本实用新型涉及直流电机控制领域，具体的说是一种总线式直流电机。
背景技术：
直流电机在工业生产和生活中应用广泛，特别是直流减速电机，通过不同的减速比，能够任意搭配直流电机的输出扭矩和速度，而大部分的直流减速电机是通过外接驱动器进行驱动，而带有编码器的电机接线更为复杂，并且所有的电机数据采集和驱动输出由外接的驱动模块处理，单个模块可能处理能力不足，多个模块又体积庞大，接线复杂，存在线路接触不良，电机参数信息采集困难等问题。
大连光洋科技工程有限公司的于德海等人申请的《总线式智能电机》，公开号为CN101150272，公开日为20080326，提出了一种总线式智能电机，包括集成为一体的电机、伺服驱动器、编码器以及散热器，通过FPGA片上集成系统与以太网总线控制电机，虽然能够很好的解决电机的一体化与总线智能控制问题，但成本过高，系统复杂，不适合应用在小型减速电机上。
东方电气集团东风电机有限公司的周定祥等人申请的《一种基于CAN总线的电机控制器参数修改系统及方法》，公开号为CN102662397A，公开日为20120912，公开了一种利用CAN总线修改和读取电机控制器参数的方法，但并未提及电机控制器与电机的集成化安装，未提及电机运行过程中的指令发送与接收以及电机的级联控制。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于提出了一种总线式直流电机，利用串口单总线传输数据信息，将电机驱动模块和电机控制模块集成安装到直流电机后部，能够通过总线级联控制电机的转速和位置。
本实用新型所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种总线式直流电机，包括用于供电的电源模块，所述电源模块连接有主控模块、编码器模块、电机驱动模块，所述主控模块与所述电机驱动模块连接用于控制电机，所述主控模块与所述编码器模块连接用于测量速度和位置，所述主控模块连接有电压检测模块进行电压检测，所述主控模块连接有LED模块用于显示各种灯效，所述主控模块连接有总线接口用于输入和传输电源和信号。
所述主控模块采用型号为STM8S003的主控芯片，所述主控芯片的19脚被配置为半双工单总线模式，所述主控芯片的19脚连接有第三电阻，所述第三电阻远离所述主控芯片的一端连接有第一接口的1脚，所述第一接口的2脚连接有主电源VM，所述第一接口的3脚接地，所述第一接口的1脚、2脚、3脚对应连接有第二接口的1脚、2脚、3脚。
所述编码器模块包括第一霍尔和第二霍尔，所述第一霍尔的3脚连接有第二电阻后接数字电源VCC，所述第一霍尔的3脚还连接于所述主控芯片的14脚，所述第二霍尔的3脚连接于所述主控芯片的13脚。
所述主控模块与所述电机驱动模块相连提供驱动信号，所述电机驱动模块连接有直流电机的两极，所述电机驱动模块根据不同的电机功率选择不同的驱动芯片。
所有电路模块放置在同一块PCB中，所述PCB是带有中心孔的圆形PCB，所述PCB的外径与电机外径相同，安装有所述电机驱动模块的一面与电机底部贴合，所述编码器模块的两个霍尔传感器正面呈90度夹角垂直于PCB安装，电机的后出轴套有圆形编码磁铁，所述霍尔传感器的一面紧挨所述圆形编码磁铁的外表面。
一种总线直流电机的控制方法，包括步骤：
S1)初始化；
S2)静态运行参数读取；
S3)总线接收、解码、校验与应答；
S4)电机周期PWM波控制。
所述步骤S1)包括：
S11)看门狗初始化；
S12)FLASH初始化；
S13)定时器初始化；
S14)GPIO初始化；
S15)ADC初始化；
S16)串口初始化，配置为单线串口模式。
