上肢康复机器人用无刷直流电机控制器

• 摘要：

  上肢康复机器人用无刷直流电机控制器,包括微控制器、PWM驱动电路、全桥逆变电路、通信接口电路和电源电路,所述的微控制器采用STM32微控制器,微控制器完成包括PWM信号的产生、转子位置检测、过流检测与保护、速度测量和控制器工作状态指示,所述的PWM驱动电路采用IR2130S芯片作为驱动电路,所述的全桥逆变电路采用功率MOSFET 芯片I RF3808构成的全桥逆变电路,实现电机的换向驱动控制;所述的通信接口电路CAN通信和RS232串行通信两种接口,便于控制器与不同通信接口的上位机进行连接应用.采用本控制器在满足要求的情况下可以有效的降低设备成本.

• 专利类型：

  实用新型

• 申请/专利号：

  CN201720195347.5

• 申请日期：

  2017.03.02

• 公开/公告号：

  CN206481241U

• 公开/公告日：

  2017-09-08

• 发明人：

  张修太 翟亚芳 姚琏 李静 李立 晁军锋

• 申请人：

  安阳工学院

• 主分类号：

  H02P6/08(2016.01)I,H,H02,H02P,H02P6

• 分类号：

  H02P6/08(2016.01)I,H02P6/17(2016.01)I,H02P27/06(2006.01)I,H02H7/085(2006.01)I,H,H02,H02P,H02H,H02P6,H02P27,H02H7,H02P6/08,H02P6/17,H02P27/06,H02H7/085

