CN202798578U - 多功能电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多功能电机驱动器，控制模块发送控制信号至一控制芯片MCU，MCU同时接收来自各传感器模块的反馈信号，对信号进行综合处理后将控制信号传送到驱动模块，控制驱动桥臂的开断来驱动对应的目标电机。本实用新型的优点是体积小，可靠性高，适用范围广，操作方便，成本低廉。

Description

多功能电机驱动器

技术领域

本实用新型涉及一种电机驱动装置，特别涉及一种具有多种控制信号输入方式的，并支持多种电机驱动的多功能电机驱动器。

背景技术

电机在日常的生产技术中应用广泛，相应的电机驱动器的种类也非常繁多，但是现有的电机驱动器基本都是针对一种的电机的驱动。针对不同的电机，必须准备多个对应的电机驱动器，使用不便而且成本大幅上升。一般电机驱动器的指令输入方式比较单一，而且基本都是须要在控制器面板上进行操作，指令内容也比较单一，不能充分满足不同使用者、使用工况的要求。此外，许多电机驱动器的保护电路的设置和软件上故障的处理方式不够完善，而且没有良好的人机交互界面。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是要提供一种集成有刷直流电机，无刷直流电机和三相交流异步电机驱动方式的多功能电机驱动器。

为了解决以上的技术问题，本实用新型提供了一种多功能电机驱动器，控制模块发送控制信号至一控制芯片MCU，MCU同时接收来自各传感器模块的反馈信号，对信号进行综合处理后将控制信号传送到驱动模块，控制驱动桥臂的开断来驱动对应的目标电机。

所述的驱动模块是指有刷直流电机、无刷直流电机和三相交流异步电机三种常用的电机驱动模块。

所述的控制模块通过有线控制键盘、无线控制键盘和驱动器面板按钮三种方式传送信号至控制芯片。

所述MCU设有保护电路，通过光耦进行隔离，防止高电压大电流进入主控电路；设置或非门逻辑保护电路防止共态导通，并使用了驱动芯片的监控功能对过流和欠压状况进行实时监控，MCU实时检测各个故障信号，发现故障关闭所有桥臂，对于不同的故障设置对应的故障代码，并设置故障代码的安全阈值，监测是否超过安全阈值，通过LED灯进行对应的故障显示。

所述MCU还与显示模块连接，对电源状态、欠压过流和逻辑保护信号以及无线收发状况通过LED灯进行显示，还支持LCD显示。

本实用新型对于不同的使用场合可在三种模式之间方便地切换。三个驱动模块共用一个三相逆变电路，根据不同模式的选择，以不同的方式控制相应驱动桥臂的开断来驱动目标电机。

本实用新型支持多种控制信号的输入方式，分别为通过电机驱动器面板按钮直接完成相关操作，或者将控制键盘连接到电机驱动器的***的接口上通过有线控制键盘进行相关操作。为进行远程无线操作，本实用新型设置了2.4GHz无线通信模块，无线通信模块通过SPI由8位控制芯片进行控制，完成电机驱动器和控制键盘之间的信息交互。

本实用新型支持的控制指令有启动关闭、驱动模式选择、换向、加速和减速。其中，启动关闭、驱动模式选择、换向信号可由两种信号类型来实现，分别为由对应的***电路输入0V或+5V的电压，或者通过无线模块的SPI方式向微控制器输入0或1的数字信号进行控制。对于加速和减速的控制可由三种信号类型来实现，分别为从***电路输入0～+5V的电压，或者0～100%占空比的PWM，第三种方式是通过SPI方式向MCU发送0～255的信号进行调速。

本实用新型为保证电机驱动器运转安全稳定设置了较为完善的电路保护机制。驱动器的在MCU和驱动电路之间使用了两种保护方式，通过光耦进行隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，设置了或非门逻辑保护电路防止共态导通。使用驱动芯片的监控功能对过流和欠压状况进行实时监控。此外，MCU实时检测各个故障信号，发现故障能及时关闭所有桥臂。对于不同的故障设置了对应的代码，并设置了故障代码的安全阈值，监测是否超过安全阈值。外部则通过对应的LED灯进行对应的故障显示。

本实用新型设有完善的显示措施，驱动器面板上支持电源状态、欠压过流信号以及无线收发状况通过LED灯进行显示。此外，还支持LCD显示，驱动器表面和远程控制键盘都留有LCD接口，通过SPI与控制芯片进行通讯，LCD模块能实时显示电源状态、模式选择、转向、速度条、欠压过流和逻辑保护信号以及无线收发状态信号，进一步提升人机交互性。

本实用新型的优越功效在于：体积小，可靠性高，适用范围广，操作方便，成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型的主控芯片电路原理图；

