CN103812423B - 一种可控电机驱动器及其组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控电机驱动器，包括交直流驱动切换开关，编码器电平切换开关，能与外部无线通信的无线通信单元，用于驱动电机工作的电机驱动单元，与电机接口连接的电机接口匹配单元，和编码接口匹配单元。该可控电机驱动器以自身为节点，建立网络，网络建立成功以后，以该可控电机驱动器为中心，向外部发送无线信号寻求相关节点，直至所有的可控电机驱动器加入网络，加入网络后，各个可控电机驱动器相互协调工作，控制电机完成各种动作。该可控电机驱动器不仅能够驱动不同类型、不同电压的电机，兼容多种电平的编码器，还能够协调不同电机进行无线远程组网控制。

Description

一种可控电机驱动器及其组网方法

技术领域

本发明涉及电机自动控制领域，具体涉及一种可控电机驱动器，还涉及该可控电机驱动器的组网方法。

背景技术

电机驱动器是一种广泛应用于工业控制和自动化生产中的产品，尤其在机器人控制驱动方向内应用更加深入。在应用中，电机种类繁多，不同种类的电机需要配置不同的与之相匹配的驱动器和编码器，编码器的工作电压又不尽相同。在需要更换电机的情况，需要重新配置驱动器和编码器，增加了使用成本。此外，传统的电机驱动器都是通过有线的方式进行控制，这种方式，线路复杂，布线成本高，尤其是一些经常处于活动或弯折的线，很容易老化或折断，影响***工作的可靠性，在类似于机器人控制领域，对电机驱动器各方面要求更为苛刻。而目前，对电机的远程控制或无线电控制多采用在电机驱动器外增加无线电设备，增加了设计的复杂度，提高了成本，并且不便于安装和维护，***的可靠性不是很高，在类似于机器人多轴运动控制中，各个电机之间很难直接进行通信，难以快速的达到自组织、自协调的目的。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够驱动不同类型、不同电压的电机且能够兼容多种电平的编码器，同时还能够协调不同电机无线远程组网控制的可控电机驱动器。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种可控电机驱动器组网方法，使得多个可控电机驱动器相互协调工作，控制电机完成各种动作。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种可控电机驱动器，包括交直流驱动切换开关，编码器电平切换开关，能与外部无线通信的无线通信单元，用于驱动电机工作的电机驱动单元，与电机接口连接的电机接口匹配单元，与编码器接口连接的编码器接口匹配单元，其中交直流驱动切换开关与无线通信单元连接用于选择电机需要的驱动方式为直流驱动还是交流驱动，编码器电平切换开关与无线通信单元连接用于选择电机编码器需要的输出电平，电机驱动单元与无线通信单元连接并能在无线通信单元的控制指令下设置驱动电机方式为交流驱动或直流驱动，电机接口匹配单元与无线通信单元和电机驱动单元连接，电机接口匹配单元能在无线通信单元的控制指令下设置电机接口连线方式，编码接口匹配单元与无线通信单元连接并能在无线通信单元的控制指令下改变电机编码器的输出电平。

优选地，所述无线通信单元包括型号为CC2430的无线MCU芯片及与无线MCU芯片连接的发射天线。

优选地，所述电机驱动单元包括带有UART接口的变频器和型号为MAX3232EUE的集成IC芯片，其中变频器的D1、D2、D3引脚与电机接口匹配单元连接，变频器的TXD引脚与集成IC芯片的第7引脚连接，变频器的RXD引脚与集成IC芯片的第8引脚连接，集成IC芯片的第9引脚与无线MCU芯片的P0_2引脚连接，集成IC芯片的第10引脚与无线MCU芯片的P0_3引脚连接。

