[發明專利]上肢康復機器人用無刷直流電機控制器

在審

• 申請號: 201710119294.3
• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106602940A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 張修太;翟亞芳;姚璉;李靜;李立;晁軍峰
• 申請（專利權）人: 安陽工學院
• 主分類號: H02P6/08
• 分類號: H02P6/08;H02P6/17;H02P27/06;H02H7/085
• 代理公司: 鄭州立格知識產權代理有限公司41126
• 代理人: 王暉

1.上肢康復機器人用無刷直流電機控制器，包括微控制器、PWM驅動電路、全橋逆變電路、通信接口電路和系統電源電路，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信號的產生、轉子位置檢測、過流檢測與保護、速度測量和控制器工作狀態指示，PWM信號由STM32中的高級定時器TIM1產生，由TIM1的三個輸出通道TIM1_CH1、TIM1_CH2、TIM1_CH3輸出上橋臂的控制信號，分別由微控制器的PA8、PA9和PA10引腳輸出，TIM1的三個輸出通道TIM1_CH1N、TIM1_CH2N、TIM1_CH3N輸出下橋臂的控制信號，分別由由微控制器的PB13、PB14和PB15引腳輸出；無刷直流電機轉子位置信號由霍爾傳感器產生，由STM32的定時器TIM2進行檢測，信號由PA0、PA1和PA2引腳輸入到定時器的TIM2_CH1、TIM2_CH2、TIM2_CH3三個輸入通道；速度檢測電路的輸入信號由PA6、PA7引腳接入到定時器TIM3的TIM3_CH1、TIM3_CH2，由定時器TIM3完成速度測量；電流檢測由PB0引腳輸入到A/D轉換器ADC12_IN8通道，進行電流檢測，完成過流檢測和保護；引腳OSC_IN、TDI、RESET、TCK/SWCLK、TMS/SWDIO、TMO/SWO構成了JTAG接口電路；STM32微控制器的PWM1+、PWM2+、PWM3+、PWM1-、PWM2-、PWM3-接PWM驅動電路；HALL1、HALL2、HALL3接霍爾轉子位置信號；QEPIN1、QEPIN2接速度檢測電路；XINTIN1、XINTIN2接限位信號；LED1、LED2、LED3接控制器狀態指示電路；SCIRX、SCITX接RS232通信接口電路；CanTx、CanRx接CAN通信接口電路；fault接PWM驅動電路，i_sense接電流檢測電路；U1的8端口接模擬地，U1的23、35、47端口接數字地，U1的24、36、48端口接3.3V電源正極；二極管D1的正極接3.3V電源正極，二極管D1的負極接U1的1端口；電阻R1的一端接U1的44端口，一端接數字地；

所述的PWM驅動電路采用IR2130S芯片作為驅動電路，該驅動電路由U8、電阻R31、電阻R41、電阻R28、電阻R46、電阻R54、電阻R59、電阻R60、LD3、D2、D3、D4構成；HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3通過高速光耦分別連接到STM32的PA8、PA9、PA10、PB13、PB14、PB15引腳；Protect連接過流保護電路，Sample和fault接電流采樣電路；D2、D3、D4正極性端接12V電源的正極，負極性端分別接U8的20、24和28端口；U8的10、11、12、17、21和25端口接12V電源負極性端；LD3的負極性端接U8的8端口，正極性端接電阻R59，電阻R59的另一端接5V電源的正極性端；U8的2、3、4、5、6、7端口分別通過電阻R31、電阻R41、電阻R28、電阻R46、電阻R54、電阻R59、電阻R60后連接到5V電源的正極；U8的1端口接12V電源正極；

所述的全橋逆變電路采用功率MOSFET 芯片I RF3808構成的全橋逆變電路，實現電機的換向驅動控制；所述全橋逆變電路中MOST1、MOST2、 MOST3為上橋臂，MOST4、MOST5、MOST6為下橋臂， PVCC24接24V直流電源，Sample接電流采樣電路，用于實現電流檢測和過流保護；全橋逆變電路由MOST1、MOST2、MOST3、MOST4、MOST5、MOST6、電阻R38、電阻R39、電阻R40、電阻R51、電阻R52、電阻R53器件構成；MHO1、MHO2、MHO3分別通過一個電阻再分別連接到MOSFET驅動電路的HO1、HO2、HO3引腳，MLO1、MLO2、MLO3分別通過一個15Ω電阻再分別連接到MOSFET驅動電路的LO1、LO2、LO3引腳，U、V、W分別接MOSFET驅動電路的VS1、VS2、VS3引腳；MOST1、MOST2、MOST3的漏極接24V電源的正極；MOST4、MOST5、MOST6的源極接電流檢測電路Sample端；電阻R38、電阻R39、電阻R40一端分別接MOST1、MOST2、MOST3的柵極，另一端分別接MOST1、MOST2、MOST3的源極；電阻R51、電阻R52、電阻R53一端分別接MOST4、MOST5、MOST6的柵極，另一端分別接MOST4、MOST5、MOST6的源極；

