正弦波驱动直流无刷电机驱动器。

背景技术

随着机器人、工业4.0、中国制造2025的蓬勃发展，对直流无刷电机的需求越来越多，特别是在机器人领域。通过驱动器来驱动电机，对驱动器的性能、精度、功能、价格、安装空间、操作的方便性等要求越来越高。

而现有的电机驱动器一般为方波驱动器，该驱动器的结构一般包括电源单元、主控单元及驱动装置。其存在下述缺点：目前采用的驱动装置一般简单的设置驱动芯片。采用IO控制方式进行控制，只能实现有线连接控制，无法实现其他外部设备的控制，使用不方便。将驱动芯片连接主控单元和电机，使用过程中，驱动芯片容易因功率不够而烧毁，接口有限，功能也有限；而且需外接功率器件，结构复杂，成本高，占用空间大。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术的不足，提供一种不易烧毁，结构简单，制造成本低的正弦波驱动直流无刷电机驱动器。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种正弦波驱动直流无刷电机驱动器，包括主控单元；以及与主控单元信号输出一端连接的电机驱动装置，所述主控单元双向连接通讯单元；所述电机驱动装置包括至少一个与主控单元信号输出一端连接的栅极驱动单元、与栅极驱动单元信号输出一端连接的功率驱动单元及至少一可连接电机的电机接口单元，所述电机接口单元连接功率驱动单元的信号输出一端；每一个栅极驱动单元均包括3路栅极驱动电路，每一路栅极驱动电路均包括栅极驱动芯片、二极管及自举电容，所述栅极驱动芯片连接主控单元的信号输出一端，栅极驱动芯片输出一端连接功率驱动单元；二极管一端连接外部电源，另一端连接栅极驱动芯片和自举电容一端，自举电容的另一端连接功率驱动单元。加设了通讯单元可实现信号的无线通讯，进而能用手机、电脑等外部设备进行控制；而所述栅极驱动单元的栅极驱动芯片可起到驱动作用，而所述二极管则能起到降压、稳压，防逆流等作用，对驱动芯片和主控芯片起到保护作用；所述自举电容连接二极管可起到自举升压的作用，使电路电压升高，保证供电电压充足和稳定；所述功率驱动单元可驱动大功率电机，避免栅极芯片和主控芯片因功率不够而烧毁；适应不同功率电机的使用；本实用新型能实现无线连接，设置功率驱动单元后，无需外接功率控制器件，所需部件少，占用体积小，结构紧凑、简单，容易实现，制造成本低，使用效果好。

进一步地，所述功率驱动单元包括至少一路MOS管驱动电路，每一路MOS管驱动电路均包括3对MOS管，每1对MOS管的信号输入一端均连接1路栅极驱动电路的栅极驱动芯片和自举电容，3对MOS管的信号输出一端均作为U、V、W相输出连接电机接口单元。所述功率驱动单元的电流大，功率大，散热效果好，使用效果好。

进一步地，所述通讯单元包括至少一路RS232通讯电路、至少一路RS485通讯电路及通讯接口电路，所述RS232通讯电路和RS485通讯电路一端均连接主控单元，另一端均连接通讯接口电路。通过通讯单元进行控制，操作简单，只需发命令即可，稳定可靠，电机控制精准，和其它通讯方式相比，不会出现控制电机丢失现象；另外通过485通讯控制，级联方便，通过总线级联最多可控制256个设备。即512个电机。

进一步地，所述主控单元的信号输入一端还连接至少一路电源单元；所述电源单元包括依次连接的防反接电路、12V电源电压稳压电路、5V电源电压稳压电路、3.3V电源电压稳压电路及第二电容滤波电路；所述防反接电路具有可与外部电源连接的电源输入端，所述第二电容滤波电路的信号输出一端连接所述主控单元。电源单元能保证主控单元电源接入的稳定性，对控制单元起到保护作用；该设置的电源单元可用于接入不同电压的电源，增强本电机驱动器的适用范围；防反接电路可避免电机驱动器在电路接错的情况下损坏；该电源单元结构简单，且能对电机驱动器起到防反接保护作用。