优选地，所述编码接口匹配单元包括型号为DAC0532LCV的D/A转换芯片、型号为74AC573B的锁存器芯片、第一运算放大器、第二运算放大器、第一光耦、第二光耦和第三光耦，其中锁存器芯片的第2～第9引脚分别与无线MCU芯片的P1_0～P1_7引脚连接，锁存器芯片的第11引脚与无线MCU芯片的P0_1引脚连接，锁存器芯片的第20引脚与D/A转换芯片的1、2、18、19、17引脚均相连，锁存器芯片的第12～第19引脚分别与D/A转换芯片的DI7～DI0引脚连接，D/A转换芯片的第11引脚与第一运算放大器的反向输入端连接，D/A转换芯片的第12引脚与第一运算放大器的同向输入端连接，第一运算放大器的输出端连接第四电阻后与第二运算放大器的反向输入端连接，第二运算放大器的同向输入端连接第六电阻后接地，第二运算放大器的输出端与无线MCU芯片的P0_0引脚连接，同时，第一运算放大器的输出端连接第七电阻后与第一光耦、第二光耦和第三光耦发射端阴极连接，第一光耦、第二光耦和第三光耦发射端的阳极分别与电机编码器的三个信号连接端连接，第一光耦、第二光耦和第三光耦接收端的第一引脚分别连接一电阻后与稳压直流电源VCC连接，第一光耦、第二光耦和第三光耦接收端的第二引脚分别与无线MCU芯片的P1_0、P1_1、P1_2连接。

优选地，所述电机接口匹配单元包括第一继电器、第二继电器、第三继电器,其中第一继电器的第4引脚与变频器的D1引脚连接，第二继电器的第4引脚与变频器的D2引脚连接，第三继电器的第4引脚与变频器的D3引脚连接；第一继电器的第5引脚连接第一二极管的阴极，第一二极管的阳极与第一继电器的第2引脚连接，同时第一二极管的阳极还连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极接地，第一三极管的集电极连接第三十五电阻后与无线MCU芯片的P2_0引脚连接；第二继电器的第5引脚连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极与第二继电器的第2引脚连接，同时第二二极管的阳极还连接第二三极管的发射极，第二三极管的基极接地，第二三极管的集电极连接第三十六电阻后与无线MCU芯片的P2_1引脚连接；第三继电器的第5引脚连接第三二极管的阴极，第三二极管的阳极与第三继电器的第2引脚连接，同时第三二极管的阳极还连接第三三极管的发射极，第三三极管的基极接地，第三三极管的集电极连接第三十七电阻后与无线MCU芯片的P2_2引脚连接；第一继电器、第二继电器和第三继电器的第1引脚分别连接电机的三个信号连接端。

方便快捷地，所述交直流驱动切换开关和编码器电平切换开关采用同一个具有四个拨码键的拨码开关。

为了方便可控电机驱动器件的无线通信能够快速有效识别，不受外界信号影响，所述无线MCU芯片内存储有唯一的硬件物理地址。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种可控电机驱动器的组网方法，首先将电机的三个信号连接端分别与第一继电器、第二继电器和第三继电器的第1引脚进行连接，将电机编码器的三个信号连接端分别与第一光耦、第二光耦和第三光耦发射端的阳极连接，在上电时，根据连接的电机是直流电机是还是交流电机，通过拨码开关，将要选择直流还是交流驱动的讯号传递给无线MCU芯片，无线MCU芯片通过UART给变频器发送指令，变频器会根据指令设置好驱动方式，同时无线MCU芯片会控制电机接口匹配单元内的三个继电器，设置好电机接口连线方式，驱动方式选择好以后，再次通过拨码开关，选择编码器的供电电压以及编码器输出信号的电平，无线MCU芯片通过控制D/A转换芯片输出不同的电平，而输出电平的高低由无线MCU芯片的内置AD进行监测，若输出电压过高或过低，无线MCU芯片通过控制D/A转换芯片继续调整，直到符合为止，从而构成一个闭环调节反馈电路，待编码器输出信号的电设置好以后，该可控电机驱动器以自身为节点，建立网络，网络建立成功以后，以该可控电机驱动器为中心，向外部发送无线信号寻求相关节点，若外部没有相关节点，则该可控电机驱动器按照预设的程序执行，并驱动电机完成相关动作，若有搜索到其他节点，则向其发送请求，若该节点应答，并发出加入请求，则该可控电机驱动器将加入该网络，若有其他节点，依次按照上述流程执行，直至所有的可控电机驱动器加入网络，加入网络后，各个可控电机驱动器相互协调工作，控制电机完成各种动作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、该可控电机驱动器在不改变现有通用电机接口的基础上，不仅可以驱动直流电机而且可以驱动交流电机，只需拨动交直流切换开关，就可以实现交流电机驱动与直流电机驱动的切换，实现了电机驱动器的通用性，在更换电机的情况下，无需重新配置电机驱动器。

