一种低电压小型有刷电机驱动器以及小功率电机的制作方法

本实用新型涉及电机驱动器领域，特别涉及低电压小型有刷电机驱动器以及小功率电机。

背景技术：

电机驱动器是控制电机用的控制器，是电机系统的一部分。数字控制技术的发展使得如今的电机驱动器更加数字化，网络化和智能化，成为时下电机控制的主流。而采用分立元件组成的模拟电路对电机控制，使电路系统在设计和调试方面复杂，调试难度大。

所以有待研发出一种具有专用集成芯片，体积小，内部集成过流、过压保护，调试相对容易，稳定性高的电机驱动器。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，提供简单完善的电机控制闭环系统，能实时准确采集位置环、速度环、电流环信息，精确控制电机运动额低电压小型有刷电机驱动器。

解决上述技术问题，本实用新型提供了一种低电压小型有刷电机驱动器，包括：

微控制器，用以从内到外依次进行电机的电流环、速度环、位置环控制；

电机驱动芯片，用以控制电机转动以及转动速度；

光电隔离器，用以隔离所述驱动器中的控制信号和驱动信号；

光电码盘，用以返回电机速度形成闭环回路；

CAN通讯接口，用以与CAN总线连接进行通讯；

所述电机驱动芯片通过光电隔离器与微控制器连接，所述微控制器与CAN通讯接口连接，所述光电码盘分别与电机和所述微控制器连接。

更进一步，所述微控制器，包括微控制器芯片、时钟电路、复位电路以及电源电路组成的的最小系统电路，通过所述最小系统电路，用以输出控制电机控制信号和/或通信信号。

更进一步，所述微控制器还预留有手动复位按键，用以进行人工复位实现对最小系统电路进行重启。

更进一步，所述CAN通讯接口中采用CAN总线收发器与外部CAN总线连接，输出差分信号采用输。

更进一步，在所述CAN总线收发器上预留有一个串口，用以通过串口协议或者指令去控制电机中的参数。

更进一步，所述光电码盘，包括光电码盘和码盘处理电路，

所述码盘处理电路由发光二极管和光敏接收三极管组成，且分别装在盘片的两侧；

所述光电码盘安装在电机末端轴，在所述光电码盘安上开设有光栅，在所述光电码盘转动时，若挡住了发光管发出的光，则输出高电平信号；若光电码盘转到光栅上的缝隙位置，则输出低电平信号。

更进一步，所述速度环控制通过光电码盘，采用A、B相两路相位相差90度的信号输出，如果A相超前B相90度，则此时电机正转；相反，如果B相超前A相90度，则此时电机反转。

更进一步，所述位置环采用位置霍尔传感器，所述位置霍尔传感器包括： 磁钢和霍尔传感器组成，

当所述磁钢靠近霍尔传感器时，霍尔传感器输出保持为低电平；

当所述磁钢远离霍尔传感器时，输出保持为高电平；

所述微控制器通过检测输出信号的高低电平值，可以检测判断电机是否达到当前所需的位置。

更进一步，驱动器还包括24V驱动电压，用以根据实际情况进行调节用以驱动不大于24V的直流电机。

本实用新型还提供了一种小功率电机，包括所述的低电压小型有刷电机驱动器。

本实用新型的有益效果：

1)本实用新型针对现有技术缺陷，提供简单完善的电机控制闭环系统，能实时准确采集位置环、速度环、电流环信息，精确控制电机运动。

2)本实用新型采用光电器件进行信号隔离，避免电机信号造成的干扰，并且提供通用的CAN总线通信接口，方便二次开发使用。

3)本实用新型中的微控制器还具有过流，欠压和温度过高自动保护,以及故障状态提示功能。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中的低电压小型有刷电机驱动器结构示意图。

图2是图1中的电机驱动芯片的结构示意图。

图3是图2中电机驱动芯片的的真值表。

图4(a)-图4(b)是图2中的电机转向示意图。

图5是本实用新型的位置环采用位置霍尔传感器示意图。

图6是霍尔传感器的输出信号图。

图7是图5中的A、B相两路信号输出示意图。

图8是图1中24V驱动电压结构示意图。

图9是图1中的微控制器的结构示意图。

图10是图1中的微控制器的最小系统结构示意图。

图11是图1中的光电码盘的结构示意图。

图12图10中的光电码盘的电路结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

请参考图1是本实用新型一实施例中的低电压小型有刷电机驱动器结构示意图。

本实施例中的一种低电压小型有刷电机驱动器，包括：微控制器102，用以从内到外依次进行电机的电流环、速度环、位置环控制；电机驱动芯片100，用以控制电机转动以及转动速度；光电隔离器101，用以隔离所述驱动器中的控制信号和驱动信号；光电码盘104，用以返回电机速度形成闭环回路；CAN通讯接口103，用以与CAN总线连接进行通讯；所述电机驱动芯片100通过光电隔离器101与微控制器102连接，所述微控制器102与CAN通讯接口103连接，所述光电码盘104分别与电机和所述微控制器102连接。

