CN214177199U - 一种柔性外骨骼集成电机控制驱动器及电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开柔性外骨骼集成电机控制驱动器及电机，电机控制驱动器包括依次相连的电机控制电路、高速光电耦合器、逻辑门电路、电机驱动电路及电机功放电路，电机控制电路通过AD采样电路连接有电位计，电机功放电路的供电端通过滤波整流电路与电源相连，电机功放电路的信号端与被控电机相连。本实用新型通过AD采样电路采集被控电机转动的电位计信号，将信号通过电机控制电路进行滤波、放大、采样、保持、量化和编码完成AD转换，并输出稳定PWM脉冲和正反转信号F/R；输出的控制信号经高速光电耦合器逻辑门电路后，通过电机驱动电路、电机功放电路控制相应的场效应晶体管导通，实现被控电机通电控制，从而达到驱动电机运行的目的。

Description

一种柔性外骨骼集成电机控制驱动器及电机

技术领域

本实用新型涉及一种电机，尤其涉及一种柔性外骨骼集成电机控制驱动器及电机。

背景技术

随着高效电机成为发展趋势，高效低耗的电机控制方案自然成了大势所趋，通过有效的电机控制，就能达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。传统电机驱动具有成本高，效率底，耗时间等类似问题，具体表现为：

第一，必须提供足够大的电流的三极管来进行开关处理，电机运转速度比较低，电机震动比较大，发热大。

第二，对电路设计要求比较高，对电路抗干扰要求比较高，容易引起高频，烧坏驱动元件，对元件性能要求比较高。

第三，电路比较复杂，对电路中的干扰难以控制和理论要求相吻合，容易产生抖动，在控制形成正弦波的波峰和波谷，容易导致高频干扰，进而导致驱动元件发热或者频率过高而老化。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种设计合理的柔性外骨骼集成电机控制驱动器及电机，该电机控制驱动器具有数字化、集成化、高功率密度、高可靠性等性能特点，具有较强的实用价值。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型是一种柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特点是，包括依次相连的电机控制电路、高速光电耦合器、逻辑门电路、电机驱动电路及电机功放电路，电机控制电路通过AD采样电路连接有用于采集电机转动的电位计，电机功放电路的供电端通过滤波整流电路与电源相连，电机功放电路的信号端与被控电机相连；

AD采样电路采集被控电机转动的电位计信号，将采集到的信号通过电机控制电路进行滤波、放大、采样、保持、量化和编码完成AD转换，并输出稳定PWM脉冲和正反转信号F/R；输出的控制信号经高速光电耦合器逻辑门电路后，再通过电机驱动电路、电机功放电路控制相应的场效应晶体管导通，实现被控电机通电控制，从而达到驱动电机运行的目的。

优选地，所述电机控制电路由依次相连的精密放大器和内置MPU-6050模块的控制器组成。

优选地，所述电机控制电路采用基于STM32F373CB的MPU-6050 9轴运动处理传感器，该电机控制电路上设有电源及485接口、压力传感器接口和直接电压采集接口。

优选地，所述电机控制电路还设有SWD烧录接口，根据控制需求对控制器进行配置。

优选地，所述精密放大器的型号为OPA335AID，控制器的型号为STM32F373CB。

优选地，所述高速光电耦合器由一个发光二极管、一个高增益线性运放和一个光敏三极管组装成，将发光二极管和光敏三极管组装在一起并利用光信号来传递信息，实现电路信号的电->光->电的传输(光电耦合电路)，这样的目的是为了电路的输入与电气上处于完全隔离的状态，实现输入输出部分的电气隔离，提高其抗干扰能力和可靠性及稳定性。

优选地，所述高速光电耦合器与逻辑门电路之间依次连接有施密特触发器和反相器，起到整形、隔离作用。

优选地，所述电机驱动电路由场效应晶体管和驱动芯片组成，通过驱动芯片输出AH、AL、BH、BL、CH、CL控制场效应晶体管的导通与关断，能够很方便的达到电机驱动的要求，获得了调速高精度、输出范围宽、电路功耗小等优良性能。