所述步骤S2)的静态运行参数存储于所述主控制器模块的EEPROM区域，按照事先设置的顺序写入参数表，包括电机的PID参数、最大速度、最大扭矩，将各运行参数从EEPROM区加载到RAM区用于电机控制。
所述步骤S3)采用串口接收中断的方式不断从总线上获取指令并解码，当匹配到本机ID或广播ID时，主控制器接收此条指令，接收到完整的一条指令后通过预定的校验规则进行校验，确认指令无误后根据命令进行电机操作并做出应答，应答的内容包括电机状态、电机参数表中的各项参数。
所述步骤S4)采用PID算法控制电机，输入变量为由所述编码器模块采集的正交编码参数，输出变量为控制所述电机驱动模块的PWM波占空比，控制周期由定时器设置，在一个控制周期内，接收由总线下达的指令，调整控制参数，改变PID算法控制中的速度目标值或位置目标值，实现电机的速度控制和位置控制。
本实用新型的有益效果是：
单线串口的方式级联电机，布线简洁，控制简单，控制数量多达253台；
将模块后置到电机后部，一体化程度高，体积小；
可修改内部各种运行参数并断电保存，设置方便；
PID控制，能够精确输出速度和位置，控制精度高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型的系统原理图；
图2为本实用新型的总线接口电路图；
图3为本实用新型的主控模块电路图；
图4为本实用新型的编码器模块电路图；
图5为本实用新型的电源模块电路图；
图6为本实用新型的电机驱动模块电路图；
图7为本实用新型的电压检测模块电路图；
图8为本实用新型的LED模块电路图；
图9为本实用新型的安装示意图；
图10为本实用新型的控制流程图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本实用新型进一步阐述。
如图1所示的系统原理图：
一种总线式直流电机，包括用于供电的电源模块101，所述电源模块101连接有主控模块102、编码器模块103、电机驱动模块104供应逻辑电源和功率电源，其中逻辑电源是输入电压降压后得到的3.3V或5V电源，功率电源是用于给电机驱动模块104的电机芯片输入供电，所述主控模块102与所述电机驱动模块104连接用于控制电机，所述主控模块102与所述编码器模块103连接用于测量速度和位置，所述主控模块102连接有电压检测模块105进行电压检测，所述主控模块102连接有LED模块106用于显示各种灯效，所述主控模块102连接有总线接口107用于输入和传输电源和信号。
如图3所示的主控模块电路图：
所述主控模块102包括主控芯片U1，所述主控芯片U1的型号为STM8S003，是常用的8位单片机，拥有两个外部定时器和一个内部定时器，6个ADC通道，1个UART串口，并且封装小巧，特别是QFN20封装只有3*3mm大小，作为电机主控能够方便地被嵌入到电机内部。
如图5所示的电源模块电路图：
所述电源模块101采用了常用的5V降压芯片SPX5205-5.0作为降压芯片，所述电源模块101包括降压芯片U2，输入电容包括第七电容C7、第八电容C8，输出电容包括第四电容C4、第五电容C5，所述降压芯片U2的1脚连接有输入电源VM，输入电源VM的范围是6-16V，所述输入电容第七电容C7和第八电容C8的参数为35V47uf，用于稳压和滤波，所述输出电容第四电容C4的容值为10uf，所述第五电容C5的容值为0.1uf，用于滤除逻辑电源VCC的波动。
如图2所示的总线接口电路图：
所述输入电源VM由所述总线接口107输入，所述总线接口107包括第一接口P3和第二接口P4，所述第一接口P3的1脚输入串口总线信号SIG，所述第一接口P3的2脚输入电源VM，所述第一接口P3的3脚接地，所述第二接口P4的1脚、2脚、3脚与所述第一接口P3的1脚、2脚、3脚对应连接。
