CN220401627U - 一种驱动、控制模块化的直流有刷电机系统 - Google Patents

Abstract

一种驱动、控制模块化的直流有刷电机系统，包括：直流电源、总控制器、电机控制器、驱动器和直流有刷电机；驱动器以H桥电路为核心电路；总控制器和电机控制器都是以单片机为核心电路，总控制器和电机控制器之间通信；一个驱动器和一个直流有刷电机构成一组终端模块；终端模块有多组；电机控制器的位置在位于终端模块，且一个电机控制器对应控制一个或多个终端模块。本实用新型的结构可以减少人形机器人等结构的内部导线数量，减少物理干涉以及提高可靠性，且终端模块可扩展。

Description

一种驱动、控制模块化的直流有刷电机系统

技术领域

本技术方属于电路技术领域，具体是一种驱动、控制模块化的有刷电机系统。

背景技术

现有技术中，直流有刷电机（Brushed DC，简称BDC）的应用非常广泛，由于其结构简单，操控方便，成本低廉，具有良好的扁动和调速性能等优势，被广泛应用于各种动力器件中，小到玩具，按钮调节式汽车座椅，大到印刷机械等。比如在机器人技术中，机器人的关节动作的动力也源自直流有刷电机。由于小型直流有刷电机的技术较为成熟，价格不是太高，为了减少机械结构的干涉等，在一台机器人中会使用较多电机来分别带动相应执行结构。

通常来说，一台机器人的各个电机工作是由控制器和驱动器协作控制完成，它们集成于同一电路板上，控制器通过板载印制线与各个驱动器通信，各个驱动器分别通过实体导线（至少两根）连接电机的相应接线端子。由控制器接收来自外部（例如上位机）的指令数据，然后根据指令控制相应电机的驱动器，由驱动器驱动相应电机的转速、转向等。图1是现有技术中一台机器人的电机控制原理示意图。该模式的问题主要是，对于轴数较多的机器人（尤其是人形机器人），导线以及接线端子数量太多，为系统稳定性等带来负面影响。集成在电路板上的电机驱动器（单元）数量是固定的，驱动输出接口不可扩展。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提出的有刷电机的一体化驱动和控制模块，通过本模块，可实现多电机、多模式地灵活配置机器人用（直流有刷）电机。

本实用新型的一种驱动、控制模块化的直流有刷电机系统，包括：直流电源、总控制器、电机控制器、驱动器和直流有刷电机；驱动器以H桥电路为核心电路；总控制器和电机控制器都是以单片机为核心电路，总控制器和电机控制器之间通信；电机控制器输出PMW控制信号给驱动器的H桥电路的PMW控制信号输入端，H桥电路的电源输入端连接直流电源的输出端；

一个驱动器和一个直流有刷电机构成一组终端模块，驱动器的H桥电路的驱动输出端连接直流有刷电机的两个接线端；

所述终端模块有多组；

所述总控制器和直流电源的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为总控板；总控板上有总线输出端，总线输出端包括总线数据接线端子和总线电源接线端子，总线数据接线端子通过板载印制线电连接于总控板上单片机的数据输入/输出端，总线电源接线端子通过板载印制线电连接于总控板上直流电源输出端；

所述电机控制器的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为控制板；

控制板上有总线输入接线端，总线输入接线端包括电源接线端子和数据接线端子，电源接线端子通过板载印制线电连接于控制板的单片机电源输入端，数据接线端子通过板载印制线电连接于控制板的单片机的数据输入/输出端；

控制板与总控板之间通过总线电连接，总线包含数据线和电源线；总控板上的总线信号接线端子与控制板上的数据接线端子通过数据线电连接；总控板上的总线电源接线端子与控制板上的电源接线端子通过电源线电连接；

控制板上还有输出接线端；输出接线端中的电源接线端子通过板载印制线电连接于总线输入接线端的电源接线端子；输出接线端中的信号接线端子通过板载印制线电连接于单片机的PMW控制信号输出端；

所述驱动器的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为驱动板；控制板的形状与驱动板的形状对应；

驱动板固定连接于同组的直流有刷电机的尾部；驱动板上有输入接线端，输入接线端中的电源接线端子和信号接线端子分别通过板载印制线电连接于H桥电路的电源输入端以及H桥电路的PMW控制信号输入端；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：控制板层叠连接于驱动板上，控制板与驱动板之间的电连接是通过两块板上对应的输出/输入接线端上的电源接线端子和信号接线端子连接；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：控制板层叠连接于一块驱动板上，控制板与这块驱动板之间的电连接是通过两块板上对应的输出/输入接线端上的电源接线端子和信号接线端子连接；