2、该可控电机驱动器通过电平切换开关可以匹配各种不同电平的编码器，适用于各种类型的编码器，消除了编码器匹配问题，使电机驱动器的使用更方便，兼容性更强。

3、该可控电机驱动器将无线传输单元内置于电机驱动单元，无需外接无线传输单元，且在无线传输单元内存储有唯一的硬件物理地址，以便在同一***中需要多个可控电机驱动器协调工作时，利用无线传输单元可以完成组网，以方便各可控电机驱动器之间自协调、自组织的工作。

附图说明

图1为本发明实施例中可控电机驱动器的结构示意图。

图2为本发明实施例中可控电机驱动器的内部结构示意图。

图3为本发明实施例中无线通信单元的电路图。

图4为本发明实施例中电机驱动单元的电路图。

图5为本发明实施例中编码接口匹配单元的电路图。

图6为本发明实施例中电机接口匹配单元的电路图。

图7为本发明实施例中可控电机驱动器的组网方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～图6所示，本实施例中的可控电机驱动器，包括交直流驱动切换开关，编码器电平切换开关，能与外部无线通信的无线通信单元，用于驱动电机工作的电机驱动单元，与电机接口连接的电机接口匹配单元，与编码器接口连接的编码器接口匹配单元。本实施例中的可控电机驱动器上还预留有有线通信接口。

方便快捷地，所述交直流驱动切换开关和编码器电平切换开关采用同一个具有四个拨码键的拨码开关，该拨码开关与无线通信单元连接，通过四个拨码键排列组合的开启和闭合，既可以切换直流或者交流驱动电路，从而选择电机需要的驱动方式为直流驱动还是交流驱动，还可以切换与电机驱动单元相匹配的编码器工作电平。

电机驱动单元与无线通信单元连接并能在无线通信单元的控制指令下设置驱动电机方式为交流驱动或直流驱动，电机接口匹配单元与无线通信单元和电机驱动单元连接，电机接口匹配单元能在无线通信单元的控制指令下设置电机接口连线方式，编码接口匹配单元与无线通信单元连接并能在无线通信单元的控制指令下改变电机编码器的输出电平。

其中，所述无线通信单元包括型号为CC2430的无线MCU芯片及与无线MCU芯片连接的发射天线，为了方便可控电机驱动器件的无线通信能够快速有效识别，不受外界信号影响，所述无线MCU芯片内存储有唯一的硬件物理地址。

所述电机驱动单元包括带有UART接口的变频器和型号为MAX3232EUE的集成IC芯片，其中变频器的D1、D2、D3引脚与电机接口匹配单元连接，变频器的TXD引脚与集成IC芯片的第7引脚连接，变频器的RXD引脚与集成IC芯片的第8引脚连接，集成IC芯片的第9引脚与无线MCU芯片的P0_2引脚连接，集成IC芯片的第10引脚与无线MCU芯片的P0_3引脚连接。

所述编码接口匹配单元包括型号为DAC0532LCV的D/A转换芯片、型号为74AC573B的锁存器芯片、第一运算放大器、第二运算放大器、第一光耦、第二光耦和第三光耦，其中锁存器芯片的第2～第9引脚分别与无线MCU芯片的P1_0～P1_7引脚连接，锁存器芯片的第11引脚与无线MCU芯片的P0_1引脚连接，锁存器芯片的第20引脚与D/A转换芯片的1、2、18、19、17引脚均相连，锁存器芯片的第12～第19引脚分别与D/A转换芯片的DI7～DI0引脚连接，D/A转换芯片的第11引脚与第一运算放大器的反向输入端连接，D/A转换芯片的第12引脚与第一运算放大器的同向输入端连接，第一运算放大器的输出端连接第四电阻后与第二运算放大器的反向输入端连接，第二运算放大器的同向输入端连接第六电阻后接地，第二运算放大器的输出端与无线MCU芯片的P0_0引脚连接，同时，第一运算放大器的输出端连接第七电阻后与第一光耦、第二光耦和第三光耦发射端阴极连接，第一光耦、第二光耦和第三光耦发射端的阳极分别与电机编码器的三个信号连接端连接，第一光耦、第二光耦和第三光耦接收端的第一引脚分别连接一电阻后与稳压直流电源VCC连接，第一光耦、第二光耦和第三光耦接收端的第二引脚分别与无线MCU芯片的P1_0、P1_1、P1_2连接。