实用新型还提供了一种柔性外骨骼集成电机，其特点是，包括电机本体和上述的控制驱动器，电机本体的输入端与控制驱动器的电机功放电路连接，电机本体的输出端与控制驱动器的逻辑门电路连接。

优选地，电机驱动电路中驱动芯片的型号为IR2113MBF。

优选地，所述电机功放电路采用三相六臂全桥驱动控制电路，调速高精度、输出范围宽、电路功耗小，电机运转速度比较快，电机震动较小，发热小，降低了对电路设计要求、电路抗干扰要求及元件性能要求，不会引起高频，也不会烧坏驱动元件。

优选地，所述逻辑门电路的型号为CD4070BPW、CD4081BPW、CD4073BPW。

与现有技术相比，本实用新型通过AD采样电路采集被控电机转动的电位计信号，将采集到的信号通过电机控制电路进行滤波、放大、采样、保持、量化和编码完成AD转换，并输出稳定PWM脉冲和正反转信号F/R；输出的控制信号经高速光电耦合器逻辑门电路后，再通过电机驱动电路、电机功放电路控制相应的场效应晶体管导通，实现被控电机通电控制，从而达到驱动电机运行的目的。该电机控制驱动器具有数字化、集成化、高功率密度、高可靠性等性能特点，具有较强的实用价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型所述柔性外骨骼集成电机的系统框图；

图2为本实用新型所述电机功放电路中三相六臂全桥驱动控制电路的电路图；

图3为本实用新型所述高速光电耦合器的电路图；

图4为本实用新型所述电机驱动电路中驱动芯片的电路图；

图5为本实用新型所述电机控制电路中MPU-6050模块的电路图；

图6为本实用新型所述电机功放电路的电路原理图；

图7为本实用新型所述电机驱动电路的电路原理图；

图8为本实用新型所述电机控制电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，本实用新型提供了一种柔性外骨骼集成电机，包括电机本体和用于控制电机本体的控制驱动器；

所述控制驱动器，包括依次相连的电机控制电路、高速光电耦合器、逻辑门电路、电机驱动电路及电机功放电路，电机控制电路通过AD采样电路连接有用于采集电机转动的电位计，电机功放电路的供电端通过滤波整流电路与电源相连，电机功放电路的信号端与被控电机相连；

电机本体的输入端与控制驱动器的电机功放电路连接，电机本体的输出端与控制驱动器的逻辑门电路连接；所述电机本体为三相无刷直流电机。

AD采样电路采集被控电机转动的电位计信号，将采集到的信号通过电机控制电路进行滤波、放大、采样、保持、量化和编码完成AD转换，并输出稳定PWM脉冲和正反转信号F/R；输出的控制信号经高速光电耦合器逻辑门电路后，再通过电机驱动电路、电机功放电路控制相应的场效应晶体管导通，实现被控电机通电控制，从而达到驱动电机运行的目的。

参照图5和图8，所述电机控制电路由依次相连的精密放大器和内置MPU-6050模块的控制器组成，所述精密放大器的型号为OPA335AID，控制器的型号为STM32F373CB。

所述电机控制电路采用基于STM32F373CB的MPU-6050 9轴运动处理传感器，该电机控制电路上设有电源及485接口、压力传感器接口和直接电压采集接口，它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS 加速度计，通过MPU-6050模块的旋转角度来控制电机的加速度；所述电机控制电路还设有SWD烧录接口，根据控制需求对控制器进行配置。综上所述，电机控制驱动器具有数字化、集成化、高功率密度、高可靠性等性能特点，具有较强的实用价值。

参照图3，所述高速光电耦合器由一个发光二极管、一个高增益线性运放和一个光敏三极管组装成，所述高速光电耦合器与逻辑门电路之间依次连接有施密特触发器和反相器。以高速光电耦合器6N137 为例，高速光电耦合器将发光二极管和光敏三极管组装在一起并利用光信号来传递信息，实现电路信号的电->光->电的传输(光电耦合电路)，这样的目的是为了电路的输入与电气上处于完全隔离的状态，实现输入输出部分的电气隔离，提高其抗干扰能力和可靠性及稳定性，其工作原理是，信号从脚1和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏三极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路；施密特触发器的型号为CD40106BPW施密特触发器，该施密特触发器的输出端所接的反相器起到整形、隔离作用。

