一种舵机电流检测电路及系统的制作方法

本实用新型属于电流检测技术领域，尤其涉及一种舵机电流检测电路及系统。

背景技术：

目前，传统的电流检测一般是在电路中串接阻值较小的采样电阻，再通过运算放大器放大该采样电阻上产生的小压降后，输出一个与电路的电流成正比例的信号，从而达到检测电路电流的目的。然而，由于舵机的PCB板集成度非常高，设置采样电阻会占用PCB板的部分面积，且一旦设置好运算放大器的增益和采样电阻的阻值，能够检测的电流范围也确定了，适用的功率范围小；如果需要更换新的负载，或者功率有变化时，则需要重新确定运算放大器的增益以及采样电阻的阻值，即需要更换电路的硬件，通用性低。

因此，传统的电流检测技术存在浪费PCB板面积、适用的电流检测范围小以及通用性低的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种舵机电流检测电路及系统，旨在解决传统的电流检测技术中存在的浪费PCB板面积、适用的电流检测范围小以及通用性低的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种舵机电流检测电路，包括：

用于提供直流电信号的第一直流电源模块；

用于输出调节信号以控制调节电流检测范围的控制模块；

与所述第一直流电源模块连接，用于电流采样及过流保护触发的半桥模块；

与所述控制模块及所述半桥模块连接，用于采集所述半桥模块的导通内阻上的压降信号，并根据所述调节信号选取第一电阻值的第一数字电位器；

与所述控制模块及所述半桥模块连接，用于采集所述半桥模块的导通内阻上的压降信号，并根据所述调节信号选取第二电阻值的第二数字电位器；以及

与所述第一数字电位器以及所述第二数字电位器连接，被配置为接收所述压降信号，并根据所述第一电阻值和所述第二电阻值调节自身的运放增益后，将所述压降信号进行放大处理并输出的运放模块。

可选的，所述半桥模块包括：

第一开关管和第二开关管；

所述第一开关管的输入端连接所述直流电源模块，所述第一开关管的输出端连接所述第二开关管的输入端；所述第二开关管的输出端接地。

可选的，所述第一数字电位器和所述第二数字电位器分别采用第一数字电位芯片和第二数字电位芯片实现；

所述第一数字电位芯片和所述第二数字电位芯片的电阻值均包括5KΩ、10KΩ、50KΩ以及100KΩ。

可选的，所述控制模块为单片机；

所述单片机通过集成电路总线与所述第一数字电位芯片的第一受控管脚和第二受控管脚连接，通过集成电路总线与所述第二数字电位芯片的第一受控管脚和第二受控管脚连接。

可选的，所述运放模块包括运算放大器，

所述运算放大器的正相输入端连接所述第一数字电位芯片的第一输出管脚和第二输出管脚，所述运算放大器的反相输入端连接所述第二数字电位芯片的第一输出管脚和第二输出管脚。

可选的，上述舵机电流检测电路还包括第一退耦电容和第二退耦电容；

所述第一退耦电容的第一端连接所述第一数字电位芯片的电源管脚，第二端接地；所述第二退耦电容的第一端连接所述第二数字电位芯片的电源管脚，第二端接地。

可选的，上述舵机电流检测电路还包括第二直流电源模块；

所述第二直流电源模块被配置为对所述第一数字电位器、所述第二数字电位器以及所述运放模块供电。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种舵机电流检测系统，包括上述的舵机电流检测电路，还包括电机，所述电机的定子绕组连接所述半桥模块。

上述的一种舵机电流检测电路及系统，通过控制模块控制调节第一数字电位器的第一电阻值和第二数字电位器的第二电阻值，以调节运放模块的增益，从而在不需要改变电路的硬件的情况下，达到扩宽电流检测范围、提高电路的通用性的效果。此外，直接采用半桥模块的导通内阻为采样电阻，无需在电路中额外串接功率电阻以进行电流采样，达到了节省PCB板面积、降低成本的效果，解决了传统的电流检测技术中存在的浪费PCB板面积、适用的电流检测范围小以及通用性低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的舵机电流检测电路的模块结构示意图；

图2为图1所示的舵机电流检测电路的示例原理图；

图3为本实用新型另一实施例提供的舵机电流检测电路的示例原理图；

图4为本实用新型又一实施例提供的舵机电流检测电路的示例原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，为本实用新型一实施例提供的舵机电流检测电路的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种舵机电流检测电路，包括第一直流电源模块10、控制模块20、半桥模块30、第一数字电位器40、第二数字电位器50以及运放模块60。

