CN212909391U - 一种新型直流电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型直流电机驱动器，包括：壳体以及封装在壳体内部的主控器、与主控器连接的外设电路接口和两路电机驱动H桥电路，两路所述电机驱动H桥电路分别为A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路，所述A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路结构完全相同，所述主控器连接所述电机驱动H桥电路，所述外设电路接口连接主控器。本实用新型提供的新型直流电机驱动器，采用集成电路设计及选用了电机驱动半桥芯片、小体积高功率N沟道MOS管，缩小了体积，降低了成本，将控制电路和外设接口集中到微处理器上，简化了电路设计，该新型直流电机驱动器驱动方式稳定可靠，工作模式十分丰富，可适用于各种机器人大赛。

Description

一种新型直流电机驱动器

技术领域

本实用新型涉及直流电机控制领域，特别是涉及一种新型直流电机驱动器。

背景技术

电机作为机器人操作运动时的主要动力源，对电机的驱动器需求种类也越来越多。现有的电机驱动器产品，已经不能满足日益增多的需求。在一些场合下，例如机器人竞技比赛中，需要驱动器具有较小的体积、较大的输出功率、多路电机同时驱动、多种功能随时切换等功能。而现有的电机驱动器往往专为工业环境设计，存在体积庞大，功能单一的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新型直流电机驱动器，采用集成电路设计，选用电机驱动半桥芯片、小体积高功率N沟道MOS管，缩小了体积，降低了成本，将控制电路和外设接口集中到微处理器上，简化了电路设计，驱动方式稳定可靠，工作模式十分丰富，可适用于各种机器人大赛、智能车比赛。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种新型直流电机驱动器，包括：壳体以及封装在壳体内部的主控器、与主控器连接的外设电路接口和两路电机驱动H桥电路、DC-DC模块，两路所述电机驱动H桥电路分别为A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路，所述A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路结构完全相同，所述主控器及所述DC-DC模块连接所述电机驱动H桥电路，所述外设电路接口包括外设接口、USB接口，所述外设接口及USB接口均连接在主控器上，所述电机驱动H桥电路包括控制信号逻辑电路、H桥4全桥驱动电路、电压自举电路、多个N沟道MOS管、电流测量芯片，所述信号逻辑电路连接所述H桥4全桥驱动电路，所述H桥4全桥驱动电路连接电压自举电路，所述电压自举电路连接所述N沟道MOS管，所述N沟道MOS管连接所述电流测量芯片。

可选的，所述控制信号逻辑电路包括第一非门、第一与门、第二与门，所述第一非门、第一与门、第二与门输入端连接所述主控器，输出端连接所述H桥4全桥驱动电路。

可选的，所述H桥4全桥驱动电路包括第一半桥驱动芯片及第二半桥驱动芯片，所述第一半桥驱动芯片连接所述第一与门的输出端，所述第二半桥驱动芯片连接所述第二与门的输出端。

可选的，所述第一半桥驱动芯片及第二半桥驱动芯片均采用IR2184s芯片。

可选的，所述电压自举电路包括第一滤波电容、第二滤波电容、第一陶瓷电容、第二陶瓷电容、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管，所述第一滤波电容、第一陶瓷电容、第一肖特基二极管均连接在第一半桥驱动芯片上，所述第二滤波电容、第二陶瓷电容、第二肖特基二极管均连接在第二半桥驱动芯片上。

可选的，多个所述N沟道MOS管包括第一N沟道MOS管、第二N沟道MOS管、第三N沟道MOS管、第四N沟道MOS管，所述第一半桥驱动芯片连接所述第一N沟道MOS管及第二N沟道MOS管，所述第二半桥驱动芯片连接所述第三N沟道MOS管及所述第四N沟道MOS管，所述第一N沟道MOS管的源极与所述第二N沟道MOS管的漏极相连接，所述第三N沟道MOS管的源极与所述第四N沟道MOS管的漏极相连接，所述第一N沟道MOS管的漏极与所述第三N沟道MOS管的漏极相连接，并连接电源，所述第二N沟道MOS管的源极与所述第四N沟道MOS管的源极相连接，并接地。

可选的，所述N沟道MOS管上连接有所述MOS管保护电阻，用于保护N沟道MOS管，所述MOS管保护电阻设置有8个。

可选的，所述电流测量芯片连接所述H桥4全桥驱动电路的输出端，所述电流测量芯片与所述第二半桥驱动芯片的连接电路上设置有电机，所述电流测量芯片用于检测电机驱动输出的电流。