其它驱动板与控制板的连接结构为：

控制板上还有总线输出接线端，总线输出接线端的电源端子电连接于总线输入接线端的电源端子，总线输出接线端的信号接线端子电连接于控制板的单片机的PMW控制信号输出端；总线输出接线端通过一根总线依次连接其它驱动板上的输入接线端。

现有技术中，由于需控制电机的数量有限，总控制器和电机控制器共用同一单片机（微控器）。

随着技术发展，单片机的价格比较低廉，一片普通8位单片机的价格通常在1～2元，而电机控制过程中，并无复杂运算，一片普通8位单片机足以满足需要。

在本案中，把电机控制器从总控板中分离出来，并把电机控制器的物理位置安放到接近被控电机附近，而电机控制器与总控制器之间的电连接通过导线束（可以采用具有信号和电源传输功能的实体总线）实现。这种结构可以减少人形机器人等结构的内部导线数量，减少物理干涉以及提高可靠性，且终端模块可扩展。

在终端模块中，把驱动器直接固定在被控电机上，二者之间结构稳定可靠。

根据具体使用要求，可以在每个终端模块中分配一个电机控制器（如上述A情形），并直接物理连接到驱动器上（即相应电机上），电机控制器和总控制器之间是总线连接。由于总控制器与电机控制器之间的数据通信可以采用串行/并行通信，所以，一根总线上可以连接多个电机控制器（即多个终端模块），这样可减少导线总量。

如果遇到多个终端模块的位置接近（例如人形机器人的一只手臂上各个关节所用电机），则可以把这几个终端模块共用一个电机控制器（如上述B情形）。此时，这个电机控制器控制多个驱动器，而物理位置在一个终端模块上。

进一步的，还包括结构件，结构件为可拆卸连接的上壳体和下壳体；下壳体固定连接于电机壳体的尾部，所述驱动板在下壳体内；在上壳体上开有与各个接线端对应的通孔；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：则驱动板上层叠连接控制板，相应上壳体上开有与总线输入接线端对应的通孔；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：若驱动板上层叠连接控制板，则相应上壳体上开有分别与总线输入接线端以及总线输出接线端对应的通孔；若驱动板上无控制板，则相应上壳体上仅开有与输入接线端对应的通孔。

结构件的对各个电路板提供防护。

具体来说：在总控板上安装有与总线输出端对应的总线输出接插件；

在控制板上安装有与总线输入接线端对应的总线输入接插件、与总线输出接线端对应的总线输出接插件以及与输出接线端对应的输出接插件；

在驱动板上安装有与输入接线端对应的输入接插件；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：控制板层叠连接于驱动板上，控制板与驱动板之间的电连接是通过两块板上对应输出接插件和输入接插件连接；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：控制板层叠连接于一块驱动板上，控制板与这块驱动板之间的电连接是通过两块板上对应输出接插件和输入接插件连接。

控制板与其它驱动板的物理连接，是由控制板的总线输出接线端通过总线上并联连接的接插件分别对应连接驱动板上的输入接插件。

各个电路板之间通过接插件灵活连接，并且，对于直接连接的控制板和驱动板是通过相应接插件（分别是一套接插件的公/母端）直连，进一步提高可靠性。

与现有技术相比本实用新型结构可靠，应用灵活，解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

图1是现有技术中人形机器人电机控制原理示意图；

图2是本实施例应用于人形机器人电机控制原理示意图；

图3是终端模块的外形示意图（立体图）；

图4是终端模块的装配示意图（立体图）；

图5是终端模块的装配示意图（主视图）；

图6是控制板与驱动板连接示意图（A情形）；

图7是驱动器的电原理图；

图中：控制板1、驱动板2、直流有刷电机3、上壳体4、下壳体5、通孔6、总线输入接插件7、总线输出接插件8、输出接插件9、输入接插件10。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本案进一步说明。

参考图2，一种驱动、控制模块化的直流有刷电机系统，包括：直流电源、总控制器、电机控制器、驱动器和直流有刷电机；驱动器以H桥电路为核心电路；总控制器和电机控制器都是以单片机为核心电路，总控制器和电机控制器之间通信；电机控制器输出PMW控制信号给驱动器的H桥电路的PMW控制信号输入端，H桥电路的电源输入端连接直流电源的输出端；

