本實用新型涉及電機驅(qū)動器領(lǐng)域，特別涉及低電壓小型有刷電機驅(qū)動器以及小功率電機。

背景技術(shù)：

電機驅(qū)動器是控制電機用的控制器，是電機系統(tǒng)的一部分。數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展使得如今的電機驅(qū)動器更加數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化，成為時下電機控制的主流。而采用分立元件組成的模擬電路對電機控制，使電路系統(tǒng)在設(shè)計和調(diào)試方面復雜，調(diào)試難度大。

所以有待研發(fā)出一種具有專用集成芯片，體積小，內(nèi)部集成過流、過壓保護，調(diào)試相對容易，穩(wěn)定性高的電機驅(qū)動器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題是，提供簡單完善的電機控制閉環(huán)系統(tǒng)，能實時準確采集位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)信息，精確控制電機運動額低電壓小型有刷電機驅(qū)動器。

解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種低電壓小型有刷電機驅(qū)動器，包括：

微控制器，用以從內(nèi)到外依次進行電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制；

電機驅(qū)動芯片，用以控制電機轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)動速度；

光電隔離器，用以隔離所述驅(qū)動器中的控制信號和驅(qū)動信號；

光電碼盤，用以返回電機速度形成閉環(huán)回路；

CAN通訊接口，用以與CAN總線連接進行通訊；

所述電機驅(qū)動芯片通過光電隔離器與微控制器連接，所述微控制器與CAN通訊接口連接，所述光電碼盤分別與電機和所述微控制器連接。

更進一步，所述微控制器，包括微控制器芯片、時鐘電路、復位電路以及電源電路組成的的最小系統(tǒng)電路，通過所述最小系統(tǒng)電路，用以輸出控制電機控制信號和/或通信信號。

更進一步，所述微控制器還預留有手動復位按鍵，用以進行人工復位實現(xiàn)對最小系統(tǒng)電路進行重啟。

更進一步，所述CAN通訊接口中采用CAN總線收發(fā)器與外部CAN總線連接，輸出差分信號采用輸。

更進一步，在所述CAN總線收發(fā)器上預留有一個串口，用以通過串口協(xié)議或者指令去控制電機中的參數(shù)。

更進一步，所述光電碼盤，包括光電碼盤和碼盤處理電路，

所述碼盤處理電路由發(fā)光二極管和光敏接收三極管組成，且分別裝在盤片的兩側(cè)；

所述光電碼盤安裝在電機末端軸，在所述光電碼盤安上開設(shè)有光柵，在所述光電碼盤轉(zhuǎn)動時，若擋住了發(fā)光管發(fā)出的光，則輸出高電平信號；若光電碼盤轉(zhuǎn)到光柵上的縫隙位置，則輸出低電平信號。

更進一步，所述速度環(huán)控制通過光電碼盤，采用A、B相兩路相位相差90度的信號輸出，如果A相超前B相90度，則此時電機正轉(zhuǎn)；相反，如果B相超前A相90度，則此時電機反轉(zhuǎn)。

更進一步，所述位置環(huán)采用位置霍爾傳感器，所述位置霍爾傳感器包括： 磁鋼和霍爾傳感器組成，

當所述磁鋼靠近霍爾傳感器時，霍爾傳感器輸出保持為低電平；

當所述磁鋼遠離霍爾傳感器時，輸出保持為高電平；

所述微控制器通過檢測輸出信號的高低電平值，可以檢測判斷電機是否達到當前所需的位置。

更進一步，驅(qū)動器還包括24V驅(qū)動電壓，用以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)用以驅(qū)動不大于24V的直流電機。

本實用新型還提供了一種小功率電機，包括所述的低電壓小型有刷電機驅(qū)動器。

本實用新型的有益效果：

1)本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供簡單完善的電機控制閉環(huán)系統(tǒng)，能實時準確采集位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)信息，精確控制電機運動。

2)本實用新型采用光電器件進行信號隔離，避免電機信號造成的干擾，并且提供通用的CAN總線通信接口，方便二次開發(fā)使用。

3)本實用新型中的微控制器還具有過流，欠壓和溫度過高自動保護,以及故障狀態(tài)提示功能。

附圖說明

圖1是本實用新型一實施例中的低電壓小型有刷電機驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中的電機驅(qū)動芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖2中電機驅(qū)動芯片的的真值表。