第一直流电源模块10用于提供直流电信号。

控制模块20用于输出调节信号以控制调节电流检测范围。

半桥模块30与第一直流电源模块10连接，用于电流采样及过流保护触发。

第一数字电位器40与控制模块20及半桥模块30连接，用于采集半桥模块30的导通内阻上的压降信号，并根据调节信号选取第一电阻值。

第二数字电位器50与控制模块20及半桥模块30连接，用于采集半桥模块30的导通内阻上的压降信号，并根据调节信号选取第二电阻值。

运放模块60与第一数字电位器40以及第二数字电位器50连接，用于接收压降信号，并根据第一电阻值和第二电阻值调节自身的运放增益后，将压降信号进行放大处理并输出。

其中，第一直流电源模块10为半桥模块30提供直流电信号。控制模块30采用单片机实现；在一可选实施例中，控制模块30通过IIC总线(Inter-IntegratedCircuit，集成电路总线)与第一数字电位器40和第二数字电位器50连接，通过IIC总线中的串行数据线(图1采用MCU_SDA表示)向第一数字电位器40和第二数字电位器50输出调节信号，通过IIC总线中的串行时钟线(图1采用MCU_SCL表示)控制调节信号的输出。

半桥模块30的导通内阻为半桥模块内部元件在导通时产生的内阻，以半桥模块30的导通内阻作为采样电阻进行电流采样，而无需额外串接功率电阻，以进行电流采样，节省了PCB板面积，降低了成本。

上述的一种舵机电流检测电路，通过控制模块控制调节第一数字电位器40的第一电阻值和第二数字电位器50的第二电阻值，以调节运放模块的增益，从而在不需要改变电路的硬件的情况下，达到扩宽电流检测范围、提高电路的通用性的效果。此外，直接采用半桥模块的导通内阻为采样电阻，无需在半桥模块中额外串接功率电阻以进行电流采样，达到了节省PCB板面积、降低成本的效果，解决了传统的电流检测技术中存在的浪费PCB板面积、适用的电流检测范围小以及通用性低的问题。

请参阅图2，为图1所示的舵机电流检测电路的示例原理图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，半桥模块30包括第一开关管Q5和第二开关管Q6。第一开关管Q5的输入端连接直流电源模块，第一开关管Q5的输出端连接第二开关管Q6的输入端；所述第二开关管Q6的输出端接地。第一开关管Q5和第二开关管Q6的受控端接入驱动信号，第一开关管Q5和第二开关管Q6的工作状态受驱动信号的控制，当有驱动信号输入受控端时，第一开关管Q5和第二开关管Q6导通工作。

本实用新型半桥模块30提供的用于电流采样的导通内阻由第二开关管Q6提供，当第二开关管Q6导通工作时，其产生的内阻即为导通内阻。

在具体应用中，第一开关管Q5和第二开关管Q6均采用NMOS管实现，NMOS管的栅极、漏极和源极分别对应第一开关管Q5的受控端、输入端和输出端以及第二开关管Q6的受控端、输入端和输出端。在一可选实施例中，第一开关管Q5和第二开关管Q6也可以采用PMOS管实现，PMOS管的栅极、源极和漏极分别对应第一开关管Q5的受控端、输入端和输出端以及第二开关管Q6的受控端、输入端和输出端。

上述的第一开关管Q5和第二开关管Q6组成一个半桥网络，本实用新型技术方案提供的舵机电流检测电路，其半桥模块30的半桥网络的数量可以大于等于1。

请参阅图3，为本实用新型另一实施例提供的舵机电流检测电路的示例原理图。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

半桥模块30包括：第一开关管Q5、第二开关管Q6、第三开关管Q7、第四开关管Q8、第五开关管Q9、第六开关管Q10。由第一开关管Q5和第二开关管Q6组成一个半桥网络，第三开关管Q7和第四开关管Q8组成第二个半桥网络，第五开关管Q9和第六开关管Q10组成第三个半桥网络。

其中，第一开关管Q5、第三开关管Q7以及第五开关管Q9与第一直流电源模块10相连接，用于电流采样及过流保护触发。

第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10分别与第一开关管Q5、第三开关管Q7以及第五开关管Q9相连接，用于电流采样及过流保护触发。

在本实用新型一实施例中，第一直流电源模块10输出直流电信号至第一开关管Q5、第二开关管Q6、第三开关管Q7、第四开关管Q8、第五开关管Q9以及第六开关管Q10组成的半桥模块30中，使半桥模块30产生三相交流电，即第一开关管Q5和第二开关管Q6产生的U相交流电，第三开关管Q7和第四开关管Q8产生的V相交流电，以及第五开关管Q9和第六开关管Q10产生的W相交流电。