如图7所示的电压检测模块电路图：
所述电压检测模块105采用了分压电阻网络，所述输入电源VM连接有第六电阻R6后串接有第七电阻R7后接地，所述第七电阻R7远离地的一端连接所述主控芯片U1的16脚，所述主控芯片U1的16脚被配置为第三ADC通道，用于获取分压后的电压值VOLT，所述第六电阻的参数为100K/1％，所述第七电阻的参数为10K/1％，所以所述第六电阻R6与第七电阻R7的阻值比值为A，由于所述主控芯片U1的ADC精度为1024分辨率，所以能够通过公式：
VM＝VOLT/1024*VCC*(A+1)
计算得出输入电源的电压值，在主控芯片内部设置有最高电压与最低电压限制值，通过采样计算得到的实际电压值与设置的限制电压值比对可在电压异常时切断输出，进行电压检测和保护。
所述主控芯片U1的19脚为串口发射引脚UART1_TX，当所述主控芯片U1的19脚被配置为半双工单线模式时，所述主控芯片U1的19脚在发送串口数据时被配置为发送状态，在不发送数据时表现为一个标准的IO口，所以必须将其配置成悬空输入或开漏输出高电平，所述主控芯片U1的19脚连接有第三电阻R3，所述第三电阻R3远离所述主控芯片U1的一端连接有第一接口P3的1脚，所述第三电阻R3的作用是用于缓冲电平，当逻辑电源为3.3V而数据电平为5V时，所述第三电阻R3可作为降压电阻使用。
如图4所示的编码器模块电路图：
所述编码器模块103包括第一霍尔P1和第二霍尔P2，所述霍尔的型号可采用低压型44E霍尔，所述第一霍尔P1的3脚为信号引脚连接有上拉电阻第二电阻R2，所述第一霍尔P1的3脚还连接于所述主控芯片U1的14脚，所述第二霍尔P2的3脚上拉后连接于所述主控芯片U1的13脚，所述第一霍尔P1与第二霍尔P2的2脚接地，所述第一霍尔P1与第二霍尔P2的1脚连接逻辑电源VCC。当霍尔表面通过磁场时，信号引脚电平会被拉低，无磁场后信号引脚会被拉高，产生信号脉冲，所述主控芯片U1的13脚和14脚分别对应于定时器1的第一通道与第二通道，将定时器1配置为正交编码输入模式，并使用通道1与通道2作为正交输入引脚，根据两个霍尔传来的信号脉冲的相位差判断是正转还是反转，根据信号脉冲计数得到编码器旋转量，选用13极的圆形磁编码器安装在电机的输出轴上用于采集电机旋转参数。
所述主控模块102与所述电机驱动模块104相连提供驱动信号，所述电机驱动模块104连接有直流电机的两极，所述电机驱动模块104根据不同的电机功率选择不同的驱动芯片，在本实例中使用的减速电机为370减速电机，体积小，常应用于模型、电动推杆等领域，电流小于2A，所以根据需求选择电机驱动模块，本实例中选取的电机芯片为DRV8870，峰值电流为3.6A，持续电流为2A，且能够提供过压、过流、过温保护，符合电机的驱动要求。
所述电机驱动模块104包括电机芯片U3，所述电机芯片U3的6脚连接极片安装第一孔PAD1，所述电机芯片U3的8脚连接第二极片安装孔PAD2，所述电机芯片U3的7脚连接一个1/2W电流采样电阻R5后接地，所述电机芯片U3的4脚连接逻辑电源VCC，所述电流采样电阻R5用于设置最大保护电流Imax，公式为：
Imax＝VCC/(10*R5)
本实例中所述电流采样电阻R5的阻值为0.2R，精度为1％，当逻辑电源为3.3V时保护电流被设置为1.65A。所述电机芯片U3的5脚连接驱动电源VM给电机提供电压，所述电机芯片U3的1脚接地。
所述电机芯片U3为常见的H桥电机芯片，通过内部MOS管组成的H桥控制电机的通断和电流方向：
输入信号为IN1和IN2，当两个输入信号为0时，输出为0，电机不接电；
当输入IN1为1，输入IN2为0时，电机以最大速度正转；
当输入IN1为0，输入IN2为1时，电机以最大速度反转；