圖4(a)-圖4(b)是圖2中的電機轉(zhuǎn)向示意圖。

圖5是本實用新型的位置環(huán)采用位置霍爾傳感器示意圖。

圖6是霍爾傳感器的輸出信號圖。

圖7是圖5中的A、B相兩路信號輸出示意圖。

圖8是圖1中24V驅(qū)動電壓結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是圖1中的微控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是圖1中的微控制器的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11是圖1中的光電碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12圖10中的光電碼盤的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。

請參考圖1是本實用新型一實施例中的低電壓小型有刷電機驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖。

本實施例中的一種低電壓小型有刷電機驅(qū)動器，包括：微控制器102，用以從內(nèi)到外依次進行電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制；電機驅(qū)動芯片100，用以控制電機轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)動速度；光電隔離器101，用以隔離所述驅(qū)動器中的控制信號和驅(qū)動信號；光電碼盤104，用以返回電機速度形成閉環(huán)回路；CAN通訊接口103，用以與CAN總線連接進行通訊；所述電機驅(qū)動芯片100通過光電隔離器101與微控制器102連接，所述微控制器102與CAN通訊接口103連接，所述光電碼盤104分別與電機和所述微控制器102連接。

在本實施例中的光電隔離器101，使得電機驅(qū)動器的控制信號和驅(qū)動信號通過光耦期間進行隔離，可以有效地避免電機轉(zhuǎn)動時帶來的干擾，控制器 還具有過流，欠壓和溫度過高自動保護,以及故障狀態(tài)提示功能。

作為本實施例中的優(yōu)選，所述微控制器102，包括微控制器芯片、時鐘電路、復位電路以及電源電路組成的的最小系統(tǒng)電路，通過所述最小系統(tǒng)電路，用以輸出控制電機控制信號和/或通信信號。所述微控制器還預留有手動復位按鍵，用以進行人工復位實現(xiàn)對最小系統(tǒng)電路進行重啟。在本實施例中提供簡單完善的電機控制閉環(huán)系統(tǒng)，能實時準確采集位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)信息，精確控制電機運動。

作為本實施例中的優(yōu)選，所述CAN通訊接口103中采用CAN總線收發(fā)器與外部CAN總線連接，輸出差分信號采用輸。在所述CAN總線收發(fā)器上預留有一個串口，用以通過串口協(xié)議或者指令去控制電機中的參數(shù)。本實施例中的CAN通訊接口103功能，可以接入到帶有CAN接口的系統(tǒng)總線中去，可以很方便的與其他設(shè)備進行串行通訊。

作為本實施例中的優(yōu)選，所述光電碼盤，包括光電碼盤和碼盤處理電路，所述碼盤處理電路由發(fā)光二極管和光敏接收三極管組成，且分別裝在盤片的兩側(cè)；所述光電碼盤安裝在電機末端軸，在所述光電碼盤安上開設(shè)有光柵，在所述光電碼盤轉(zhuǎn)動時，若擋住了發(fā)光管發(fā)出的光，則輸出高電平信號；若光電碼盤轉(zhuǎn)到光柵上的縫隙位置，則輸出低電平信號。所述光電碼盤即光電編碼器是一個獨立的模塊，它的信號不是由電機驅(qū)動芯片給出，本實施例中的光電碼盤是安裝在電機末端的一個獨立模塊，電機轉(zhuǎn)動時電機軸帶動碼盤的盤片轉(zhuǎn)動，通過內(nèi)部的電路產(chǎn)生出不同的高低電平信號脈沖，具體原理，下面會提到，光電碼盤產(chǎn)生的信號反饋到微控制器去做采集計算處理，從而得到電機的轉(zhuǎn)速。

作為本實施例中的優(yōu)選，所述電機驅(qū)動芯片100還用以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動、電機過載保護，電機過流保護。

作為本實施例中的優(yōu)選，所述速度環(huán)控制通過光電碼盤，采用A、B相兩路相位相差90度的信號輸出，如果A相超前B相90度，則此時電機正轉(zhuǎn)；相反，如果B相超前A相90度，則此時電機反轉(zhuǎn)。