进一步地，还包括与主控单元电源输入一端连接的电源电压检测单元，该电源电压检测单元包括依次连接的第一100k电阻、第一10k电阻及第一电容滤波电路，所述第一电容滤波电路的信号输出一端连接主控单元的信号输入一端。主控单元通过电源电压检测单元判断信号输入一端电压，检测电源电压是否过压；进而在电源过压时控制栅极驱动单元和电机断开电源，停止动作，增强使用的安全性；电源电压检测单元结构简单，生产成本低，电压检测效果好，精确度高。

进一步地，还包括至少一路与主控单元信号输入一端连接的电机电流检测单元，每一电机电流检测单元包括3路电流检测电路，每一路电流检测电路均包括依次连接的第一电容滤波电路、差分电压检测电路，所述差分电压检测电路信号输出一端连接所述主控单元的信号输入一端。主控单元根据电机电流检测单元计算出当前流过电机的电流，再判断是否过流，当过流时，及时中止栅极驱动单元的输出，起到过流和过载保护作用；该电机电流检测单元结构简单，生产成本低，电流检测效果好，精确性高。

进一步地，所述主控单元连接用于连接外部传感器的传感器接口单元。可通过传感器接口连接位置传感器、避障传感器等，进而能通过主控单元检测到传感器的信息，进而调整电机的动作；无需另外设置传感线路，结构更加简单，使用也更加方便。

进一步地，所述主控单元包括主控芯片，主控芯片具有可与外围电路电源滤波电路连接的电源输入引脚、可与复位电路连接的复位引脚、可与晶振电路连接的晶振引脚、可与SWD烧写程序接口连接的SWD烧写程序引脚。所述主控单元起到信息接收、处理及控制的作用，结构简单，使用效果好，控制方便。

综上所述，本实用新型能适应不同功率电机使用，避免因功率不足而烧毁，且无需外接功率控制器件，结构简单，制造成本低，占用体积小。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电源单元电路图；

图3为本实用新型的电源电压检测单元电路图；

图4为本实用新型的栅极驱动电路与功率驱动单元连接示意图；

图5为本实用新型的RS232通讯电路的电路图；

图6为本实用新型的RS485通讯电路的电路图；

图7为本实用新型的差分电压检测电路的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1-7所示，一种正弦波驱动直流无刷电机驱动器，包括主控单元1以及电极驱动装置。

具体的，所述电机驱动装置的信号输入一端与主控单元1信号输出一端连接，所述主控单元1双向连接通讯单元5，进而实现信号的双向传输。

所述电机驱动装置包括栅极驱动单元2、功率驱动单元3及电机接口单元4。所述栅极驱动单元2为至少一个，且栅极驱动单元2与主控单元1信号输出一端连接。功率驱动单元3与栅极驱动单元2信号输出一端连接，电机接口单元4也为至少一个，且该电机接口单元4用于连接电机，电机接口单元4信号输入一端连接功率驱动单元3的信号输出一端。

再者，如图4所示，每一个栅极驱动单元2均包括3路栅极驱动电路21，每一路栅极驱动电路21均包括栅极驱动芯片、二极管及自举电容，所述栅极驱动芯片连接主控单元1的信号输出一端，栅极驱动芯片输出一端连接功率驱动单元3；二极管一端连接外部电源，另一端连接栅极驱动芯片和自举电容一端，自举电容的另一端连接功率驱动单元3。而所述功率驱动单元3包括至少一路MOS管驱动电路，每一路MOS管驱动电路均包括3对MOS管，每1对MOS管31的信号输入一端均连接1路栅极驱动电路21的栅极驱动芯片和自举电容，每一个栅极驱动单元2的3对MOS管31的信号输出一端均作为U、V、W相输出连接电机接口单元。每一个所述栅极驱动芯片均包括1片半桥驱动芯片IRS2103，再加所述的二极管和自举电容。所述MOS管为大功率的MOS管，且优选为型号为75NF75的MOS管。

如图1、图5及图6，所述通讯单元5包括至少一路RS232通讯电路51、至少一路RS485通讯电路52及通讯接口电路，所述RS232通讯电路和RS485通讯电路一端均连接主控单元1，另一端均连接通讯接口电路。所述通讯接口电路数量为RS232通讯电路51和 RS485通讯电路52总数之和，进而保证每一个RS232通讯电路51和 RS485通讯电路52都能对应连接一个通讯接口电路。而通讯接口电路则用于连接外部设备。通讯单元由1路RS232通讯电路51和1路RS485通讯电路52及对应的保护电路组成，RS232通讯电路51主要采用SP3232芯片，SP3232芯片相比传统的MA232芯片可靠性更强，且低功耗，RS485通讯电路52采用SP3485芯片。输出保护电路，主要串了一个22欧姆电阻，可防止RS232通讯电路51和RS485通讯电路52的冲击。

