[实用新型]上肢康复机器人用无刷直流电机控制器

摘要

上肢康复机器人用无刷直流电机控制器，包括微控制器、PWM驱动电路、全桥逆变电路、通信接口电路和电源电路，所述的微控制器采用STM32微控制器，微控制器完成包括PWM信号的产生、转子位置检测、过流检测与保护、速度测量和控制器工作状态指示，所述的PWM驱动电路采用IR2130S芯片作为驱动电路，所述的全桥逆变电路采用功率MOSFET 芯片I RF3808构成的全桥逆变电路，实现电机的换向驱动控制；所述的通信接口电路CAN通信和RS232串行通信两种接口，便于控制器与不同通信接口的上位机进行连接应用。采用本控制器在满足要求的情况下可以有效的降低设备成本。

主权项

上肢康复机器人用无刷直流电机控制器，包括微控制器、PWM驱动电路、全桥逆变电路、通信接口电路和系统电源电路，其特征在于：所述的微控制器采用STM32微控制器，微控制器完成包括PWM信号的产生、转子位置检测、过流检测与保护、速度测量和控制器工作状态指示，PWM信号由STM32中的高级定时器TIM1产生，由TIM1的三个输出通道TIM1_CH1、TIM1_CH2、TIM1_CH3输出上桥臂的控制信号，分别由微控制器的PA8、PA9和PA10引脚输出，TIM1的三个输出通道TIM1_CH1N、TIM1_CH2N、TIM1_CH3N输出下桥臂的控制信号，分别由微控制器的PB13、PB14和PB15引脚输出；无刷直流电机转子位置信号由霍尔传感器产生，由STM32的定时器TIM2进行检测，信号由PA0、PA1和PA2引脚输入到定时器的TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3三个输入通道；速度检测电路的输入信号由PA6、PA7引脚接入到定时器TIM3的TIM3_CH1、TIM3_CH2，由定时器TIM3完成速度测量；电流检测由PB0引脚输入到A/D转换器ADC12_IN8通道，进行电流检测，完成过流检测和保护；引脚OSC_IN、TDI、RESET、TCK/SWCLK、TMS/SWDIO、TMO/SWO构成了JTAG接口电路；STM32微控制器的PWM1+、PWM2+、PWM3+、PWM1‑、PWM2‑、PWM3‑接PWM驱动电路；HALL1、HALL2、HALL3接霍尔转子位置信号；QEPIN1、QEPIN2接速度检测电路；XINTIN1、XINTIN2接限位信号；LED1、LED2、LED3接控制器状态指示电路；SCIRX、SCITX接RS232通信接口电路；CanTx、CanRx接CAN通信接口电路；fault接PWM驱动电路，i_sense接电流检测电路；U1的8端口接模拟地，U1的23、35、47端口接数字地，U1的24、36、48端口接3.3V电源正极；二极管D1的正极接3.3V电源正极，二极管D1的负极接U1的1端口；电阻R1的一端接U1的44端口，一端接数字地；所述的PWM驱动电路采用IR2130S芯片作为驱动电路，该驱动电路由U8、电阻R31、电阻R41、电阻R28、电阻R46、电阻R54、电阻R59、电阻R60、LD3、D2、D3、D4构成；HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3通过高速光耦分别连接到STM32的PA8、PA9、PA10、PB13、PB14、PB15引脚；Protect连接过流保护电路，Sample和fault接电流采样电路；D2、D3、D4正极性端接12V电源的正极，负极性端分别接U8的20、24和28端口；U8的10、11、12、17、21和25端口接12V电源负极性端；LD3的负极性端接U8的8端口，正极性端接电阻R59，电阻R59的另一端接5V电源的正极性端；U8的2、3、4、5、6、7端口分别通过电阻R31、电阻R41、电阻R28、电阻R46、电阻R54、电阻R59、电阻R60后连接到5V电源的正极；U8的1端口接12V电源正极；所述的全桥逆变电路采用功率MOSFET 芯片I RF3808构成的全桥逆变电路，实现电机的换向驱动控制；所述全桥逆变电路中MOST1、MOST2、 MOST3为上桥臂，MOST4、MOST5、MOST6为下桥臂， PVCC24接24V直流电源，Sample接电流采样电路，用于实现电流检测和过流保护；全桥逆变电路由MOST1、MOST2、MOST3、MOST4、MOST5、MOST6、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R51、电阻R52、电阻R53器件构成；MHO1、MHO2、MHO3分别通过一个电阻再分别连接到MOSFET驱动电路的HO1、HO2、HO3引脚，MLO1、MLO2、MLO3分别通过一个15Ω电阻再分别连接到MOSFET驱动电路的LO1、LO2、LO3引脚，U、V、W分别接MOSFET驱动电路的VS1、VS2、VS3引脚；MOST1、MOST2、MOST3的漏极接24V电源的正极；MOST4、MOST5、MOST6的源极接电流检测电路Sample端；电阻R38、电阻R39、电阻R40一端分别接MOST1、MOST2、MOST3的栅极，另一端分别接MOST1、MOST2、MOST3的源极；电阻R51、电阻R52、电阻R53一端分别接MOST4、MOST5、MOST6的栅极，另一端分别接MOST4、MOST5、MOST6的源极； 所述的通信接口电路CAN通信和RS232串行通信两种接口，便于控制器与不同通信接口的上位机进行连接应用； CAN通信接口电路由C40、电阻R65、电阻R66、J1和U3构成，其中电阻R65电阻为120Ω的阻抗匹配电阻，CanRx、CanTx分别接STM32的PB8和PB9引脚，CAN通信接口电路通过J1接口与PLC或计算机连接；RS232接口电路由C21、C25、C26、C27、C28、J2和U2构成，SCITX、SCIRX分别与STM32的PB10和PB11引脚连接，RS232通信接口电路通过J2与PLC或计算机连接；U3的3端口接3.3V电源的正极；U3的8端口通过电阻R66接3.3V电源的负极，U2的1和3端口接电容C25，U2的4和5端口接电容C27，U2的2、6和16端口分别通过电容C26、C28和C21接电源地，U2的16端口接3.3V电源正极；所述的系统电源电路包括24V直流电源接口JP24，与JP2连接有电容C2、电容C3、电容C4、电容C5连接，电容C2、电容C3、电容C4、电容C5作为24V电源的滤波电容；电容C6、电容C16作为12V电源的滤波电容，与V2的引脚3和引脚5相连；电容C14、电容C15作为5V电源的滤波电容，与V4的引脚2和引脚3相连；电容C7、电容C8作为5V数字电路电源的滤波电容，与V1的引脚3和引脚5相连；电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13作为3.3V数字电路电源的滤波电容，与V3的引脚2和引脚4相连；V1和V2为DC‑DC电源模块，分别实现24V转5V和24V转12V电压变换；V1和V2为三端稳压器，分别实现5V转3V和12V转5V电压变换；所述的控制器中还包含电平转换与驱动电路，电平转换与驱动电路实现PWM信号的电平转换和光电耦合器的驱动，由U4构成， U4的引脚1接DVCC5，U4的引脚23、引脚24接DVCC33，U4的引脚2、引脚22、引脚11、引脚12、引脚13接DGND，U4的引脚16、引脚17、引脚18、引脚19、引脚20、脚21接STM32微控制器的PA10、PA9、PA8、PB15、PB14、PB13，U4的引脚3、引脚4、引脚5、引脚6、引脚7、引脚8分别接U5、U6、U7的引脚2和引脚3。