图3为本实用新型在非无线控制时速度信号的输入方式电路原理图；

图4为本实用新型无线键盘发送端控制芯片电路原理图；

图5为本实用新型的驱动芯片原理图；

图6为本实用新型驱动桥臂原理图；

图7为本实用新型电流反馈信号放大电路原理图；

图8为本实用新型的光耦保护电路原理图；

图9为本实用新型的逻辑门共态导通保护电路原理图；

图10为本实用新型的主要程序流程图。

具体实施方式

请参阅附图所示，对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型提供了一种多功能电机驱动器，控制模块发送控制信号至一控制芯片MCU，MCU同时接收来自各传感器模块的反馈信号，对信号进行综合处理后将控制信号传送到驱动模块，控制驱动桥臂的开断来驱动对应的目标电机。如图2所——控制芯片选用MC9S08AC16。同时MCU接受来自各传感器模块的反馈信号，对信号进行综合处理后将控制信号输送到驱动模块，驱动芯片选用IR2130（如图5所示），由驱动芯片控制驱动桥臂的通断，进而控制对应电机的作动。此外，为确保驱动器的工作安全性，并提升人机交互性，分别设置了保护电路模块和显示模块。

图2是本实用新型的主控芯片电路原理图。当驱动器接通电源+12V电压后，MCU的VDD为+5V，MCU会实时扫描使能开关监控引脚KBI3的输入电压，0V表关闭，+5V表示开启，当检测到开启信号后，接着检测KBI0、KBI1和KBI2三个模式选择引脚，分别对应有刷直流、无刷直流和三相交流模块，当某个引脚的电压为+5V时，就能激活对应模块。当进入对应的驱动模块后，须要检测DIR口和AD0口，分别表示旋转方向和速度信号。MCU根据0V还是+5V将程序中的DIR值置0或者置1，AD0口将0～+5V之间的输入电压值转换成驱动程序内的0～255的信号。在直流有刷电机模块中，对应的桥臂开启，DIR口提供0或1表示旋转方向，由AD0口提供的0～255的不同数据计算出相应的占空比信号用于调速。在直流无刷电机模块中，DIR口提供0或1表示旋转方向，由AD0口提供的0～255的不同数据计算出相应的占空比信号用于调速，并根据霍尔传感器的信号口HALL1、HALL2和HALL3获取桥臂导通顺序。在三相交流异步电机的驱动模块中，DIR口提供0或1表示旋转方向，由AD0口提供的0～255的不同数据计算出SPWM波的载波频率，并驱动相应桥臂。

所述的驱动模块是指有刷直流电机、无刷直流电机和三相交流异步电机三种常用的电机驱动模块。本实用新型对于不同的使用场合可在三种模式之间方便地切换。三个驱动模块共用一个三相逆变电路，根据不同模式的选择，以不同的方式控制相应驱动桥臂的开断来驱动目标电机。

所述的控制模块通过有线控制键盘、无线控制键盘和驱动器面板按钮三种方式传送信号至控制芯片。提供启动关闭、驱动模式选择、换向、加速和减速，共5种控制信号。

在驱动器面板输入方式中，当按下启动开关将会使图2中MCU的KBI3口检测到一个+5V的信号，模式选择程序激活，再旋转模式选择旋钮开关就会使图2中的3个模式选择引脚KBI0、KBI1和KBI2中的其中一个输入电压为+5V的信号，MCU检测到相应的信号后就能激活对应的驱动模式模块。然后是换向方式的选择，换向接口默认的输出电压为0V，当按下换向按钮后，换向口会输出一个+5V的电压到MCU的DIR口，进而执行相应的驱动程序。

图3是本实用新型在非无线控制时速度信号的输入方式电路原理图。MCU对加减速的控制通过A/D口完成，即图2中的AD0口，AD0口的输入有两种方式，第一种是直接从驱动器的外部接口输入0～100%占空比的PWM，如图3中的PWM端，另一种是直接输入一个稳定的0～+5V的电压，如图3中的AD1端，面板操作采用后一种方式，具体的输入方法是通过一个旋转式电位器完成，最终将转换成驱动程序内的0～255的数字信号进行加减速控制。有线键盘的输入方式和驱动面板输入方式类似，将对应的信号接口连接到键盘控制端即可，对于调速这种方式还支持PWM方式的输入，驱动器设有专门的PWM接线口来接受外部PWM信号。

无线控制键盘的输入方式通过一对2.4GHz无线发射器完成，所采用的收发芯片为nRF24L01，驱动器端的无线模块由图2中的SPI控制，即PTE4、PTE5、PTE6和PTE7四个引脚。

图4是本实用新型无线键盘发送端控制芯片电路原理图。为降低成本，减少体积，键盘发送端的无线模块由MC9S08QG8的SPI控制，即图4中的PTB2、PTB3、PTB4和PTB5四个引脚。键盘上的控制按钮和驱动器面板上的类似，使用启动开关发送启动信号对应引脚PTA0，使用选择旋钮选择3个模式对应引脚PTA1、PTA2和PTB0，另有一个默认输出为0V的换向开关对应引脚PTB1，调速信号使用一个电位器输入0～5V的信号到A/D口，对应引脚为AD3，将电压转换为0～255的数字量。将这些信号存入对应的数组通过SPI连接到无线模块发送到电机驱动器的接收端，接收端接收到信号后通过SPI传输到驱动器的控制核心MC9S08AC16，将对应的数据写入程序，进行相应的控制。由于无线发送有一个校验机制，数据接受成功后会有一个校验信号，一旦发送失败，发送端会尝试继续发送，但是超过发送的次数后就会产生一个中断。只有收到校验数据无线模块的IRQ引脚会被置高，所以设置了一个指示灯，来检测信号发送成功与否，提升操作的可靠性。