如图1和图2所示，所述主控单元1的信号输入一端还连接至少一路电源单元6；每一路电源单元6包括依次连接的防反接电路、12V电源电压稳压电路、5V电源电压稳压电路、3.3V电源电压稳压电路及第二电容滤波电路。所述防反接电路具有可与外部电源连接的电源输入端，所述第二电容滤波电路的信号输出一端连接所述主控单元1。即每一电源单元6均包括3路电源，提供12V、5V、3.3V电源输出。使用时，外部电源依次经过反接电路、12V电源电压稳压电路、5V电源电压稳压电路、3.3V电源电压稳压电路及第二电容滤波电路，然后输出到主控单元1。进一步地，所述电源单元6反接二极管由SS56组成，电源单元6的输入电压范围为15V到37V，输入电压为12V、5V、3.3V，其中12V给栅极驱动芯片供电，5V给传感器接口单元9供电，3.3V给主控单元1及通讯单元5供电。

再者，所述主控单元1包括主控芯片，主控芯片具有电源输入引脚、复位引脚、晶振引脚及SWD烧写程序引脚。而且，所述电源输入引脚可与外围电路电源滤波电路连接，复位引脚可与复位电路连接，晶振引脚可与晶振电路连接，SWD烧写程序引脚可与SWD烧写程序接口连接。

如图1和图3所示，本实用新型还加设了电源电压检测单元7，该电源电压检测单元7电源输出一端与主控单元1电源输入一端连接，电源电压检测单元7包括依次连接的第一100k电阻、第一10k电阻及第一电容滤波电路，所述第一电容滤波电路的信号输出一端连接主控单元1的信号输入一端。外部电源的电流经过第一100k电阻和第一10k电阻分压后，经过第一电容滤波电路稳压之后，主控单元1判断输入端电压，检测电源电压是否过压，当过压时，主控单元1关断电机输出，继而起到过压保护的作用，且该电路简单，生产成本低。

此外，如图1和图7所示，本实用新型还加设了至少一个电机电流检测单元8，电机电流检测单元8与主控单元1信号输入一端连接，每一电机电流检测单元8包括3路电流检测电路，每一路电流检测电路均包括依次连接的第一电容滤波电路、差分电压检测电路81，所述差分电压检测电路81信号输出一端连接所述主控单元1的信号输入一端。差分电压检测电路由运放和电阻组成，每路电流检测电路分别检测流过每相电机的电流。使用时，主控单元1通过检测电机每相电流，对3路电流做矢量运算，产生按正弦规律变化的PWM波，进一步使流过电机的电流为正弦波。且每路电流作为保护电流的判断值，当过流时，主控单元1关断电机输出，继而起到过流保护的作用，且该电路简单，生产成本低。

为了方便检测，于是所述主控单元1连接传感器接口单元9，该传感器接口单元9用于连接外部传感器，该外部传感器包括位置传感器，避障传感器等现有的传感器。

本实用新型性能强，保护多，且充分，所需元件少，结构简单，制造成本低。本实用新型主要用于双路正弦波驱动直流无刷电机和单路正弦波驱动直流无刷电机，当然也不仅限于此两种电机的使用。

在本实施例中，所述电机接口单元4为2路，电源单元6包含3路，电机电流检测单元8为2路，通讯单元5选择1路RS232通讯电路51和1路RS485通讯电路52，功率驱动单元3包括两路MOS管驱动电路，每一路MOS管驱动电路均包括3对MOS管，每对MOS管的数量为2个，而每路MOS管驱动电路可供一个电机使用，两路MOS管可供两个电机使用。传感器接口单元9为2个。而在其他实施例中，所述单元和电路的数量也可根据需要设置。

本实用新型的主控单元1采用了32为微处理器控制灵活，定位精确度高，采用软件控制可让电机正转和反转固定角度，功能更强。采用RS232通讯方式，设置灵活，线束更少。功耗更低、电子元器件更少，成本更低，还节省空间。

