一种三自由度运动永磁球形步进电动机驱动电路的制作方法

本发明涉及特种电机控制领域，具体涉及一种三自由度运动永磁球形步进电动机驱动电路。

背景技术：

在机器人关节、机械手等工业生产应用领域中，现有的多自由度运动装置多由传统的单轴电机和机械传动机构构成，这种连接装置不仅降低了控制精度和响应速度，而且体积庞大。在多自由度运动控制系统等具有更高要求的控制系统中，传统的多自由度装置受到了很大的限制。球形电机的出现，给三自由度运动系统提供了一种新的思路，它具有体积小、灵活性高、快速定位等优势，但在转矩逆模型的精确建立、通电控制策略、位置检测等方面出现了新的难题，这给球形电机控制装置的设计也带来了新的挑战。

由于永磁球形步进电机能够实现三自由度运动的结构特点，其定子线圈少则十几个多则几十个，因此传统电机控制装置的驱动电路对于永磁球形电机不再适用。目前，业内需要开发出一款输出电流大、控制精度高的永磁球形电机电流控制装置，从而驱动球形电机实现三维空间中多自由度的运动。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，提供一种能够输出多路电流大小极性可控、输出电流大、精度高、结构简单、便于调试和维护的永磁球形步进电动机驱动电路，本发明提供以下技术方案：

一种三自由度永磁球形步进电动机驱动电路，包括电源、逆变单元、驱动单元、逻辑转换单元、电流采样控制单元、过流保护控制单元；所述逻辑转换单元与逆变单元相连、电流采样控制单元与逆变单元相连、过流保护控制单元与逆变单元相连，所述逆变单元与驱动单元相连，所述逆变单元与永磁球形步进电动机相连；所述驱动电路共有四层、每层结构完全相同，每层之间通过电源线并联连接，最大输出电流高达15安培。

进一步的，所述逆变单元包括“h”桥逆变电路和电流比较电路，所述“h”桥逆变电路与电流比较电路相连，所述“h”桥逆变电路的输出与永磁球形步进电动机的定子线圈相连，所述电流比较电路的输出与电流采样控制单元相连。

进一步的，所述驱动单元包括光耦隔离电路和功率放大电路，所述光耦隔离电路与功率放大电路相连，所述光耦隔离电路的输入端通过逆变单元与逻辑转换单元相连，所述功率放大电路的输出端与逆变单元中“h”桥逆变电路的开关器件相连。

进一步的，所述逻辑转换单元的输入端通过数据总线与上位机相连、输出端通过逆变单元与光耦隔离电路的输入端相连。

进一步的，所述电流采样控制单元包括微处理器和通讯电路，所述微处理器与通讯电路相连，所述微处理器的输入端与逆变单元相连，所述通讯电路的输出端通过数据总线与上位机相连。

进一步的，所述过流保护控制单元包括微处理器和过电流保护电路，所述微处理器的输入端与电流采样控制单元相连，所述微处理器的输出端与过流保护器电路相连，所述过流保护电路的输出与逆变单元相连。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的驱动电路由单独的微处理器控制，减少主控模块的处理器工作负担，当负载电流过大时，自动切断负载，不仅保护电流控制装置，而且防止电机烧坏。

2、本发明的驱动电路具有电流采样功能，逆变电路设计电流比较电路，通过电流采样控制单元，将输出电流反馈给控制器ad采样通道，实现电流闭环控制。

3、本发明的驱动电路采用分层模块化设计思想，电源、逆变单元、驱动单元、逻辑转换单元、电流采样控制单元、过流保护控制单元单独设计，各单元分工明确，便于设备的调试和维护