一个驱动器和一个直流有刷电机构成一组终端模块，驱动器的H桥电路的驱动输出端连接直流有刷电机的两个接线端；

所述终端模块有多组；

所述总控制器和直流电源的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为总控板；总控板上有总线输出端，总线输出端包括总线数据接线端子和总线电源接线端子，总线数据接线端子通过板载印制线电连接于总控板上单片机的数据输入/输出端，总线电源接线端子通过板载印制线电连接于总控板上直流电源输出端；

再参考图3～图5：

所述电机控制器的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为控制板1；

控制板1上有总线输入接线端，总线输入接线端包括电源接线端子和数据接线端子，电源接线端子通过板载印制线电连接于控制板的单片机电源输入端，数据接线端子通过板载印制线电连接于控制板的单片机的数据输入/输出端；

控制板与总控板之间通过总线电连接，总线包含数据线和电源线；总控板上的总线信号接线端子与控制板上的数据接线端子通过数据线电连接；总控板上的总线电源接线端子与控制板上的电源接线端子通过电源线电连接；

控制板上还有输出接线端；输出接线端中的电源接线端子通过板载印制线电连接于总线输入接线端的电源接线端子；输出接线端中的信号接线端子通过板载印制线电连接于单片机的PMW控制信号输出端；

所述驱动器的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为驱动板2；控制板的形状与驱动板的形状对应；

驱动板2固定连接于同组的直流有刷电机3的尾部；驱动板上有输入接线端，输入接线端中的电源接线端子和信号接线端子分别通过板载印制线电连接于H桥电路的电源输入端以及H桥电路的PMW控制信号输入端；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：控制板层叠连接于驱动板上，控制板与驱动板之间的电连接是通过两块板上对应的输出/输入接线端上的电源接线端子和信号接线端子连接；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：控制板层叠连接于一块驱动板上，控制板与这块驱动板之间的电连接是通过两块板上对应的输出/输入接线端上的电源接线端子和信号接线端子连接；

其它驱动板与控制板的连接结构为：

控制板上还有总线输出接线端，总线输出接线端的电源端子电连接于总线输入接线端的电源端子，总线输出接线端的信号接线端子电连接于控制板的单片机的PMW控制信号输出端；总线输出接线端通过一根总线依次连接其它驱动板上的输入接线端。

还包括结构件，结构件为可拆卸连接的上壳体4和下壳体5；下壳体5固定连接于电机壳体的尾部，所述驱动板2在下壳体5内；在上壳体4上开有与各个接线端对应的通孔6；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：则驱动板上层叠连接控制板，相应上壳体上开有与总线输入接线端对应的通孔；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：若驱动板上层叠连接控制板，则相应上壳体上开有分别与总线输入接线端以及总线输出接线端对应的通孔；若驱动板上无控制板，则相应上壳体上仅开有与输入接线端对应的通孔。

在总控板上安装有与总线输出端对应的总线输出接插件；

在控制板1上安装有与总线输入接线端对应的总线输入接插件7、与总线输出接线端对应的总线输出接插件8以及与输出接线端对应的输出接插件9；

在驱动板2上安装有与输入接线端对应的输入接插件10；

A、再参考图6，一块控制板对应连接一块驱动板：控制板1层叠连接于驱动板2上，控制板1与驱动板2之间的电连接是通过两块板上对应输出接插件9和输入接插件10连接；

B、再参考图5，一块控制板对应连接多块驱动板：控制板1层叠连接于一块驱动板2上，控制板1与这块驱动板2之间的电连接是通过两块板上对应输出接插件9和输入接插件10连接。

控制板与其它驱动板的物理连接，是由控制板的总线输出接线端通过总线上并联连接的总线输出接插件8分别对应连接驱动板上的输入接插件10。

参考图7，驱动器的H桥电路的四个桥臂中：左半桥的上下两个桥臂之间连接直流有刷电机的一个接线端，右半桥的上下两个桥臂之间连接直流有刷电机的另一个接线端；直流有刷电机的两个接线端分别为“+”和“-”端；H桥电路的“+”和“-”输入端分别连接直流电源的“+”和“-”输出端；驱动板上输入接线端的端子分别电连接于H桥电路的“+”和“-”输入端以及H桥电路的PMW控制信号的输入端。