所述电机接口匹配单元包括第一继电器、第二继电器、第三继电器,其中第一继电器的第4引脚与变频器的D1引脚连接，第二继电器的第4引脚与变频器的D2引脚连接，第三继电器的第4引脚与变频器的D3引脚连接；第一继电器的第5引脚连接第一二极管的阴极，第一二极管的阳极与第一继电器的第2引脚连接，同时第一二极管的阳极还连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极接地，第一三极管的集电极连接第三十五电阻后与无线MCU芯片的P2_0引脚连接；第二继电器的第5引脚连接第二二极管的阴极，第二二极管的阳极与第二继电器的第2引脚连接，同时第二二极管的阳极还连接第二三极管的发射极，第二三极管的基极接地，第二三极管的集电极连接第三十六电阻后与无线MCU芯片的P2_1引脚连接；第三继电器的第5引脚连接第三二极管的阴极，第三二极管的阳极与第三继电器的第2引脚连接，同时第三二极管的阳极还连接第三三极管的发射极，第三三极管的基极接地，第三三极管的集电极连接第三十七电阻后与无线MCU芯片的P2_2引脚连接；第一继电器、第二继电器和第三继电器的第1引脚分别连接电机的三个信号连接端。

在使用该可控电机驱动器时，首先将电机通过三个信号连接端连接于电机接口匹配单元，将编码器连接于编码接口匹配单元。在可控电机驱动器工作之前，根据电机是直流电机是还是交流电机，通过拨码开关进行相应的开关操作，从而将选择直流驱动还是交流驱动的讯号传递给无线MCU芯片，无线MCU芯片再通过变频器上的UART接口与变频器进行通信，从而设置变频器驱动电机的方式，通过控制导通不同继电器的方式来切换相应的直流或者交流驱动电路，此外，无线MCU芯片还可以通过与变频器的通信控制变频器输出不同的电流和电压，以驱动不同的直流电机或者交流电机。

驱动方式选择好后，再通过拨码开关的操作，选择编码器的供电电压和编码器的输出信号电平，，如此过程完成编码器与电机及电机驱动单元的相互匹配，待全部设置完成后，可以启动可控电机驱动器。

如图7所示，本实施例中的可控电机驱动器的组网方法，首先将电机的三个信号连接端分别与第一继电器、第二继电器和第三继电器的第1引脚进行连接，将电机和编码器的三个信号连接端分别与第一光耦、第二光耦和第三光耦发射端的阳极连接，在上电时，根据连接的电机是直流电机是还是交流电机，通过拨码开关，将要选择直流还是交流驱动的讯号传递给无线MCU芯片，无线MCU芯片通过UART给变频器发送指令，变频器会根据指令设置好驱动方式，同时无线MCU芯片会控制电机接口匹配单元内的三个继电器，设置好电机接口连线方式，驱动方式选择好以后，再次通过拨码开关，选择编码器的供电电压以及编码器输出信号的电平，无线MCU芯片通过控制D/A转换芯片输出不同的电平，而输出电平的高低由无线MCU芯片的内置AD进行监测，若输出电压过高或过低，无线MCU芯片通过控制D/A转换芯片继续调整，直到符合为止，从而构成一个闭环调节反馈电路，待编码器输出信号的电设置好以后，该可控电机驱动器以自身为节点，建立网络，网络建立成功以后，以该可控电机驱动器为中心，向外部发送无线信号寻求相关节点，若外部没有相关节点，则该可控电机驱动器按照预设的程序执行，并驱动电机完成相关动作，若有搜索到其他节点，则向其发送请求，若该节点应答，并发出加入请求，则该可控电机驱动器将加入该网络，若有其他节点，依次按照上述流程执行，直至所有的可控电机驱动器加入网络，加入网络后，各个可控电机驱动器相互协调工作，控制电机完成各种动作。