本实用新型采用32位微处理器作为单路正弦波驱动直流无刷电机驱动器的主控单元1，采用软件来实现行走电机定位。通讯单元5的RS232通讯电路51或RS485通讯电路52与外部设备连接，外部设备只需发不同的速度值，本电机驱动器通过软件自动调节电机速度到设置的速度值，当外部设备发旋转角度值，电机驱动器通过软件控制电机旋转多少角度，定位精度高，灵活。

使用过程如下：由电源单元6接入电源后经电源单元6内部防反接电路、稳压电路等，给通讯单元5、主控单元1、传感器接口单元9等单元模块供电。当主控单元1接收到通讯单元5的速度或角度命令时，主控单元1先进行判断是否需要处理的命令。是需要处理的命令，主控单元1首先获取传感器接口9的值，即知道了直流无刷电机霍尔传感器的位置值，主控单元1通过内部软件判断，控制栅极驱动单元2，再驱动功率驱动单元3，再到电机接口4控制电机。

另外，主控单元1不断获取传感器接口单元9的值，并通过软件计算出行走电机的当前速度，根据当前速度和通讯单元5发的命令速度值作比较，不断调整、控制栅极驱动单元2的PWM输入占空比（占空比越大，电机速度越快），调节电机的速度。

显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

Claims (8)

1.一种正弦波驱动直流无刷电机驱动器，包括主控单元（1）；以及与主控单元（1）信号输出一端连接的电机驱动装置，其特征在于：所述主控单元（1）双向连接通讯单元（5）；所述电机驱动装置包括至少一个与主控单元（1）信号输出一端连接的栅极驱动单元（2）、与栅极驱动单元（2）信号输出一端连接的功率驱动单元（3）及至少一可连接电机的电机接口单元（4），所述电机接口单元（4）连接功率驱动单元（3）的信号输出一端；每一个栅极驱动单元（2）均包括3路栅极驱动电路（21），每一路栅极驱动电路（21）均包括栅极驱动芯片、二极管及自举电容，所述栅极驱动芯片连接主控单元（1）的信号输出一端，栅极驱动芯片输出一端连接功率驱动单元（3）；二极管一端连接外部电源，另一端连接栅极驱动芯片和自举电容一端，自举电容的另一端连接功率驱动单元（3）。

2.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：所述功率驱动单元（3）包括至少一路MOS管驱动电路，每一路MOS管驱动电路均包括3对MOS管，每1对MOS管（31）的信号输入一端均连接1路栅极驱动电路（21）的栅极驱动芯片和自举电容，3对MOS管的信号输出一端均作为U、V、W相输出连接电机接口单元。

3.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：所述通讯单元（5）包括至少一路RS232通讯电路（51）、至少一路RS485通讯电路（52）及通讯接口电路，所述RS232通讯电路（51）和RS485通讯电路（52）一端均连接主控单元（1），另一端均连接通讯接口电路。

4.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：所述主控单元（1）的信号输入一端还连接至少一路电源单元（6）；所述电源单元（6）包括依次连接的防反接电路、12V电源电压稳压电路、5V电源电压稳压电路、3.3V电源电压稳压电路及第二电容滤波电路；所述防反接电路具有可与外部电源连接的电源输入端，所述第二电容滤波电路的信号输出一端连接所述主控单元（1）。

5.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：还包括与主控单元（1）电源输入一端连接的电源电压检测单元（7），该电源电压检测单元（7）包括依次连接的第一100k电阻、第一10k电阻及第一电容滤波电路，所述第一电容滤波电路的信号输出一端连接主控单元（1）的信号输入一端。

6.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：还包括至少一路与主控单元（1）信号输入一端连接的电机电流检测单元（8），每一电机电流检测单元（8）包括3路电流检测电路，每一路电流检测电路均包括依次连接的第一电容滤波电路、差分电压检测电路（81），所述差分电压检测电路（81）信号输出一端连接所述主控单元（1）的信号输入一端。

7.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：所述主控单元（1）连接用于连接外部传感器的传感器接口单元（9）。

8.根据权利要求1所述的正弦波驱动直流无刷电机驱动器，其特征在于：所述主控单元（1）包括主控芯片，主控芯片具有可与外围电路电源滤波电路连接的电源输入引脚、可与复位电路连接的复位引脚、可与晶振电路连接的晶振引脚、可与SWD烧写程序接口连接的SWD烧写程序引脚。