参照图4和图7，所述电机驱动电路由场效应晶体管和驱动芯片组成，通过驱动芯片输出AH、AL、BH、BL、CH、CL控制场效应晶体管的导通与关断；电机驱动电路中驱动芯片的型号为IR2113MBF，该模块是大电压、高速度的场效应晶体管和IGBT驱动芯片，输出AH、AL、BH、BL、CH、CL控制MOSFET的导通与关断，采用IR2113MBF构成的电机驱动电路能够很方便的达到电机驱动的要求，获得了调速高精度、输出范围宽、电路功耗小等优良性能。

参照图2和图6，所述电机功放电路采用三相六臂全桥驱动控制电路，驱动控制采用三相六状态控制策略，功率管具有六种触发状态，每次只有两个管子导通，每60°电角度换向一次，若某一时刻AB 相导通时，C 相截至，无电流输出。例如导通顺序为：Q1Q2→Q2Q3→Q3Q4→Q4Q5→Q5Q6→Q6Q1→Q1Q2…。单片机根据检测到的电机转子位置，利用MOSFET的开关特性，实现电机的通电控制。只要在合适的时机进行准确换向，就可实现电机的连续运转。

所述逻辑门电路的型号为CD4070BPW、CD4081BPW、CD4073BPW。

本实用新型所述的电机驱动器调速高精度、输出范围宽、电路功耗小，电机运转速度比较快，电机震动较小，发热小；对电路设计要求比较低，电路抗干扰能力强，不易烧坏驱动元件，对元件性能要求比较低；而且，电路比较简单，对电路中的干扰达到控制和理论要求相吻合，不易产生抖动，在控制形成正弦波的波峰和波谷，不易导致高频干扰，进而不会导致驱动元件发热或者由于频率过高而老化。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：包括依次相连的电机控制电路、高速光电耦合器、逻辑门电路、电机驱动电路及电机功放电路，电机控制电路通过AD采样电路连接有用于采集电机转动的电位计，电机功放电路的供电端通过滤波整流电路与电源相连，电机功放电路的信号端与被控电机相连；

AD采样电路采集被控电机转动的电位计信号，将采集到的信号通过电机控制电路进行滤波、放大、采样、保持、量化和编码完成AD转换，并输出稳定PWM脉冲和正反转信号F/R；输出的控制信号经高速光电耦合器、逻辑门电路后，再通过电机驱动电路、电机功放电路控制相应的场效应晶体管导通，实现被控电机通电控制，从而达到驱动被控电机运行的目的。

2.根据权利要求1所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述电机控制电路由依次相连的精密放大器和内置MPU-6050模块的控制器组成。

3.根据权利要求1或2所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述电机控制电路采用基于STM32F373CB的MPU-6050 9轴运动处理传感器，该电机控制电路上设有电源及485接口、压力传感器接口和直接电压采集接口。

4.根据权利要求2所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述电机控制电路还设有SWD烧录接口，根据控制需求对控制器进行配置。

5.根据权利要求2所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述精密放大器的型号为OPA335AID，控制器的型号为STM32F373CB。

6.根据权利要求1所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述高速光电耦合器由一个发光二极管、一个高增益线性运放和一个光敏三极管组装成。

7.根据权利要求1或6所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述高速光电耦合器与逻辑门电路之间依次连接有施密特触发器和反相器。

8.根据权利要求1所述的柔性外骨骼集成电机控制驱动器，其特征在于：所述电机驱动电路由场效应晶体管和驱动芯片组成，通过驱动芯片输出AH、AL、BH、BL、CH、CL控制场效应晶体管的导通与关断。

9.一种柔性外骨骼集成电机，其特征在于：包括电机本体和权利要求1-8任一项所述的控制驱动器，电机本体的输入端与控制驱动器的电机功放电路连接，所述电机本体的输出端与所述控制驱动器的逻辑门电路连接。

10.根据权利要求9所述的柔性外骨骼集成电机，其特征在于：所述电机驱动电路中驱动芯片的型号为IR2113MBF；

所述逻辑门电路的型号为CD4070BPW、CD4081BPW、CD4073BPW，所述电机功放电路采用三相六臂全桥驱动控制电路。

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