CN215433753U - 机器人关节电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人关节电机驱动系统，本实用新型的设计构思在于，利用独立设置的隔离电源实现关节电机供电与控制单元供电独立，并针对关节电机的不同控制对象，设计出非集成的相应驱动装置，且各个驱动装置通过光耦单元、功率驱动单元以及不同电源分配机制，进一步实现了电气隔离。本实用新型充分简化了电机驱动电路设计，大幅提升关节电机驱动方式的可靠性，有效防止电机工作时对机器人其他电路及芯片的影响，具有抗干扰能力强、工程可靠性高的优势。

Description

机器人关节电机驱动系统

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人关节电机驱动系统。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，工业机器人、服务机器人、巡检机器人等各类机器人大量出现，为人们的生产生活带来了更多的便捷。随着技术的进步，机器人的智能化水平越来越高，运动自由度也得到有效提高，且关节越来越灵活，因此，在机器人领域对于关节电机的驱动电路的需求量逐年提升，且对驱动电路的要求也越来越高。

现有的机器人关节驱动电路大多使用集成驱动模块，不仅成本昂贵，而且电机驱动电路在驱动电机运行时，机器人的主控电路容易受到干扰，甚至导致无法运行。此外，现有的关节驱动电路的控制逻辑较为复杂，会占用主控芯片的大量资源，使控制系统的整体可靠性降低。

实用新型内容

鉴于上述，本实用新型的目的是提供一种机器人关节电机驱动系统，用于解决现有机器人关节驱动方式的弊端。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种机器人关节电机驱动系统，包括关节电机、为所述关节电机供电的主电源以及控制单元，其中还包括：与所述主电源连接的隔离电源单元，以及对应于单个所述关节电机的驱动装置，其中所述隔离电源单元为所述控制单元供电；

所述驱动装置包括分别与所述控制单元、所述主电源以及所述隔离电源单元连接的三个模块：电机使能模块、方向控制模块以及转速控制模块；

其中，所述电机使能模块包括第一光耦单元以及第一功率驱动单元；所述第一光耦单元的输入侧与所述控制单元的使能信号端连接，所述第一光耦单元的输出侧与所述第一功率驱动单元的输入端连接，所述第一功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的启停；

所述方向控制模块包括第二光耦单元以及第二功率驱动单元；所述第二光耦单元的输入侧与所述控制单元的转向信号端连接，所述第二光耦单元的输出侧与所述第二功率驱动单元的输入端连接，所述第二功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的转向；

所述转速控制模块包括第三光耦单元以及第三功率驱动单元；所述第三光耦单元的输入侧与所述控制单元的调速信号端连接，所述第三光耦单元的输出侧与所述第三功率驱动单元的输入端连接，所述第三功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的转速；

所述隔离电源单元为上述光耦单元的发光器件供电；所述主电源分别为上述光耦单元的感应器件以及上述功率驱动单元供电。

在其中至少一种可能的实现方式中，所述第一功率驱动单元、所述第二功率驱动单元以及所述第三功率驱动单元，三者均由若干个晶体管及电阻构成。

在其中至少一种可能的实现方式中，所述第一光耦单元与所述第二光耦单元采用同一个光耦器件，所述第三光耦单元采用独立的高速光耦器件。

在其中至少一种可能的实现方式中，所述隔离电源单元包括：隔离电源芯片，以及由若干个电容及电感构成的外围电路。

在其中至少一种可能的实现方式中，所述控制单元通过串口接收外部控制信号。

在其中至少一种可能的实现方式中，所述关节电机的数量为多个。

本实用新型的设计构思在于，利用独立设置的隔离电源实现关节电机供电与控制单元供电独立，并针对关节电机的不同控制对象，设计出非集成的相应驱动装置，且各个驱动装置通过光耦单元、功率驱动单元以及不同电源分配机制，进一步实现了电气隔离。本实用新型充分简化了电机驱动电路设计，大幅提升关节电机驱动方式的可靠性，有效防止电机工作时对机器人其他电路及芯片的影响，具有抗干扰能力强、工程可靠性高的优势。