当输入IN1为1，输入IN2为1时，电机两极相当于被直接导通，电机内部的电磁感应导致电机能够很快地停转，表现为刹车；
当输入信号的一端为0，另一端为PWM波时，电机获得的电压随PWM波的占空比的增加而增加，实现电机的调速功能。
所述电机芯片的U3的2脚连接所述主控芯片U1的12脚输入信号IN1，所述电机芯片U3的3脚连接所述主控芯片U1的17脚输入信号IN2，所述主控芯片U1的12脚和17脚对应为定时器2的1通道和2通道，可被配置为PWM波输出模式，用于对电机的调速控制。
如图8所示的LED模块电路图：
所述LED模块106采用了4脚的三色RGB灯，所述LED模块的R、G、B三色正极分别对应连接所述主控芯片U1的7脚、11脚、10脚，所述LED模块的GND端接地，通过主控芯片U1GPIO引脚直接供电驱动，正常使用下可以随意控制LED的颜色，当主控发现错误或遇到低压高压，过流等情况时，LED模块输出红色报警灯提醒用户发生错误。
如图9所示的安装示意图：
直流减速电机1的下半部为减速箱，下半部为驱动的直流电机，直流电机的底部为两个电极极片7和伸出的编码器安装输出轴，所有电路结构被设计在PCB2上方，电机的两个极片7穿过PCB2上预留的极片安装孔并被焊在PCB2上，主控芯片3放置在PCB2的背面并打三防胶进行防水处理，电机驱动芯片5也被放置在PCB2的背面并使芯片表面紧贴电机的底部外壳并涂抹散热硅脂，利用外壳进行散热，省去了安装散热片的空间，使整个总线电机更紧凑小巧，PCB2的正面对向安装有两个3P的总线插座8，方便于串行连接各总线电机，两个霍尔传感器4垂直于PCB2表面并相互成90度夹角安装用于获取正交编码脉冲，磁铁可采用13极的圆形编码磁铁9，套在电机的安装轴上，霍尔传感器4的表面紧挨圆形编码磁铁9表面，PCB2表面还安装有LED灯6进行灯效展示和故障警报。
如图10所示的控制流程图：
一种总线直流电机的控制方法，包括步骤：
S1)初始化；
S2)静态运行参数读取；
S3)总线接收、解码、校验与应答；
S4)电机周期PWM波控制。
所述步骤S1)包括：
S11)看门狗初始化：看门狗的最大喂狗时间间隔设置为100ms，当100ms还未产生“喂狗”动作，则自动复位单片机，看门狗的作用在于防止单片机在运行过程中由于软件BUG或硬件干扰产生的不可预期错误，可能导致死机、程序跑飞，看门狗的应用在于当程序正常运行时，会不断地“喂狗”，也就是重置看门狗寄存器中的值，当出现错误时，程序无法重置这一值，看门狗便自动复位，重启芯片，而电机运行环境复杂，容易受到干扰，需要对有可能产生的死机等情况进行预防，需要注意的是，重启后程序应关闭电机的输出而等待下一次的指令。
S12)FLASH初始化:总线电机的各项运行参数和设定参数被存储在EEPROM区，需要对EEPROM区域进行初始化才能读取各项参数。
S13)定时器初始化：包括外部定时器1、2和内部定时器4的初始化，将外部定时器1的通道1和通道2配置为正交编码输入，通过两个霍尔传感器传来的脉冲改变定时器1内部的寄存器值，通过对比两个信号的相位差决定是加脉冲数还是减脉冲数，减速比I、编码磁铁级数P和电机编码器分辨率A的关系可以表示为：A＝I*P*2，如减速比I为34:1，磁铁极数P为13，则电机编码器分辨率为884，表示电机输出轴转动一圈，编码器获得884个脉冲。将外部定时器2的通道1和通道2配置为PWM输出模式，通过控制定时器2中关于通道1和通道2的占空比参数对电机进行调速。将内部定时器4配置为8位自动重载模式，设置分频数，每0.1ms触发一次定时器中断，在发生3次定时器中断后进行一次总线数据处理，在发生50次定时器中断后进行一次电机PWM运算和输出，则能够保证总线数据响应速度在0.3ms，电机响应速度在5ms，保证电机的控制精度。