附图说明

图1、本发明的主要结构框图。

图2、本发明的驱动电路分层设计原理图。

图3、本发明的“h”桥逆变电路原理图。

图4、本发明的逻辑控制单元电路原理图。

具体实施方式

一种三自由度运动永磁球形步进电动机驱动电路，驱动电路的结构框图如图1所示，包括电源、逆变单元、驱动单元、逻辑转换单元、电流采样控制单元、过流保护控制单元。逻辑转换单元与逆变单元连接，驱动单元与逆变单元连接，电流采样控制单元输入与逆变单元连接，过流保护控制单元输入与电流采样控制单元输出连接，过流保护控制单元输出与逆变单元连接。驱动电路分四层设计，每层结构完全相同，每层之间通过电源线并联连接。驱动电路的设计采用从上到下的顶层设计思想，图2中duty-m1为上位机发来的1路pwm信号，flag-m1为上位机发来的电流极性输出控制信号，这两路信号传送给驱动电路的逻辑控制单元。

逆变单元包括”h”桥逆变电路和电流比较电路，”h”桥逆变电路与电流比较电路相连，”h”桥逆变电路的输出与电机定子线圈相连，电流比较电路的输出与电流采样控制单元相连。”h”桥逆变电路的原理图如图3所示。逆变电路的输入端vref提供参考电压，pwm1和pwm4控制vt1和vt4的通断，当vt1、vt4导通时，输出电压out极性为正，为负载提供正向电流，pwm2和pwm3控制vt2和vt3的通断，当vt2、vt3导通时，输出电压out极性为负，为负载提供负向电流，电感l1、l2起到输出滤波的作用，电容c1、c2起到稳压的作用。

驱动单元包括光耦隔离电路和功率放大电路，光耦隔离电路与功率放大电路相连，光耦隔离电路的输入通过逆变单元与逻辑控制单元相连，功率放大电路的输出与逆变单元中”h”桥逆变电路的开关器件相连。

逻辑转换单元包括逻辑转换电路，逻辑转换电路的输入通过数据总线与上位机相连，逻辑转换电路的输出通过逆变单元与驱动单元中光耦隔离电路的输入相连。逻辑控制单元电路原理图如图4所示，当输入信号pwm1为高电平时，通过逻辑器件u1产生的pwm3为低电平，通过逻辑器件u3产生的pwm4与pwm相同，当pwm1为低电平时，pwm3为高电平，通过逻辑器件u2产生的pwm2与pwm相同，这样pwm1与pwm4为一组，pwm2和pwm3为一组，通过逻辑控制单元产生的输出信号不会发生逻辑混乱，从而避免了逆变单元开关器件的误动作。

电流采样控制单元包括微处理器和通讯电路，微处理器与通讯电路相连，微处理器的输入与逆变电路相连，通讯电路输出通过数据总线与上位机相连。电流采样控制单元中的微处理器，一方面负责将采样到的电流信号通过数据总线反馈给上位机，一方面将采集到的过电流信号传送给过流保护控制单元的微处理器。

过流保护控制单元包括微处理器和过电流保护电路，微处理器的输入与电流采样控制单元相连，微处理器的输出与过流保护电路相连，过流保护电路的输出与逆变单元相连。过流保护控制单元的微处理器负责将接收到的过电流信号进行处理，一旦发生过电流，立即切断逆变单元，不仅保护了逆变单元和驱动电路，而且防止电机被烧坏

以上述依据本发明理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种三自由度运动永磁球形步进电动机驱动电路，包括电源、逆变单元、驱动单元、逻辑转换单元、电流采样控制单元、过流保护控制单元；所述逻辑转换单元与逆变单元相连、电流采样控制单元与逆变单元相连、过流保护控制单元与逆变单元相连，所述逆变单元与驱动单元相连；所述驱动电路共有四层、每层结构完全相同，每层之间通过电源线并联连接。本发明根据三自由度永磁球形步进电动机结构特点，将控制电路与驱动电路分离设计，驱动电路能够输出最大15A的驱动电流，具有结构简单、输出电流功率大、精度高等优点。

技术研发人员：陆寅;王群京;李绅;过希文
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2017.06.23
技术公布日：2017.09.29