• 主权项：

  上肢康复机器人用无刷直流电机控制器,包括微控制器、PWM驱动电路、全桥逆变电路、通信接口电路和系统电源电路,其特征在于:所述的微控制器采用STM32微控制器,微控制器完成包括PWM信号的产生、转子位置检测、过流检测与保护、速度测量和控制器工作状态指示,PWM信号由STM32中的高级定时器TIM1产生,由TIM1的三个输出通道TIM1_CH1、TIM1_CH2、TIM1_CH3输出上桥臂的控制信号,分别由微控制器的PA8、PA9和PA10引脚输出,TIM1的三个输出通道TIM1_CH1N、TIM1_CH2N、TIM1_CH3N输出下桥臂的控制信号,分别由微控制器的PB13、PB14和PB15引脚输出;无刷直流电机转子位置信号由霍尔传感器产生,由STM32的定时器TIM2进行检测,信号由PA0、PA1和PA2引脚输入到定时器的TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3三个输入通道;速度检测电路的输入信号由PA6、PA7引脚接入到定时器TIM3的TIM3_CH1、TIM3_CH2,由定时器TIM3完成速度测量;电流检测由PB0引脚输入到A/D转换器ADC12_IN8通道,进行电流检测,完成过流检测和保护;引脚OSC_IN、TDI、RESET、TCK/SWCLK、TMS/SWDIO、TMO/SWO构成了JTAG接口电路;STM32微控制器的PWM1+、PWM2+、PWM3+、PWM1‑、PWM2‑、PWM3‑接PWM驱动电路;HALL1、HALL2、HALL3接霍尔转子位置信号;QEPIN1、QEPIN2接速度检测电路;XINTIN1、XINTIN2接限位信号;LED1、LED2、LED3接控制器状态指示电路;SCIRX、SCITX接RS232通信接口电路;CanTx、CanRx接CAN通信接口电路;fault接PWM驱动电路,i_sense接电流检测电路;U1的8端口接模拟地,U1的23、35、47端口接数字地,U1的24、36、48端口接3.3V电源正极;二极管D1的正极接3.3V电源正极,二极管D1的负极接U1的1端口;电阻R1的一端接U1的44端口,一端接数字地;所述的PWM驱动电路采用IR2130S芯片作为驱动电路,该驱动电路由U8、电阻R31、电阻R41、电阻R28、电阻R46、电阻R54、电阻R59、电阻R60、LD3、D2、D3、D4构成;HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3通过高速光耦分别连接到STM32的PA8、PA9、PA10、PB13、PB14、PB15引脚;Protect连接过流保护电路,Sample和fault接电流采样电路;D2、D3、D4正极性端接12V电源的正极,负极性端分别接U8的20、24和28端口;U8的10、11、12、17、21和25端口接12V电源负极性端;LD3的负极性端接U8的8端口,正极性端接电阻R59,电阻R59的另一端接5V电源的正极性端;U8的2、3、4、5、6、7端口分别通过电阻R31、电阻R41、电阻R28、电阻R46、电阻R54、电阻R59、电阻R60后连接到5V电源的正极;U8的1端口接12V电源正极;所述的全桥逆变电路采用功率MOSFET 芯片I RF3808构成的全桥逆变电路,实现电机的换向驱动控制;所述全桥逆变电路中MOST1、MOST2、 MOST3为上桥臂,MOST4、MOST5、MOST6为下桥臂, PVCC24接24V直流电源,Sample接电流采样电路,用于实现电流检测和过流保护;全桥逆变电路由MOST1、MOST2、MOST3、MOST4、MOST5、MOST6、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R51、电阻R52、电阻R53器件构成;MHO1、MHO2、MHO3分别通过一个电阻再分别连接到MOSFET驱动电路的HO1、HO2、HO3引脚,MLO1、MLO2、MLO3分别通过一个15Ω电阻再分别连接到MOSFET驱动电路的LO1、LO2、LO3引脚,U、V、W分别接MOSFET驱动电路的VS1、VS2、VS3引脚;MOST1、MOST2、MOST3的漏极接24V电源的正极;MOST4、MOST5、MOST6的源极接电流检测电路Sample端;电阻R38、电阻R39、电阻R40一端分别接MOST1、MOST2、MOST3的栅极,另一端分别接MOST1、MOST2、MOST3的源极;电阻R51、电阻R52、电阻R53一端分别接MOST4、MOST5、MOST6的栅极,另一端分别接MOST4、MOST5、MOST6的源极; 所述的通信接口电路CAN通信和RS232串行通信两种接口,便于控制器与不同通信接口的上位机进行连接应用; CAN通信接口电路由C40、电阻R65、电阻R66、J1和U3构成,其中电阻R65电阻为120Ω的阻抗匹配电阻,CanRx、CanTx分别接STM32的PB8和PB9引脚,CAN通信接口电路通过J1接口与PLC或计算机连接;RS232接口电路由C21、C25、C26、C27、C28、J2和U2构成,SCITX、SCIRX分别与STM32的PB10和PB11引脚连接,RS232通信接口电路通过J2与PLC或计算机连接;U3的3端口接3.3V电源的正极;U3的8端口通过电阻R66接3.3V电源的负极,U2的1和3端口接电容C25,U2的4和5端口接电容C27,U2的2、6和16端口分别通过电容C26、C28和C21接电源地,U2的16端口接3.3V电源正极;所述的系统电源电路包括24V直流电源接口JP24,与JP2连接有电容C2、电容C3、电容C4、电容C5连接,电容C2、电容C3、电容C4、电容C5作为24V电源的滤波电容;电容C6、电容C16作为12V电源的滤波电容,与V2的引脚3和引脚5相连;电容C14、电容C15作为5V电源的滤波电容,与V4的引脚2和引脚3相连;电容C7、电容C8作为5V数字电路电源的滤波电容,与V1的引脚3和引脚5相连;电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13作为3.3V数字电路电源的滤波电容,与V3的引脚2和引脚4相连;V1和V2为DC‑DC电源模块,分别实现24V转5V和24V转12V电压变换;V1和V2为三端稳压器,分别实现5V转3V和12V转5V电压变换;所述的控制器中还包含电平转换与驱动电路,电平转换与驱动电路实现PWM信号的电平转换和光电耦合器的驱动,由U4构成, U4的引脚1接DVCC5,U4的引脚23、引脚24接DVCC33,U4的引脚2、引脚22、引脚11、引脚12、引脚13接DGND,U4的引脚16、引脚17、引脚18、引脚19、引脚20、脚21接STM32微控制器的PA10、PA9、PA8、PB15、PB14、PB13,U4的引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8分别接U5、U6、U7的引脚2和引脚3.