附图说明

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步描述，其中：

图1为本实用新型实施例提供的机器人关节电机驱动系统的方框示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电机使能模块与方向控制模块的电路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的转速控制模块的电路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的隔离电源单元的电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本实用新型提供了一种机器人关节电机驱动系统的实施例，具体可以如图1所示，包括关节电机、为所述关节电机供电的主电源(主电源的工作电压和功率，可由对应的电机额定工作电压和输出功率确定，对此本实用新型不作限定)以及控制单元(如MCU)，其中还包括：与所述主电源连接的隔离电源单元(如隔离DC/DC电源)，以及对应于单个所述关节电机的驱动装置1，其中所述隔离电源单元为所述控制单元供电。这里可以说明的是，在实际操作中，所述控制单元可以通过串口接收外部控制信号，以避免复杂逻辑，简化控制方式；此外，所述关节电机的数量也可以是多个，从而可以驱动机器人的多路关节电机，以节省PCB空间，降低生产成本。也即是说，通过独立对应单个关节电机设计的驱动装置1，则可以使MCU通过串口接收控制信号，并完成对各个关节电机的启停、旋转方向和转速控制。

具体地，所述驱动装置1包括分别与所述控制单元、所述主电源以及所述隔离电源单元连接的三个模块：电机使能模块10、方向控制模块20以及转速控制模块30。

其中，所述电机使能模块10包括第一光耦单元以及第一功率驱动单元；所述第一光耦单元的输入侧与所述控制单元的使能信号端连接，所述第一光耦单元的输出侧与所述第一功率驱动单元的输入端连接，所述第一功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的启停(如MCU的GPIO发出“EN”控制信号经第一光耦单元和第一功率驱动单元控制关节电机启动或停止)。

所述方向控制模块20包括第二光耦单元以及第二功率驱动单元；所述第二光耦单元的输入侧与所述控制单元的转向信号端连接，所述第二光耦单元的输出侧与所述第二功率驱动单元的输入端连接，所述第二功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的转向(如MCU的GPIO发出“DIR”控制信号经第二光耦单元和第二功率驱动单元控制关节电机作出旋转动作)。

所述转速控制模块30包括第三光耦单元以及第三功率驱动单元；所述第三光耦单元的输入侧与所述控制单元的调速信号端连接，所述第三光耦单元的输出侧与所述第三功率驱动单元的输入端连接，所述第三功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的转速(如MCU发出“PWM”控制信号经第三光耦单元和第三功率驱动单元控制关节电机的旋转速度)。

所述隔离电源单元为上述光耦单元的发光器件供电，所述主电源分别为上述光耦单元的感应器件以及上述功率驱动单元供电。

进一步地，所述第一功率驱动单元、所述第二功率驱动单元以及所述第三功率驱动单元，三者均由若干个晶体管及电阻构成。

进一步地，所述第一光耦单元与所述第二光耦单元采用同一个光耦器件，所述第三光耦单元采用独立的高速光耦器件。

进一步地，所述隔离电源单元包括：隔离电源芯片，以及由若干个电容及电感构成的外围电路。

为了便于理解上述实施例及其优选方案，可结合图2～图4所示的具体电路设计示例做如下介绍：如图2所示，MCU发出的“M1_EN”、“M1_DIR”和“M2_EN”、“M2_DIR”信号经同一个普通光耦器件如TLP521-4(可有效降低成本)，以及由三极管和电阻构成的四个功率驱动电路完成对相应的两个关节电机的使能及正反转控制(MOTOR_EN，MOTOR_DIR)。本领域技术人员可以理解的是，为了获得更高的驱动能力，可以将图中功率驱动电路的三极管Q1、Q4、Q2、Q6及Q7、Q10、Q8、Q12更换为更高功率等级的三极管，使驱动信号速度可达到1KHz。