作為本實施例中的優(yōu)選，所述位置環(huán)采用位置霍爾傳感器，所述位置霍爾傳感器包括：磁鋼和霍爾傳感器組成，當所述磁鋼靠近霍爾傳感器時，霍爾傳感器輸出保持為低電平；當所述磁鋼遠離霍爾傳感器時，輸出保持為高電平；所述微控制器通過檢測輸出信號的高低電平值，可以檢測判斷電機是否達到當前所需的位置。

名詞解釋如下：

1、電流環(huán)：電流環(huán)的輸入是速度環(huán)PID調(diào)節(jié)后的那個輸出，稱為“電流環(huán)給定”，然后就是電流環(huán)的這個給定和“電流環(huán)的反饋”值進行比較后的差值在電流環(huán)內(nèi)做PID調(diào)節(jié)輸出給電機，“電流環(huán)的輸出”就是電機每相的相電流，“電流環(huán)的反饋”不是編碼器的反饋而是在驅(qū)動器內(nèi)部安裝在每相的霍爾元件(磁場感應變?yōu)殡娏麟妷盒盘?反饋給電流環(huán)的。

2、速度環(huán)：速度環(huán)的輸入就是位置環(huán)PID調(diào)節(jié)后的輸出以及位置設(shè)定的前饋值，我們稱為“速度設(shè)定”，這個“速度設(shè)定”和“速度環(huán)反饋”值進行比較后的差值在速度環(huán)做PID調(diào)節(jié)(主要是比例增益和積分處理)后輸出就是上面講到的“電流環(huán)的給定”。速度環(huán)的反饋來自于編碼器的反饋后的值經(jīng)過“速度運算器”得到的。

3、位置環(huán)：位置環(huán)的輸入就是外部的脈沖(通常情況下，直接寫數(shù)據(jù) 到驅(qū)動器地址的伺服例外)，外部的脈沖經(jīng)過平滑濾波處理和電子齒輪計算后作為“位置環(huán)的設(shè)定”，設(shè)定和來自編碼器反饋的脈沖信號經(jīng)過偏差計數(shù)器的計算后的數(shù)值在經(jīng)過位置環(huán)的PID調(diào)節(jié)(比例增益調(diào)節(jié)，無積分微分環(huán)節(jié))后輸出和位置給定的前饋信號的合值就構(gòu)成了上面講的速度環(huán)的給定。位置環(huán)的反饋也來自于編碼器。

編碼器安裝于伺服電機尾部，它和電流環(huán)沒有任何聯(lián)系，他采樣來自于電機的轉(zhuǎn)動而不是電機電流，和電流環(huán)的輸入、輸出、反饋沒有任何聯(lián)系。而電流環(huán)是在驅(qū)動器內(nèi)部形成的，即使沒有電機，只要在每相上安裝模擬負載電流環(huán)就能形成反饋工作。

作為本實施例中的優(yōu)選，驅(qū)動器還包括24V驅(qū)動電壓，用以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)用以驅(qū)動不大于24V的直流電機。

本實施例中采用光電器件進行信號隔離，避免電機信號造成的干擾，并且提供通用的CAN總線通信接口，方便二次開發(fā)使用。并且微控制器還具有過流，欠壓和溫度過高自動保護,以及故障狀態(tài)提示功能。

另外，本實施例中還提供了一種小功率電機，包括低電壓小型有刷電機驅(qū)動器。其中低電壓小型有刷電機驅(qū)動器能夠滿足小型直流電機驅(qū)動的應用場合，并且很好的解決了因電機轉(zhuǎn)動時給電路部分帶來的電磁干擾現(xiàn)象，而且設(shè)計自帶有CAN總線通訊接口，非常方便的與其他設(shè)備進行總線通信的連接。

請參考圖2～圖4(a)-圖4(b),其中圖2是圖1中的電機驅(qū)動芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中電機驅(qū)動芯片的的真值表。圖4(a)-圖4(b)是圖2中的電機轉(zhuǎn)向示意圖本。