所述的通信接口電路CAN通信和RS232串行通信兩種接口，便于控制器與不同通信接口的上位機進行連接應用； CAN通信接口電路由C40、電阻R65、電阻R66、J1和U3構成，其中電阻R65電阻為120Ω的阻抗匹配電阻，CanRx、CanTx分別接STM32的PB8和PB9引腳，CAN通信接口電路通過J1接口與PLC或計算機連接；RS232接口電路由C21、C25、C26、C27、C28、J2和U2構成，SCITX、SCIRX分別與STM32的PB10和PB11引腳連接，RS232通信接口電路通過J2與PLC或計算機連接；U3的3端口接3.3V電源的正極；U3的8端口通過電阻R66接3.3V電源的負極，U2的1和3端口接電容C25，U2的4和5端口接電容C27，U2的2、6和16端口分別通過電容C26、C28和C21接電源地，U2的16端口接3.3V電源正極；

所述的系統電源電路包括24V直流電源接口JP24，與JP2連接有電容C2、電容C3、電容C4、電容C5連接，電容C2、電容C3、電容C4、電容C5作為24V電源的濾波電容；電容C6、電容C16作為12V電源的濾波電容，與V2的引腳3和引腳5相連；電容C14、電容C15作為5V電源的濾波電容，與V4的引腳2和引腳3相連；電容C7、電容C8作為5V數字電路電源的濾波電容，與V1的引腳3和引腳5相連；電容C9、電容C10、電容C11、電容C12、電容C13作為3.3V數字電路電源的濾波電容，與V3的引腳2和引腳4相連；V1和V2為DC-DC電源模塊，分別實現24V轉5V和24V轉12V電壓變換；V1和V2為三端穩壓器，分別實現5V轉3V和12V轉5V電壓變換；

所述的控制器中還包含電平轉換與驅動電路，電平轉換與驅動電路實現PWM信號的電平轉換和光電耦合器的驅動，由U4構成， U4的引腳1接DVCC5，U4的引腳23、引腳24接DVCC33，U4的引腳2、引腳22、引腳11、引腳12、引腳13接DGND，U4的引腳16、引腳17、引腳18、引腳19、引腳20、腳21接STM32微控制器的PA10、PA9、PA8、PB15、PB14、PB13，U4的引腳3、引腳4、引腳5、引腳6、引腳7、引腳8分別接U5、U6、U7的引腳2和引腳3。

2.根據權利要求1所述的上肢康復機器人用無刷直流電機控制器，其特征在于：所述的控制器中還有光電隔離電路，光電隔離電路由電阻R29、電阻R36、電阻R42、電阻R50、電阻R55、電阻R62、U5、U6、U7構成，實現電信號的隔離，減小電路間的干擾，提高電路的可靠性，電阻R29與DVCC5和U5的引腳1相連，電阻R36與DVCC5和U5的引腳4相連，電阻R42與DVCC5和U5的引腳1相連，電阻R50與DVCC5和U5的引腳4相連，電阻R55與DVCC5和U5的引腳1相連，電阻R62與DVCC5和U5的引腳4相連，U5、U6、U7的引腳8與PCVV5相連，U5、U6、U7的引腳5與PGND相連，U5的引腳2與U4的引腳6相連，U5的引腳3與U4的引腳7相連，U6的引腳2與U4的引腳8相連，U6的引腳3與U4的引腳3相連，U7的引腳2與U4的引腳4相連，U7的引腳3與U4的引腳6相連；U5的引腳7與U8的引腳2相連，U5的引腳6與U8的引腳3相連，U6的引腳7與U8的引腳4相連，U6的引腳6與U8的引腳5相連，U7的引腳7與U8的引腳6相連，U7的引腳6與U8的引腳7相連。