具体地，第一数字电位器40与控制模块连接，并与第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中的至少任意一项连接，被配置为采集第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中的至少任意一项的导通内阻上的压降信号，并根据调节信号选取第一电阻值。

第二数字电位器50与控制模块20连接，并与第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中的至少任意一项连接，被配置为采集第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中的至少任意一项的导通内阻上的压降信号，并根据调节信号选取第二电阻值。

第一开关管Q5、第三开关管Q7以及第五开关管Q9的输入端连接第一直流电源模块10，输出端分别连接第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10的输入端，第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10的输出端接地。第二开关管Q6的输入端连接第一数字电位器40的压降采样管脚，输出端连接第二数字电位器50的压降采样管脚，第一数字电位器40和第二数字电位器50分别通过自身的压降采样管脚接收压降信号。

上述的舵机电流检测电路，通过控制模块20控制调节第一数字电位器40的第一电阻值和第二数字电位器50的第二电阻值，以调节运放模块60的增益，从而在不需要改变电路的硬件的情况下，达到扩宽电流检测范围、提高电路的通用性的效果。

此外，直接采用第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中任意一项或多项的导通内阻为采样电阻，无需在第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10下额外串接功率电阻进行电流采样，达到了节省PCB板面积、降低成本的效果。

图3仅表示了本实用新型的舵机电流检测电路对第二开关管Q6的导通内阻上的压降信号的采集，因此运放模块60输出的是检测到的是U相交流电的电流值。在具体应用中，本实用新型实施例提供的舵机电流检测电路可以实现以第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中的任意一项或多项的导通内阻为采样电阻，对三相交流电的U相、V相以及W相交流电的电流值中的任意一项或多项进行检测，即对三相交流电进行低边电流检测。此外，本实用新型实施例提供的舵机电流检测电路也可以实现以第一开关管Q5、第三开关管Q7以及第五开关管Q9中的任意一项或多项的导通内阻为采样电阻，对三相交流电的U相、V相以及W相交流电的电流值中任意一项或多项进行检测，即对三相交流电进行高边电流检测。

作为本实用新型一实施例，第一开关管Q5、第二开关管Q6、第三开关管Q7、第四开关管Q8、第五开关管Q9以及第六开关管Q10均采用NMOS管实现。

其中，第一开关管Q5、第二开关管Q6、第三开关管Q7、第四开关管Q8、第五开关管Q9以及第六开关管Q10的输入端为NMOS管的漏极，输出端为NMOS管的源极。第一开关管Q5、第二开关管Q6、第三开关管Q7、第四开关管Q8、第五开关管Q9以及第六开关管Q10还有受控端，为NMOS管的栅极，栅极接收单片机输出的PWM信号用以作为驱动信号，驱动第一开关管Q5、第二开关管Q6、第三开关管Q7、第四开关管Q8、第五开关管Q9以及第六开关管Q10工作。

请参阅图2或者图3，第一数字电位器40和第二数字电位器50分别采用第一数字电位芯片U2和第二数字电位芯片U3实现；第一数字电位芯片U2和第二数字电位芯片U3的电阻值均包括5KΩ、10KΩ、50KΩ以及100KΩ。在一优选实施例中，第一数字电位器40和第二数字电位器50均采用型号为MCP4632的数字电位芯片。

作为本实用新型一实施例，控制模块20为单片机，单片机通过集成电路总线与第一数字电位芯片U2的第一受控管脚(图2和图3采用SCL管脚表示)和第二受控管脚(图2和图3采用SDA管脚表示)连接，通过集成电路总线与第二数字电位芯片U3的第一受控管脚(图2和图3采用SCL管脚表示)和第二受控管脚(图2和图3采用SDA管脚表示)连接。

单片机通过集成电路总线输出调节信号至第一数字电位芯片U2的第一受控管脚和第二受控管脚，以及第二数字电位芯片U3的第一受控管脚和第二受控管脚，以使第一数字电位芯片U2和第二数字电位芯片U3根据调节信号选取自身的第一电阻值或第二电阻值，从而达到调节控制运放模块的增益的目的，最终的效果是能够根据实际需求选择和配置合适的电流检测范围，而无需改变电路的硬件结构，通用性强。

作为本实用新型一实施例，运放模块包括运算放大器，运算放大器U1的正相输入端连接第一数字电位芯片U2的第一输出管脚(图2和图3采用P0W管脚表示)和第二输出管脚(图2采用P1W管脚表示)，运算放大器U1的反相输入端连接第二数字电位芯片U3的第一输出管脚(图2和图3采用P0W管脚表示)和第二输出管脚(图2和图3采用P1W管脚表示)。