在本实施例中的光电隔离器101，使得电机驱动器的控制信号和驱动信号通过光耦期间进行隔离，可以有效地避免电机转动时带来的干扰，控制器 还具有过流，欠压和温度过高自动保护,以及故障状态提示功能。

作为本实施例中的优选，所述微控制器102，包括微控制器芯片、时钟电路、复位电路以及电源电路组成的的最小系统电路，通过所述最小系统电路，用以输出控制电机控制信号和/或通信信号。所述微控制器还预留有手动复位按键，用以进行人工复位实现对最小系统电路进行重启。在本实施例中提供简单完善的电机控制闭环系统，能实时准确采集位置环、速度环、电流环信息，精确控制电机运动。

作为本实施例中的优选，所述CAN通讯接口103中采用CAN总线收发器与外部CAN总线连接，输出差分信号采用输。在所述CAN总线收发器上预留有一个串口，用以通过串口协议或者指令去控制电机中的参数。本实施例中的CAN通讯接口103功能，可以接入到带有CAN接口的系统总线中去，可以很方便的与其他设备进行串行通讯。

作为本实施例中的优选，所述光电码盘，包括光电码盘和码盘处理电路，所述码盘处理电路由发光二极管和光敏接收三极管组成，且分别装在盘片的两侧；所述光电码盘安装在电机末端轴，在所述光电码盘安上开设有光栅，在所述光电码盘转动时，若挡住了发光管发出的光，则输出高电平信号；若光电码盘转到光栅上的缝隙位置，则输出低电平信号。所述光电码盘即光电编码器是一个独立的模块，它的信号不是由电机驱动芯片给出，本实施例中的光电码盘是安装在电机末端的一个独立模块，电机转动时电机轴带动码盘的盘片转动，通过内部的电路产生出不同的高低电平信号脉冲，具体原理，下面会提到，光电码盘产生的信号反馈到微控制器去做采集计算处理，从而得到电机的转速。

作为本实施例中的优选，所述电机驱动芯片100还用以驱动电机转动、电机过载保护，电机过流保护。

作为本实施例中的优选，所述速度环控制通过光电码盘，采用A、B相两路相位相差90度的信号输出，如果A相超前B相90度，则此时电机正转；相反，如果B相超前A相90度，则此时电机反转。

作为本实施例中的优选，所述位置环采用位置霍尔传感器，所述位置霍尔传感器包括：磁钢和霍尔传感器组成，当所述磁钢靠近霍尔传感器时，霍尔传感器输出保持为低电平；当所述磁钢远离霍尔传感器时，输出保持为高电平；所述微控制器通过检测输出信号的高低电平值，可以检测判断电机是否达到当前所需的位置。

名词解释如下：

1、电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，称为“电流环给定”，然后就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件(磁场感应变为电流电压信号)反馈给电流环的。

2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节(主要是比例增益和积分处理)后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。

3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲(通常情况下，直接写数据 到驱动器地址的伺服例外)，外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节(比例增益调节，无积分微分环节)后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。位置环的反馈也来自于编码器。

编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载电流环就能形成反馈工作。

作为本实施例中的优选，驱动器还包括24V驱动电压，用以根据实际情况进行调节用以驱动不大于24V的直流电机。

本实施例中采用光电器件进行信号隔离，避免电机信号造成的干扰，并且提供通用的CAN总线通信接口，方便二次开发使用。并且微控制器还具有过流，欠压和温度过高自动保护,以及故障状态提示功能。

另外，本实施例中还提供了一种小功率电机，包括低电压小型有刷电机驱动器。其中低电压小型有刷电机驱动器能够满足小型直流电机驱动的应用场合，并且很好的解决了因电机转动时给电路部分带来的电磁干扰现象，而且设计自带有CAN总线通讯接口，非常方便的与其他设备进行总线通信的连接。

请参考图2～图4(a)-图4(b),其中图2是图1中的电机驱动芯片的结构示意图。图3是图2中电机驱动芯片的的真值表。图4(a)-图4(b)是图2中的电机转向示意图本。

如图2所示，本实施例中的电机驱动芯片，工作电压最高40V，驱动电流最高5A，采用飞思卡尔公司的电机驱动芯片MC33887,该芯片可同时驱动两个电机，单一电源供电。可以实现电机PWM调速，正反转，制动等实时控制功能。并具有过流，欠压和温度过高自动保护,以及故障状态提示功能，输出短路保护，欠压关闭。该驱动器最多可以驱动两个电机，具有两组OUT1、OUT2引脚，芯片引脚图如图2所示，在本实施例中，只需驱动一个电机，故可将OUT1、OUT2分别并联在一起，可以增加电流的驱动能力，芯片输入信号两个引脚为IN1，IN2。信号输入可分为4中情况：1.IN1引脚为高，IN2为低，芯片输出端为OUT1位高，OUT2为低；2.IN1引脚为低，IN2为高，芯片输出端为OUT1位低，OUT2为高；3.IN1引脚为高，IN2为高，芯片输出端为OUT1位高，OUT2为高；4.IN1引脚为低，IN2为低，芯片输出端为OUT1位低，OUT2为低；具体的真值表见图3中所示。如果要实现电机正转，输入的信号就和图3中的情况1保持一样，电机就会正向转动，转动示意如图4(a)所示，电流方向如图中虚线箭头所示；相反，如果要实现电机反转，输入的信号就和图3中的情况2保持一致，电机就会反向转动，转动示意如图4(b)图所示，电流方向如图中中虚线箭头所示；如果要实现电机紧急制动，输入的信号就和图3中的情况3保持一致，电机就会在转动的情况下紧急制动，或者在在原来静止的情况下进行自锁。如果两个输入信号都为0，如与图3中的情况4保持一致，此时为电机自然滑行状态或自然停止状态，此情况一般不常用。如果需要实现电机调速功能，输入信号IN2为0，IN1输入为占空比可变的PWM信号，即可实现电机的调速功能；如果需要实现电机反向调速功能，输入信号IN1为0，IN2输入为占空比可变的PWM信号，即可实现电机的调速功能。