如圖2所示，本實施例中的電機驅(qū)動芯片，工作電壓最高40V，驅(qū)動電流最高5A，采用飛思卡爾公司的電機驅(qū)動芯片MC33887,該芯片可同時驅(qū)動兩個電機，單一電源供電?？梢詫崿F(xiàn)電機PWM調(diào)速，正反轉(zhuǎn)，制動等實時控制功能。并具有過流，欠壓和溫度過高自動保護,以及故障狀態(tài)提示功能，輸出短路保護，欠壓關(guān)閉。該驅(qū)動器最多可以驅(qū)動兩個電機，具有兩組OUT1、OUT2引腳，芯片引腳圖如圖2所示，在本實施例中，只需驅(qū)動一個電機，故可將OUT1、OUT2分別并聯(lián)在一起，可以增加電流的驅(qū)動能力，芯片輸入信號兩個引腳為IN1，IN2。信號輸入可分為4中情況：1.IN1引腳為高，IN2為低，芯片輸出端為OUT1位高，OUT2為低；2.IN1引腳為低，IN2為高，芯片輸出端為OUT1位低，OUT2為高；3.IN1引腳為高，IN2為高，芯片輸出端為OUT1位高，OUT2為高；4.IN1引腳為低，IN2為低，芯片輸出端為OUT1位低，OUT2為低；具體的真值表見圖3中所示。如果要實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)，輸入的信號就和圖3中的情況1保持一樣，電機就會正向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動示意如圖4(a)所示，電流方向如圖中虛線箭頭所示；相反，如果要實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)，輸入的信號就和圖3中的情況2保持一致，電機就會反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動示意如圖4(b)圖所示，電流方向如圖中中虛線箭頭所示；如果要實現(xiàn)電機緊急制動，輸入的信號就和圖3中的情況3保持一致，電機就會在轉(zhuǎn)動的情況下緊急制動，或者在在原來靜止的情況下進行自鎖。如果兩個輸入信號都為0，如與圖3中的情況4保持一致，此時為電機自然滑行狀態(tài)或自然停止狀態(tài)，此情況一般不常用。如果需要實現(xiàn)電機調(diào)速功能，輸入信號IN2為0，IN1輸入為占空比可變的PWM信號，即可實現(xiàn)電機的調(diào)速功能；如果需要實現(xiàn)電機反向調(diào)速功能，輸入信號IN1為0，IN2輸入為占空比可變的PWM信號，即可實現(xiàn)電機的調(diào)速功能。

請參考圖5-圖7，其中圖5是本實用新型的位置環(huán)采用位置霍爾傳感器示意圖。圖7是圖5中的A、B相兩路信號輸出示意圖。圖6是霍爾傳感器的輸出信號圖。

在本實施例中，電流環(huán)采用驅(qū)動芯片內(nèi)部自帶的過流保護功能，實現(xiàn)電機的過流過熱保護功能，

位置環(huán)采用位置霍爾傳感器，采用磁鋼和霍爾傳感器組成，如圖5所示，A為轉(zhuǎn)動的磁鋼，B為靜止的霍爾傳感器，當磁鋼靠近霍爾傳感器時，霍爾傳感器輸出保持為低電平，當磁鋼遠離霍爾傳感器時，輸出保持為高電平。處理器通過檢測輸出信號的高低電平值，可以檢測判斷電機是否達到當前所需的位置，霍爾傳感器的輸出信號圖，如圖6中所示。

速度環(huán)采用光電編碼器，采用A、B相兩路信號輸出，相位相差90度，如圖7中所示，兩個脈沖的輸出信號送給處理器去采樣計算，處理器通過計算出脈沖的個數(shù)和脈沖的先后順后，可以計算得出電機運行的速度和轉(zhuǎn)動當前的轉(zhuǎn)動方向。如果A相超前B相90度，此時電機正轉(zhuǎn)，相反，如果B相超前A相90度，此時電機反轉(zhuǎn)。

以上三個都采用PID的算法進行電機的閉環(huán)控制，通過處理器實時的采集和計算得到數(shù)據(jù)，控制電機進行精確的控制和轉(zhuǎn)動，帶負載擾動小，效率高。