如图3所示，MCU发出的“PWM”信号可使用高速光耦器件如6N137，以及由三极管和电阻构成的功率驱动电路完成对相应的关节电机的调速控制(MOTOR_S)。这里采用高速光耦的优势在于，可使驱动电路达到较高的驱动速度(其PWM输出频率最高可达1MHz)，以胜任更多的关节电机的调速控制。

如图4所示，可以采用诸如B0505-5W隔离电源模块以及由电感L1、电容C1、C2、C3、C4构成的外围电路组成所述隔离电源单元，再结合图2和图3，图4中直流电压“+5V_Q”为功率驱动单元的三极管及光耦单元的光电感应侧供电，也即是前文提及的主电源；而直流电压“+5V”则是经隔离转换后为MCU及光耦单元的发光侧供电的直流电压，以此设计可以有效保证MCU与驱动电路的电气隔离，保证电路工作的稳定性。

最后需指出的是，前述示例中提及的器件选型、参数以及构造电路的方式并非限定，可根据实际所需进行具体设计和选择。

综上所述，本实用新型的设计构思在于，利用独立设置的隔离电源实现关节电机供电与控制单元供电独立，并针对关节电机的不同控制对象，设计出非集成的相应驱动装置，且各个驱动装置通过光耦单元、功率驱动单元以及不同电源分配机制，进一步实现了电气隔离。本实用新型充分简化了电机驱动电路设计，大幅提升关节电机驱动方式的可靠性，有效防止电机工作时对机器人其他电路及芯片的影响，具有抗干扰能力强、工程可靠性高的优势。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，但以上仅为本实用新型的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本实用新型的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种机器人关节电机驱动系统，包括关节电机、为所述关节电机供电的主电源以及控制单元，其特征在于，还包括：与所述主电源连接的隔离电源单元，以及对应于单个所述关节电机的驱动装置，其中所述隔离电源单元为所述控制单元供电；

所述驱动装置包括分别与所述控制单元、所述主电源以及所述隔离电源单元连接的三个模块：电机使能模块、方向控制模块以及转速控制模块；

其中，所述电机使能模块包括第一光耦单元以及第一功率驱动单元；所述第一光耦单元的输入侧与所述控制单元的使能信号端连接，所述第一光耦单元的输出侧与所述第一功率驱动单元的输入端连接，所述第一功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的启停；

所述方向控制模块包括第二光耦单元以及第二功率驱动单元；所述第二光耦单元的输入侧与所述控制单元的转向信号端连接，所述第二光耦单元的输出侧与所述第二功率驱动单元的输入端连接，所述第二功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的转向；

所述转速控制模块包括第三光耦单元以及第三功率驱动单元；所述第三光耦单元的输入侧与所述控制单元的调速信号端连接，所述第三光耦单元的输出侧与所述第三功率驱动单元的输入端连接，所述第三功率驱动单元的输出端与所述关节电机连接，用于控制所述关节电机的转速；

所述隔离电源单元为上述光耦单元的发光器件供电；所述主电源分别为上述光耦单元的感应器件以及上述功率驱动单元供电。

2.根据权利要求1所述的机器人关节电机驱动系统，其特征在于，所述第一功率驱动单元、所述第二功率驱动单元以及所述第三功率驱动单元，三者均由若干个晶体管及电阻构成。

3.根据权利要求1所述的机器人关节电机驱动系统，其特征在于，所述第一光耦单元与所述第二光耦单元采用同一个光耦器件，所述第三光耦单元采用独立的高速光耦器件。

4.根据权利要求1所述的机器人关节电机驱动系统，其特征在于，所述隔离电源单元包括：隔离电源芯片，以及由若干个电容及电感构成的外围电路。

5.根据权利要求1～4任一项所述的机器人关节电机驱动系统，其特征在于，所述控制单元通过串口接收外部控制信号。

6.根据权利要求1～4任一项所述的机器人关节电机驱动系统，其特征在于，所述关节电机的数量为多个。

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