可选的，所述主控器为STM32系列微控制器。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供的新型直流电机驱动器，采用的新型直流电机驱动器方式稳定可靠，工作模式十分丰富，非常适合各种机器人大赛、智能车比赛；采用集成电路设计，选用了电机驱动半桥控制芯片和贴片型小体积高功率N沟道MOS管搭建了2路完整的“H桥”型直流电机调速电路，可以控制两路有刷直流电机，提高了效率，缩小了体积；控制电路和外设接口集中到一片微型ARM单片机上，大幅度简化了电路设计；控制信号逻辑电路采用了硬件电路的逻辑取反，从而消除了由软件输出两路控制信号产生相位差带来的电路烧坏风险；采用了电压自举电路，保证了半桥驱动器在驱动上桥臂MOS管时具有足够的开启电压；采用了MOS管信号保护电阻，防止信号震荡和高电压无负载时电荷积累造成MOS损坏；该新型直流电机驱动器还采用了电流测量芯片，可以准确的测量电机驱动输出的电流大小。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例新型直流电机驱动器结构主控和外设电路接口结构示意图。

图2为本实用新型实施例新型直流电机驱动器A路电机驱动H桥电路结构示意图。

图3为本实用新型实施例新型直流电机驱动器B路电机驱动H桥电路结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种新型直流电机驱动器，采用集成电路设计及选用了电机驱动半桥芯片、小体积高功率N沟道MOS管，缩小了体积，降低了成本，将控制电路和外设接口集中到微处理器上，简化了电路设计，该新型直流电机驱动器驱动方式稳定可靠，工作模式十分丰富，可适用于各种机器人大赛、智能车比赛。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-3所示，本实用新型实施例提供的新型直流电机驱动器，包括：壳体以及封装在壳体内部的主控器U2、与主控器U2连接的外设电路接口和两路电机驱动H桥电路、DC-DC模块U1，两路所述电机驱动H桥电路分别为A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路，所述A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路结构完全相同，所述主控器U2及所述DC-DC模块U1连接所述电机驱动H桥电路，所述外设电路接口包括外设接口P1、USB接口，所述外设接口P1及USB接口均连接在主控器U2上，所述电机驱动H桥电路包括控制信号逻辑电路、H桥4全桥驱动电路、电压自举电路、多个N沟道MOS管、电流测量芯片，所述信号逻辑电路连接所述H桥4全桥驱动电路，所述H桥4全桥驱动电路连接电压自举电路，所述电压自举电路连接所述N沟道MOS管，所述N沟道MOS管连接所述电流测量芯片。

所述主控器U2采用STM32系列微控制器，USB接口为USB2.0接口，外设接口P1包含两路增量式编码器解码电路接口和2路复用功能IO接口。

如图2-3所示，所述A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路结构完全相同，以A路电机驱动H桥电路为例，所述控制信号逻辑电路包括第一非门U3、第一与门U4、第二与门U5，所述主控器U2的31引脚连接所述A路电机驱动H桥电路的第一与门U4及第一非门U3输入端，所述主控器U2的30引脚连接所述A路电机驱动H桥电路的第一与门U4和第二与门U5输入端，所述第一非门U3输出端连接所述第二与门U5输入端；所述主控器的38引脚连接所述B路电机驱动H桥电路的第一与门U10及第一非门U9输入端，所述主控器的29引脚连接所述B路电机驱动H桥电路的第一与门U10和第二与门U11输入端，所述第一非门U9输出端连接所述第二与门U11输入端。

所述H桥4全桥驱动电路包括第一半桥驱动芯片U6及第二半桥驱动芯片U7，所述第一半桥驱动芯片U6的1引脚连接所述第一与门U4的输出端，所述第二半桥驱动芯片U7的1引脚连接所述第二与门U5的输出端，所述第一半桥驱动芯片U6及第二半桥驱动芯片U7均采用IR2184s芯片。

所述电压自举电路包括第一滤波电容CA1、第二滤波电容CA2、第一陶瓷电容CA3、第二陶瓷电容CA4、第一肖特基二极管DA1、第二肖特基二极管DA2，所述第一滤波电容CA1正极连接所述DC-DC模块U1的V_H端并连接在所述第一半桥驱动芯片U6的5管脚上，负极接地，所述第一半桥驱动芯片U6的2引脚连接所述DC-DC模块U1的V_EN端，3引脚接地，所述第二滤波电容CA2正极连接所述DC-DC模块的V_H端并连接在所述第二半桥驱动芯片U7的5管脚上，负极接地，所述第二半桥驱动芯片U7的2引脚连接所述DC-DC模块U1的V_EN端，3引脚接地；所述第一陶瓷电容CA3正极连接在第一半桥驱动芯片U6的8引脚上，负极连接在6引脚上，所述第二陶瓷电容CA4正极连接在第二半桥驱动芯片U7的8引脚上，负极连接在6引脚上；所述第一肖特基二极管DA1正极连接在第一半桥驱动芯片U6的5引脚上，负极连接在8引脚上，所述第二肖特基二极管DA2正极连接在第二半桥驱动芯片U7的5引脚上，负极连接在8引脚上。