S14)GPIO初始化：对三色LED控制端口的GPIO初始化，设置为推挽输出模式。
S15)ADC初始化：对电压检测端口进行ADC初始化。
S16)串口初始化，并配置为单线串口模式:串口初始化包括UART通讯的波特率、数据位、停止位、校验位设置，所有挂载到单总线上的串口只有相同的设置才能够正常进行通讯，串口被配置为单线串口模式，使得整个通讯传输只需要一根线完成，进一步简化总线电机的安装线材数量。
所述步骤S2)的静态运行参数存储于所述主控制器模块的EEPROM区域，按照事先设置的顺序写入参数表，电机的参数表包含两个部分，一部分是静态变量，包括电机的ID、通讯波特率、PID参数、最大速度、最大扭矩，它们存放在主控芯片的EEPROM区域，可以掉电存储，另一部分是动态变量，包括电机的实时位置、速度、电压，它们存放在主控芯片的RAM区域，随电机的运行实时变化。静态参数只有在电机上电初始化或更改静态参数过程中才能够被读写，电机初始化时，首先需要解锁EEPROM区，然后将需要的运行参数从EEPROM区加载到RAM区用于电机控制，随后锁定EEPROM区不允许随意读取，同样的，更改静态参数时也需要先解锁EEPROM区，然后将参数写入EEPROM区，随后锁定EEPROM。
所述步骤S1)与步骤S2)只在上电时运行一次，对整个电机进行初始化。
所述步骤S3)采用串口接收中断的方式不断从总线上获取指令并存入接收缓冲数组内，由定时器4产生的定时信号，每过0.3ms对接收缓冲数组内的数据进行解码，当匹配到本机ID或广播ID时，主控制器接收此条指令，接收到完整的一条指令后通过预定的校验规则进行校验并与校验位数据对比，确认指令无误后根据命令进行电机操作并做出应答，当总线数据为写入指令时，应答的内容包括电机的状态，当总线数据为请求读取数据时，应答的内容包括所请求的电机参数表中的各项参数。
所述步骤S3)中通讯协议的内容是固定的，所有挂载到总线上总线直流电机以及控制电机的主控器都需按照固定的通讯协议通讯，通讯的协议内容包括帧头、ID、数据、校验位和帧尾，当检测到帧头码时，继续接收ID信息并与内部ID匹配，匹配为自身ID或广播ID时，表明此条信息是需要读取的，其中匹配到广播ID时无条件执行命令，数据信息中包含需要更改的参数或需要读取的参数，当接收完数据后按既定规则对其计算校验码并与接收的校验位比对，相同时判定数据有效，电机会按照有效数据进行参数更改，否则判定数据无效请求重新发送指令。通讯协议的拟定保证了通讯过程的准确性，防止电机误操作。
所述步骤S4)采用PID算法控制电机，采用位置式或增量式PID算法，输入变量为由所述编码器模块采集的正交编码参数，输出变量为控制所述电机驱动模块的PWM波占空比，控制周期由定时器4设置，本实例中采用5ms控制一次，也就是200HZ的更新频率，在一个控制周期内，接收由总线下达的指令，调整控制参数，一般是电机的目标速度或目标角度，改变PID算法控制中的速度目标值或位置目标值，实现电机的速度控制和位置控制。
所述步骤S4)中关于速度控制与位置控制的切换主要在于运动时长的不同，当总线发送的指令包含运动时长时，表示需要电机工作在舵机模式，所给的目标参数为目标位置参数，此时减速电机相当于一个可旋转任意角度的舵机；当总线发送的指令的运动时长为0时，表示需要电机工作在调速模式，所给的目标参数为目标速度参数，此时减速电机相当于一个恒速电机，PID算法保证了它的速度不随负载的变化而变化。
所述步骤S3)与所述步骤S4)在主程序中循环执行，不断查询总线数据和进行电机运算输出。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。