请参考图5-图7，其中图5是本实用新型的位置环采用位置霍尔传感器示意图。图7是图5中的A、B相两路信号输出示意图。图6是霍尔传感器的输出信号图。

在本实施例中，电流环采用驱动芯片内部自带的过流保护功能，实现电机的过流过热保护功能，

位置环采用位置霍尔传感器，采用磁钢和霍尔传感器组成，如图5所示，A为转动的磁钢，B为静止的霍尔传感器，当磁钢靠近霍尔传感器时，霍尔传感器输出保持为低电平，当磁钢远离霍尔传感器时，输出保持为高电平。处理器通过检测输出信号的高低电平值，可以检测判断电机是否达到当前所需的位置，霍尔传感器的输出信号图，如图6中所示。

速度环采用光电编码器，采用A、B相两路信号输出，相位相差90度，如图7中所示，两个脉冲的输出信号送给处理器去采样计算，处理器通过计算出脉冲的个数和脉冲的先后顺后，可以计算得出电机运行的速度和转动当前的转动方向。如果A相超前B相90度，此时电机正转，相反，如果B相超前A相90度，此时电机反转。

以上三个都采用PID的算法进行电机的闭环控制，通过处理器实时的采集和计算得到数据，控制电机进行精确的控制和转动，带负载扰动小，效率高。

请参考图7是图1中的CAN通讯接口结构示意图。

通讯接口采用比较常用CAN通讯接口，即CAN总线接口，采用独立的CAN总线收发器，支持3.3V电压的低功耗工作模式，输出信号采用查分输出，抗干扰小，传输距离远，最高通信速率达到1Mb/s，可以很方便的与其他的 CAN总线设备进行两连接。同时还预留一个串口，也可以通过串口协议或者指令去控制电机的各个参数。具体流程控制图如图7所示。

请参考图8是图1中24V驱动电压结构示意图。

本实施例中采用24V驱动电压驱动电机，最高可驱动24V的直流有刷电机，而且驱动电压可根据实际情况进行调节，24V以内的直流电机都可以驱动，如图8中所示，处理器通过IO引脚控制一个数字电位器的电阻值，通过不同的电阻值从而调节电源芯片端的电阻比例值，可以使电源电压在一定的范围内进行变化，从而适应不同额定电压值的电机，增加了该驱动器的适用性。

请参考图9-图10，其中图9是图1中的微控制器的电路图。图10是图1中的微控制器的最小系统结构示意图。

本实施例中的微控制器102的电路图如图9所示，主要由时钟电路，复位电路以及电源电路构成的最小系统电路，再将用到的功能IO接口引出，用来做控制电机控制信号和通信信号。电源采用3.3V供电系统，时钟采用外部8M晶振，通过芯片内的的PLL(锁相环)可倍频到72MHZ的高速时钟，从而提供内微控制器内的各个模块进行工作，复位系统采用低电平复位，预留有一个手动复位按键，必要时可人工复位，对整个系统进行重启。微控制器最小系统结构示意图如图10所示。

请参考图11-图12，请参考图11是图1中的光电码盘的结构示意图。请参考图12图10中的光电码盘的电路结构示意图。

本实施例中的光电码盘104内部结构如图11所示：光电码盘安装在电机末端轴。如图中的转轴，盘片的上黑条代表一条条小缝(俗称光栅)，可以 透光，码盘处理电路由发光二极管和光敏接收三极管组成，这两者分别装在盘片的两侧。电机转动时会带动码盘盘片一起转动，盘片在转动时，如果挡住了发光管发出的光，此时光敏接收管接收不到发出的光，处理电路认为此时为1，即高电平信号，如果盘片转到光栅上的缝隙位置，使得发光管的光刚好可以透过去，那么此时光敏接收管接收到出发的光，处理电路认为此时为0，即低电平状态，码盘电路原理图如图12所示。盘片随着在电机转动的过程中，就会出现连续的高低信号脉冲。如果编码器缝分辨率为N(每圈的脉冲数)，倍频系数k(采用A B两相码盘，双边沿采样，此时k＝4)，计数周期为T(s)，计数个数为n，那么此时的电机转速就为：

电机转速(转/min)＝60×n/T×1/kN。

应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示 例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上，所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。