多个所述N沟道MOS管包括第一N沟道MOS管Q1、第二N沟道MOS管Q2、第三N沟道MOS管Q3、第四N沟道MOS管Q4，所述第一半桥驱动芯片U6的7引脚连接电阻R13，所述电阻R13连接所述第一N沟道MOS管Q1的栅极，所述电阻R13连接所述电阻R16，所述电阻R16连接所述第一N沟道MOS管Q1的源极，所述第一N沟道MOS管Q1的源极连接所述第二N沟道MOS管Q2的漏极及所述第一半桥驱动芯片U6的6引脚，所述第一N沟道MOS管Q1的漏极与所述第三N沟道MOS管Q3的漏极相连并且连接电源，所述第一半桥驱动芯片U6的引脚4连接电阻R14，所述电阻R14连接所述第二N沟道MOS管Q2的栅极，所述电阻R14连接电阻R15，所述电阻R15连接所述第二N沟道MOS管Q2的源极，所述第二N沟道MOS管Q2的源极与所述第四N沟道MOS管Q4的源极相连接并接地，所述第二半桥驱动芯片U7的7引脚连接电阻R19，所述电阻R19连接所述第三N沟道MOS管Q3的栅极，所述电阻R19连接电阻R18，所述电阻R18连接所述第三N沟道MOS管Q3的源极，所述第三N沟道MOS管Q3的源极连接所述第四N沟道MOS管Q4的漏极，所述第二半桥驱动芯片U7的引脚4连接电阻R20，所述电阻R20连接所述第四N沟道MOS管Q4的栅极，所述电阻R20连接所述电阻R17，所述电阻R17连接所述第四N沟道MOS管Q4的源极，所述第二半桥驱动芯片U7的6引脚连接所述第四N沟道MOS管Q4的漏极及所述第三N沟道MOS管Q3的源极。

所述DC-DC模块用于将电压由5V升至12V，为半桥驱动芯片驱动MOS管的门级开启电压。

所述电流测量芯片U8的1和2管脚连接所述第一N沟道MOS管Q1的源极及所述第二N沟道MOS管Q2的漏极及所述第一半桥驱动芯片U6的6引脚，所述电流测量芯片U8的3和4引脚连接电机B1，所述电机B1连接所述第三N沟道MOS管Q3的源极及所述第四N沟道MOS管Q4的漏极及所述第二半桥驱动芯片U7的6引脚，所述电流测量芯片U8的5管脚接地，8管脚接电源，6管脚链接电容C4并且接地，7管脚连接电阻R21，电阻R21连接电阻R22，电阻R22接地。

选取A路做电路详细介绍，U3为非门，U4和U5为与门，U3、U4和U5组成了控制信号逻辑电路，依靠此电路只需要主控器输出1路PWM信号和1路高低电平信号即可对后级的2184全桥驱动电路进行控制，由于该部分采用了硬件电路的逻辑取反，从而消除了由软件输出两路控制信号产生相位差带来的电路烧坏风险。后端的U6和U7为两片IR2184s半桥驱动芯片组成了完整的H桥4全桥驱动电路，CA1和CA2为滤波电容，CA3，CA4为陶瓷电容和DA1，DA2两个肖特基二极管组成了电压自举电路，保证了半桥驱动器在驱动上桥臂MOS管时具有足够的开启电压。Q1，Q2，Q3，Q4为四个N沟道MOS管，具有功率大体积小，内阻小，开启快的特点，R13，电阻R14，电阻R15，R16，电阻R17，电阻R18，电阻R19，电阻R20为MOS管信号保护电阻，防止信号震荡和高电压无负载时电荷积累造成MOS损坏。U8为电流测量芯片，接到H桥的输出端和电机构成串联，可以准确的测量电机驱动输出的电流大小。