此外，可控电机驱动器的组网还可以通过外部的控制机进行，外部的控制机设置无线单元，用无线的方式直接向一个***中具有相同的硬件物理地址的各可控电机驱动器上的无线传输单元发送指令，进而构建为电机驱动器驱动网络，各个可控电机驱动器依据外部控制机的控制指令相互协调工作，驱动该***中的不同电机的各种动作，协调不同电机完成无线远程组网控制。

Claims (6)

1.一种可控电机驱动器，其特征在于：包括交直流驱动切换开关，编码器电平切换开关，能与外部无线通信的无线通信单元，用于驱动电机工作的电机驱动单元，与电机接口连接的电机接口匹配单元，与编码器接口连接的编码器接口匹配单元，其中交直流驱动切换开关与无线通信单元连接用于选择电机需要的驱动方式为直流驱动还是交流驱动，编码器电平切换开关与无线通信单元连接用于选择电机编码器需要的输出电平，电机驱动单元与无线通信单元连接并能在无线通信单元的控制指令下设置驱动电机方式为交流驱动或直流驱动，电机接口匹配单元与无线通信单元和电机驱动单元连接，电机接口匹配单元能在无线通信单元的控制指令下设置电机接口连线方式，编码接口匹配单元与无线通信单元连接并能在无线通信单元的控制指令下改变电机编码器的输出电平；所述无线通信单元包括型号为CC2430的无线MCU芯片(U1)及与无线MCU芯片(U1)连接的发射天线；

所述电机驱动单元包括带有UART接口的变频器(U8)和型号为MAX3232EUE的集成IC芯片(U12)，其中变频器(U8)的D1、D2、D3引脚与电机接口匹配单元连接，变频器(U8)的TXD引脚与集成IC芯片(U12)的第7引脚连接，变频器(U8)的RXD引脚与集成IC芯片(U12)的第8引脚连接，集成IC芯片(U12)的第9引脚与无线MCU芯片(U1)的P0_2引脚连接，集成IC芯片(U12)的第10引脚与无线MCU芯片(U1)的P0_3引脚连接。

2.根据权利要求1所述的可控电机驱动器，其特征在于：所述编码接口匹配单元包括型号为DAC0532LCV的D/A转换芯片(U2)、型号为74AC573B的锁存器芯片(U13)、第一运算放大器(U3)、第二运算放大器(U4)、第一光耦(U5)、第二光耦(U6)和第三光耦(U7)，其中锁存器芯片(U13)的第2～第9引脚分别与无线MCU芯片(U1)的P1_0～P1_7引脚连接，锁存器芯片(U13)的第11引脚与无线MCU芯片(U1)的P0_1引脚连接，锁存器芯片(U13)的第20引脚与D/A转换芯片(U2)的1、2、18、19、17引脚均相连，锁存器芯片(U13)的第12～第19引脚分别与D/A转换芯片(U2)的DI7～DI0引脚连接，D/A转换芯片的第11引脚与第一运算放大器(U3)的反向输入端连接，D/A转换芯片的第12引脚与第一运算放大器(U3)的同向输入端连接，第一运算放大器(U3)的输出端连接第四电阻(R4)后与第二运算放大器(U4)的反向输入端连接，第二运算放大器(U4)的同向输入端连接第六电阻(R6)后接地，第二运算放大器(U4)的输出端与无线MCU芯片(U1)的P0_0引脚连接，同时，第一运算放大器(U3)的输出端连接第七电阻(R7)后与第一光耦(U5)、第二光耦(U6)和第三光耦(U7)发射端阴极连接，第一光耦(U5)、第二光耦(U6)和第三光耦(U7)发射端的阳极分别与电机编码器的三个信号连接端连接，第一光耦(U5)、第二光耦(U6)和第三光耦(U7)接收端的第一引脚分别连接一电阻后与稳压直流电源VCC连接，第一光耦(U5)、第二光耦(U6)和第三光耦(U7)接收端的第二引脚分别与无线MCU芯片(U1)的P1_0、P1_1、P1_2连接。