作为本实用新型一实施例，上述的舵机电流检测电路还包括第一退耦电容C1和第二退耦电容C2。第一退耦电容C1的第一端连接第一数字电位芯片U2的电源管脚(图2和图3采用VDD管脚表示)，第二端接地；第二退耦电容C2的第一端连接第二数字电位芯片U3的电源管脚(图2和图3采用VDD管脚表示)，第二端接地。第一退耦电容C1和第二退耦电容C2作为保护电容，可将输入第一数字芯片U2和第二数字芯片U3的电源信号中的高频干扰信号滤除，供给芯片稳定的电源信号，保护芯片。

作为本实用新型一实施例，上述的舵机电流检测电路还包括第二直流电源模块，被配置为对第一数字电位器40、第二数字电位器50以及运放模块60供电。第二直流电源模块包括具备预设电压值的直流电源(图2和图3采用VCC1V_65和VCC_3V3表示)实现，预设电压值的范围为1.65V～3.3V。

请参阅图4，为本实用新型又一实施例提供的舵机电流检测电路的示例原理图。下面以第二开关管Q6为例，说明在不串接功率电阻的前提下，如何实现通过开关管的导通内阻来实现电流的采样和检测。

第二开关管Q6的输入端串接增益电阻R326后接入运算放大器的正相输入端，增益电阻R328的第一端接1.65V直流电源，第二端连接在运算放大器的正相输入端与增益电阻R326之间；第二开关管Q6的输出端串接增益电阻R327后接入运算放大器的正相输入端，增益电阻R329的第一端接运算放大器的输出端，第二端连接在运算放大器的正相输入端与增益电阻R327之间。其中，增益电阻R326与增益电阻R327的阻值相等，增益电阻R328与增益电阻R329的阻值相等。第二开关管Q6的导通内阻为Ron，三相交流电的U相交流电流入电机70的电流为Iu，则经过运算放大器输出的检测到的电流值对应的电压值为:VI_u＝1.65V+(R328/R326)*Iu*Ron。其中，R328/R326的比值即为运算放大器的增益，在实际应用中，可根据第二开关管Q6的导通内阻Ron的不同，选择合适的增益电阻。

上述实施例提供的舵机电流检测电路，通过直接采用第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中任意一项或多项的导通内阻为采样电阻进行电流检测，无需在第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10下额外串接功率电阻进行电流采样，达到了节省PCB板面积、降低成本的效果。

图4仅表示了本实用新型的舵机电流检测电路对第二开关管Q6的导通内阻上的压降信号的采集，因此运放模块60输出的是三相交流电中的U相交流电的电流值。在具体应用中，本实用新型实施例提供的舵机电流检测电路可以实现以第二开关管Q6、第四开关管Q8以及第六开关管Q10中的任意一项或多项的导通内阻为采样电阻，对三相交流电的U相、V相以及W相交流电的电流值中的任意一项或多项进行检测，即对三相交流电进行低边电流检测。此外，本实用新型实施例提供的舵机电流检测电路也可以实现以第一开关管Q5、第三开关管Q7以及第五开关管Q9中的任意一项或多项的导通内阻为采样电阻，对三相交流电的U相、V相以及W相交流电的电流值中任意一项或多项进行检测，即对三相交流电进行高边电流检测。以第一开关管Q5、第三开关管Q7、第四开关管Q8第五开关管Q9以及第六开关管Q10中的任意一项或多项的导通内阻为采样电阻进行电流检测，与以第二开关管Q6的导通内阻为采样电阻进行电流检测相类似，在此不再赘述。

本实用新型实施例第二方面提供了一种舵机电流检测系统，包括上述的舵机电流检测电路，还包括电机70，电机70的定子绕组连接半桥模块30。半桥模块30输出交流电供电机70工作使用。

具体地，请参阅图2或者图3，电机70的定子绕组接于第一开关管Q5与第二开关管Q6之间；或者分别接于第一开关管Q5与第二开关管Q6之间、第三开关管Q7与第四开关管Q8之间以及第五开关管Q9与第六开关管Q10之间。

上述的舵机电流检测电路及系统，通过控制模块控制调节第一数字电位器40的第一电阻值和第二数字电位器的第二电阻值，以调节运放模块的增益，从而在不需要改变电路的硬件的情况下，达到扩宽电流检测范围、提高电路的通用性的效果。此外，直接采用半桥模块内部元件的导通内阻为采样电阻，无需在电路中额外串接功率电阻进行电流采样，达到了节省PCB板面积、降低成本的效果。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。