该驱动器的工作模式丰富，通过实时检测按键状态，切换不同的工作模式，并通过LED状态灯指示；电机通信方式有两种：PPM方式和串口方式。PPM方式是利用遥控器实现的，主要用于产品实际应用场景。串口方式是通过电机控制器配置软件向电机驱动发送命令实现的，配置软件为该电机专用软件，只需简单操作就可配置和查看电机参数十分方便用户的调试；驱动方式分为开环控制和闭环控制，开环控制中使用PWM方法，简单高效的改变电机两端的平均电压，从而控制电机转速，闭环控制中使用经典的PID控制算法，将电机转速稳定在某一预定的转速，同时根据电机编码器的线数又分为Encode(50)、Encode(100)和Encode(300)；无论何种驱动方式，都可以选择是否使用电流保护，防止电流过大造成不必要的损坏。

本实用新型提供的新型直流电机驱动器，采用的新型直流电机驱动器方式稳定可靠，工作模式十分丰富，非常适合各种机器人大赛、智能车比赛；采用集成电路设计，选用了电机驱动半桥控制芯片和贴片型小体积高功率N沟道MOS管搭建了2路完整的“H桥”型直流电机调速电路，可以控制两路有刷直流电机，提高了效率，缩小了体积；控制电路和外设接口集中到一片微型ARM单片机上，大幅度简化了电路设计；控制信号逻辑电路采用了硬件电路的逻辑取反，从而消除了由软件输出两路控制信号产生相位差带来的电路烧坏风险；采用了电压自举电路，保证了半桥驱动器在驱动上桥臂MOS管时具有足够的开启电压；采用了MOS管信号保护电阻，防止信号震荡和高电压无负载时电荷积累造成MOS损坏；该新型直流电机驱动器还采用了电流测量芯片，可以准确的测量电机驱动输出的电流大小。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种新型直流电机驱动器，其特征在于，包括：壳体以及封装在壳体内部的主控器、与主控器连接的外设电路接口和两路电机驱动H桥电路、DC-DC模块，两路所述电机驱动H桥电路分别为A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路，所述A路电机驱动H桥电路和B路电机驱动H桥电路结构完全相同，所述主控器及所述DC-DC模块连接所述电机驱动H桥电路，所述外设电路接口包括外设接口、USB接口，所述外设接口及USB接口均连接在主控器上，所述电机驱动H桥电路包括控制信号逻辑电路、H桥4全桥驱动电路、电压自举电路、多个N沟道MOS管、电流测量芯片，所述信号逻辑电路连接所述H桥4全桥驱动电路，所述H桥4全桥驱动电路连接电压自举电路，所述电压自举电路连接所述N沟道MOS管，所述N沟道MOS管连接所述电流测量芯片。

2.根据权利要求1所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述控制信号逻辑电路包括第一非门、第一与门、第二与门，所述第一非门、第一与门、第二与门输入端连接所述主控器，输出端连接所述H桥4全桥驱动电路。

3.根据权利要求2所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述H桥4全桥驱动电路包括第一半桥驱动芯片及第二半桥驱动芯片，所述第一半桥驱动芯片连接所述第一与门的输出端，所述第二半桥驱动芯片连接所述第二与门的输出端。

4.根据权利要求3所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述第一半桥驱动芯片及第二半桥驱动芯片均采用IR2184s芯片。

5.根据权利要求3所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述电压自举电路包括第一滤波电容、第二滤波电容、第一陶瓷电容、第二陶瓷电容、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管，所述第一滤波电容、第一陶瓷电容、第一肖特基二极管均连接在第一半桥驱动芯片上，所述第二滤波电容、第二陶瓷电容、第二肖特基二极管均连接在第二半桥驱动芯片上。

6.根据权利要求3所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，多个所述N沟道MOS管包括第一N沟道MOS管、第二N沟道MOS管、第三N沟道MOS管、第四N沟道MOS管，所述第一半桥驱动芯片连接所述第一N沟道MOS管及第二N沟道MOS管，所述第二半桥驱动芯片连接所述第三N沟道MOS管及所述第四N沟道MOS管，所述第一N沟道MOS管的源极与所述第二N沟道MOS管的漏极相连接，所述第三N沟道MOS管的源极与所述第四N沟道MOS管的漏极相连接，所述第一N沟道MOS管的漏极与所述第三N沟道MOS管的漏极相连接，并连接电源，所述第二N沟道MOS管的源极与所述第四N沟道MOS管的源极相连接，并接地。

7.根据权利要求6所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述N沟道MOS管上连接有所述MOS管保护电阻，用于保护N沟道MOS管，所述MOS管保护电阻设置有8个。

8.根据权利要求3所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述电流测量芯片连接所述H桥4全桥驱动电路的输出端，所述电流测量芯片与所述第二半桥驱动芯片的连接电路上设置有电机，所述电流测量芯片用于检测电机驱动输出的电流。

9.根据权利要求1所述的新型直流电机驱动器，其特征在于，所述主控器为STM32系列微控制器。

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