图5是本实用新型的驱动芯片的电路原理图。驱动芯片的型号为IR2130，能将来自MCU的信号输入HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2和LIN3，并根据过流关闭信号接收端INTRIP和欠压过流指示信号端FAULT的信号，输出对应的信号HO1、HO2、HO3、LO1、LO2和LO3到驱动桥臂，控制桥臂MOS管的开闭，完成对应的电机控制动作。

图6是本实用新型驱动桥臂原理图。所用的MOS管为NTD40N03R。其中P1、P2和P3用来采集桥臂上通过的电流，INTRIP采集过流关闭信号和VSO采集低端反馈电压信号。

图7是电流反馈信号放大电路原理图，这样的电路共有3个，电路采用的芯片是AD8200，能将图6中的P1、P2和P3电流进行放大后输入到图1中的CURRENT1 、CURRENT2和 CURRENT3口实时监控驱动桥臂的实际工作状态，实现电流的反馈调节，提升控制效果。

本实用新型输出的最大电流为约30A，最大电压为约24V，功率约720W。本电机驱动器在MCU和驱动电路之间使用了两种保护方式。第一种为光耦保护，第二种为逻辑门保护。

图8是本实用新型的光耦保护电路原理图。使用了两个TLP281-4光耦，由于光耦输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，从而使功率电路对其输入端有良好的信号隔离，防止高电压大电流进入主控电路，提升电绝缘能力和抗干扰能力。例如，当PTE5口的电压为高时，输出端导通，HIN1被置低，进而可将低电压信号输入驱动芯片。

图9是本实用新型的逻辑门共态导通保护电路原理图。使用了或非门逻辑门芯片7402，当主控电路输出错误的使一个桥臂上下端同时导通的信号时，信号经过光耦会输出两个低电平，这两个低电平输入逻辑门芯片就会输出一个高电平，主控芯片实时监测这个信号，若为高电平会立即执行桥臂关闭程序，从而保证功率器件的正常的开关工作状态，防止共态导通，避免致使电源短路的危险情况。

图10是本实用新型的主要程序流程图。如前面所述，驱动电路使用IR2130驱动芯片，该芯片能实时监测驱动桥臂的欠压和过流信号，一旦发生欠压和过流状况，如图5所示，芯片的FAULT引脚会被置低，此时指示欠压过流的LED灯亮起，同时实时检测FAULT信号的MCU检测到这个信号后，会使欠压过流的故障标志位置1，同时故障码加1，关闭驱动桥臂。当检测到上述逻辑门电路的错误信号后，会使逻辑错误故障标志位置1，同时故障码加1，同样会使工作状态指示灯显示红色并关闭驱动桥臂。当故障码的值超过一定的阈值后会使工作状态指示灯显示红色并闪烁。只有当驱动器的使能开关开启，未检测到欠压过流信号和逻辑错误后，才能清除故障码，并使工作状态指示灯显示绿色。

本实用新型拥有良好的人机信息交互方式，首先是各种指示灯能实时准确地显示当前的工作状态，并能让使用者清楚地辨别是欠压过流问题，还是逻辑错误问题，错误是否超过阈值。此外，还设有LCD设备接口，使用的是S6B0741型128X128液晶控制芯片，通过SPI进行控制通讯，能更加形象地显示当前的总开关、模式选择、转向、速度条和各种工作时的欠压、过流、逻辑错误以及无线发送状态信号。

Claims (5)

1.一种多功能电机驱动器，其特征在于：控制模块发送控制信号至一控制芯片MCU，MCU同时接收来自各传感器模块的反馈信号，对信号进行综合处理后将控制信号传送到驱动模块，控制驱动桥臂的开断来驱动对应的目标电机。

2.根据权利要求1所述的多功能电机驱动器，其特征在于：所述的驱动模块是指有刷直流电机、无刷直流电机和三相交流异步电机三种常用的电机驱动模块。

3.根据权利要求1所述的多功能电机驱动器，其特征在于：所述的控制模块通过有线控制键盘、无线控制键盘和驱动器面板按钮三种方式传送信号至控制芯片。

4.根据权利要求1所述的多功能电机驱动器，其特征在于：所述MCU设有保护电路，通过光耦进行隔离，防止高电压大电流进入主控电路；设置或非门逻辑保护电路防止共态导通，并使用了驱动芯片的监控功能对过流和欠压状况进行实时监控，MCU实时检测各个故障信号，发现故障关闭所有桥臂，对于不同的故障设置对应的故障代码，并设置故障代码的安全阈值，监测是否超过安全阈值，通过LED灯进行对应的故障显示。

5.根据权利要求1所述的多功能电机驱动器，其特征在于：所述MCU还与显示模块连接，对电源状态、欠压过流和逻辑保护信号以及无线收发状况通过LED灯进行显示，还支持LCD显示。

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