請參考圖7是圖1中的CAN通訊接口結(jié)構(gòu)示意圖。

通訊接口采用比較常用CAN通訊接口，即CAN總線接口，采用獨立的CAN總線收發(fā)器，支持3.3V電壓的低功耗工作模式，輸出信號采用查分輸出，抗干擾小，傳輸距離遠，最高通信速率達到1Mb/s，可以很方便的與其他的 CAN總線設(shè)備進行兩連接。同時還預留一個串口，也可以通過串口協(xié)議或者指令去控制電機的各個參數(shù)。具體流程控制圖如圖7所示。

請參考圖8是圖1中24V驅(qū)動電壓結(jié)構(gòu)示意圖。

本實施例中采用24V驅(qū)動電壓驅(qū)動電機，最高可驅(qū)動24V的直流有刷電機，而且驅(qū)動電壓可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，24V以內(nèi)的直流電機都可以驅(qū)動，如圖8中所示，處理器通過IO引腳控制一個數(shù)字電位器的電阻值，通過不同的電阻值從而調(diào)節(jié)電源芯片端的電阻比例值，可以使電源電壓在一定的范圍內(nèi)進行變化，從而適應不同額定電壓值的電機，增加了該驅(qū)動器的適用性。

請參考圖9-圖10，其中圖9是圖1中的微控制器的電路圖。圖10是圖1中的微控制器的最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

本實施例中的微控制器102的電路圖如圖9所示，主要由時鐘電路，復位電路以及電源電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路，再將用到的功能IO接口引出，用來做控制電機控制信號和通信信號。電源采用3.3V供電系統(tǒng)，時鐘采用外部8M晶振，通過芯片內(nèi)的的PLL(鎖相環(huán))可倍頻到72MHZ的高速時鐘，從而提供內(nèi)微控制器內(nèi)的各個模塊進行工作，復位系統(tǒng)采用低電平復位，預留有一個手動復位按鍵，必要時可人工復位，對整個系統(tǒng)進行重啟。微控制器最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

請參考圖11-圖12，請參考圖11是圖1中的光電碼盤的結(jié)構(gòu)示意圖。請參考圖12圖10中的光電碼盤的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

本實施例中的光電碼盤104內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖11所示：光電碼盤安裝在電機末端軸。如圖中的轉(zhuǎn)軸，盤片的上黑條代表一條條小縫(俗稱光柵)，可以 透光，碼盤處理電路由發(fā)光二極管和光敏接收三極管組成，這兩者分別裝在盤片的兩側(cè)。電機轉(zhuǎn)動時會帶動碼盤盤片一起轉(zhuǎn)動，盤片在轉(zhuǎn)動時，如果擋住了發(fā)光管發(fā)出的光，此時光敏接收管接收不到發(fā)出的光，處理電路認為此時為1，即高電平信號，如果盤片轉(zhuǎn)到光柵上的縫隙位置，使得發(fā)光管的光剛好可以透過去，那么此時光敏接收管接收到出發(fā)的光，處理電路認為此時為0，即低電平狀態(tài)，碼盤電路原理圖如圖12所示。盤片隨著在電機轉(zhuǎn)動的過程中，就會出現(xiàn)連續(xù)的高低信號脈沖。如果編碼器縫分辨率為N(每圈的脈沖數(shù))，倍頻系數(shù)k(采用A B兩相碼盤，雙邊沿采樣，此時k＝4)，計數(shù)周期為T(s)，計數(shù)個數(shù)為n，那么此時的電機轉(zhuǎn)速就為：

電機轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/min)＝60×n/T×1/kN。

應當理解，本實用新型的各部分可以用硬件、軟件、固件或它們的組合來實現(xiàn)。在上述實施方式中，多個步驟或方法可以用存儲在存儲器中且由合適的指令執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行的軟件或固件來實現(xiàn)。例如，如果用硬件來實現(xiàn)，和在另一實施方式中一樣，可用本領(lǐng)域公知的下列技術(shù)中的任一項或他們的組合來實現(xiàn)：具有用于對數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)邏輯功能的邏輯門電路的離散邏輯電路，具有合適的組合邏輯門電路的專用集成電路，可編程門陣列(PGA)，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示 例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解：以上，所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。