3.根据权利要求2所述的可控电机驱动器，其特征在于：所述电机接口匹配单元包括第一继电器(U9)、第二继电器(U10)、第三继电器(U11),其中第一继电器(U9)的第4引脚与变频器(U8)的D1引脚连接，第二继电器(U10)的第4引脚与变频器(U8)的D2引脚连接，第三继电器(U11)的第4引脚与变频器(U8)的D3引脚连接；第一继电器(U9)的第5引脚连接第一二极管(D10)的阴极，第一二极管(D10)的阳极与第一继电器(U9)的第2引脚连接，同时第一二极管(D10)的阳极还连接第一三极管(Q4)的发射极，第一三极管(Q4)的基极接地，第一三极管(Q4)的集电极连接第三十五电阻(R35)后与无线MCU芯片(U1)的P2_0引脚连接；第二继电器(U10)的第5引脚连接第二二极管(D11)的阴极，第二二极管(D11)的阳极与第二继电器(U10)的第2引脚连接，同时第二二极管(D11)的阳极还连接第二三极管(Q5)的发射极，第二三极管(Q5)的基极接地，第二三极管(Q5)的集电极连接第三十六电阻(R36)后与无线MCU芯片(U1)的P2_1引脚连接；第三继电器(U11)的第5引脚连接第三二极管(D12)的阴极，第三二极管(D12)的阳极与第三继电器(U11)的第2引脚连接，同时第三二极管(D12)的阳极还连接第三三极管(Q6)的发射极，第三三极管(Q6)的基极接地，第三三极管(Q6)的集电极连接第三十七电阻(R37)后与无线MCU芯片(U1)的P2_2引脚连接；第一继电器(U9)、第二继电器(U10)和第三继电器(U11)的第1引脚分别连接电机的三个信号连接端。

4.根据权利要求3所述的可控电机驱动器，其特征在于：所述交直流驱动切换开关和编码器电平切换开关采用同一个具有四个拨码键的拨码开关。

5.根据权利要求4所述的可控电机驱动器，其特征在于：所述无线MCU芯片(U1)内存储有唯一的硬件物理地址。

6.一种如权利要求5所述的可控电机驱动器的使用方法，其特征在于：首先将电机的三个信号连接端分别与第一继电器(U9)、第二继电器(U10)和第三继电器(U11)的第1引脚进行连接，将电机编码器的三个信号连接端分别与第一光耦(U5)、第二光耦(U6)和第三光耦(U7)发射端的阳极连接，在上电时，根据连接的电机是直流电机是还是交流电机，通过拨码开关，将要选择直流还是交流驱动的讯号传递给无线MCU芯片，无线MCU芯片通过UART给变频器发送指令，变频器会根据指令设置好驱动方式，同时无线MCU芯片会控制电机接口匹配单元内的三个继电器，设置好电机接口连线方式，驱动方式选择好以后，再次通过拨码开关，选择编码器的供电电压以及编码器输出信号的电平，无线MCU芯片通过控制D/A转换芯片(U2)输出不同的电平，而输出电平的高低由无线MCU芯片的内置AD进行监测，若输出电压过高或过低，无线MCU芯片通过控制D/A转换芯片继续调整，直到符合为止，从而构成一个闭环调节反馈电路，待编码器输出信号的电平设置好以后，该可控电机驱动器以自身为节点，建立网络，网络建立成功以后，以该可控电机驱动器为中心，向外部发送无线信号寻求相关节点，若外部没有相关节点，则该可控电机驱动器按照预设的程序执行，并驱动电机完成相关动作，若有搜索到其他节点，则向其发送请求，若该节点应答，并发出加入请求，则该可控电机驱动器将加入该网络，若有其他节点，依次按照上述流程执行，直至所有的可控电机驱动器加入网络，加入网络后，各个可控电机驱动器相互协调工作，控制电机完成各种动作。