在实现过程中，控制板和驱动板的面积大约是3.2cm×3.2cm，可以层叠安装在520/545/555等型号的小型直流有刷电机的尾部。直流电源通常采用DC/DC转换电路，把外接直流电转成各个电路工作电压并输出。由于这里驱动电机，则器件选型时候，要求较高的承载功率。总线可采用CAN总线及其通信电路。

Claims (3)

1.一种驱动、控制模块化的直流有刷电机系统，包括：直流电源、总控制器、电机控制器、驱动器和直流有刷电机；驱动器以H桥电路为核心电路；总控制器和电机控制器都是以单片机为核心电路，总控制器和电机控制器之间通信；电机控制器输出PMW控制信号给驱动器的H桥电路的PMW控制信号输入端，H桥电路的电源输入端连接直流电源的输出端；

一个驱动器和一个直流有刷电机构成一组终端模块，驱动器的H桥电路的驱动输出端连接直流有刷电机的两个接线端；

其特征是所述终端模块有多组；

所述总控制器和直流电源的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为总控板；总控板上有总线输出端，总线输出端包括总线数据接线端子和总线电源接线端子，总线数据接线端子通过板载印制线电连接于总控板上单片机的数据输入/输出端，总线电源接线端子通过板载印制线电连接于总控板上直流电源输出端；

所述电机控制器的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为控制板；

控制板上有总线输入接线端，总线输入接线端包括电源接线端子和数据接线端子，电源接线端子通过板载印制线电连接于控制板的单片机电源输入端，数据接线端子通过板载印制线电连接于控制板的单片机的数据输入/输出端；

控制板与总控板之间通过总线电连接，总线包含数据线和电源线；总控板上的总线信号接线端子与控制板上的数据接线端子通过数据线电连接；总控板上的总线电源接线端子与控制板上的电源接线端子通过电源线电连接；

控制板上还有输出接线端；输出接线端中的电源接线端子通过板载印制线电连接于总线输入接线端的电源接线端子；输出接线端中的信号接线端子通过板载印制线电连接于单片机的PMW控制信号输出端；

所述驱动器的电路集成于一块电路板上，这块电路板称为驱动板；控制板的形状与驱动板的形状对应；

驱动板固定连接于同组的直流有刷电机的尾部；驱动板上有输入接线端，输入接线端中的电源接线端子和信号接线端子分别通过板载印制线电连接于H桥电路的电源输入端以及H桥电路的PMW控制信号输入端；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：控制板层叠连接于驱动板上，控制板与驱动板之间的电连接是通过两块板上对应的输出/输入接线端上的电源接线端子和信号接线端子连接；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：控制板层叠连接于一块驱动板上，控制板与这块驱动板之间的电连接是通过两块板上对应的输出/输入接线端上的电源接线端子和信号接线端子连接；

其它驱动板与控制板的连接结构为：

控制板上还有总线输出接线端，总线输出接线端的电源端子电连接于总线输入接线端的电源端子，总线输出接线端的信号接线端子电连接于控制板的单片机的PMW控制信号输出端；总线输出接线端通过一根总线依次连接其它驱动板上的输入接线端。

2.根据权利要求1所述的驱动、控制模块化的直流有刷电机系统，其特征是还包括结构件，结构件为可拆卸连接的上壳体和下壳体；下壳体固定连接于电机壳体的尾部，所述驱动板在下壳体内；在上壳体上开有与各个接线端对应的通孔；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：则驱动板上层叠连接控制板，相应上壳体上开有与总线输入接线端对应的通孔；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：若驱动板上层叠连接控制板，则相应上壳体上开有分别与总线输入接线端以及总线输出接线端对应的通孔；若驱动板上无控制板，则相应上壳体上仅开有与输入接线端对应的通孔。

3.根据权利要求1或2所述的驱动、控制模块化的直流有刷电机系统，其特征是在总控板上安装有与总线输出端对应的总线输出接插件；

在控制板上安装有与总线输入接线端对应的总线输入接插件、与总线输出接线端对应的总线输出接插件以及与输出接线端对应的输出接插件；

在驱动板上安装有与输入接线端对应的输入接插件；

A、一块控制板对应连接一块驱动板：控制板层叠连接于驱动板上，控制板与驱动板之间的电连接是通过两块板上对应输出接插件和输入接插件连接；

B、一块控制板对应连接多块驱动板：控制板层叠连接于一块驱动板上，控制板与这块驱动板之间的电连接是通过两块板上对应输出接插件和输入接插件连接。