一種電動舵機驅動裝置的製作方法

2023-12-04 15:22:11 2

本實用新型涉及一種電動舵機驅動裝置。

背景技術：

無刷直流電動舵機是一種位置伺服系統，它具有體積小、控制精度高、可靠性高、抗幹擾能力強等優點，這些優點使其成為舵機發展的新方向。目前，高精度的電動舵機在航天飛行器等領域得到廣泛的運用，其中很大部分電動舵機都是採用STM32和CPLD組合的控制系統，其價格也比較貴，這使其在一般航天飛行器中應用受到限制。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種結構簡單、成本低、應用範圍廣的電動舵機驅動裝置。

本實用新型解決上述問題的技術方案是：一種電動舵機驅動裝置，包括控制器、隔離電路、無刷電機換向模塊、功率驅動模塊、三相逆變電路、無刷直流電機、電流採樣電路、齒輪減速機構、舵面，所述控制器、隔離電路、無刷電機換向模塊、功率驅動模塊、三相逆變電路、無刷直流電機依次串接，無刷直流電機上設有霍爾速度傳感器，霍爾速度傳感器的信號輸出端與無刷電機換向模塊、控制器相連，無刷直流電機與齒輪減速機構相連，所述齒輪減速機構安裝在舵面上帶動舵面轉動，電流採樣電路的輸入端與無刷直流電機相連，電流採樣電路的輸出端與控制器相連。

上述電動舵機驅動裝置還包括位置傳感器，位置傳感器安裝在舵面上，位置傳感器的信號輸出端與控制器相連。

上述電動舵機驅動裝置還包括過流保護單元，過流保護單元的輸入端與三相逆變電路的輸出端相連，過流保護單元的輸出端與控制器相連。

上述電動舵機驅動裝置還包括通信電路，通信電路與控制器相連，控制器通過通信電路與上位機進行數據傳輸。

上述電動舵機驅動裝置所述電流採樣電路為電流傳感器。

本實用新型的有益效果在於：

1、本實用新型通過霍爾速度傳感器、電流傳感器、位置傳感器分別獲得無刷直流電機的速度信號、無刷直流電機的電流信號、舵面位置信號，控制器根據接收到的速度、電流、位置信號得到無刷直流電機的PWM控制信號的佔空比及電機正反轉信號，並將控制信號發給無刷電機換向模塊，無刷電機換向模塊根據接收到的佔空比信號、電機正反轉信號以及無刷直流電機的速度信號產生6路PWM控制信號，PWM控制信號送給功率驅動模塊轉換成功率驅動信號，功率驅動信號通過三相逆變電路控制無刷直流電機工作，無刷直流電機通過齒輪減速機構帶動舵面轉動，使其跟隨舵面給定信號，整個驅動裝置具有結構簡單、成本低、應用範圍廣的優點。

2、本實用新型設有過流保護單元，過流保護單元將採集到的母線電流進行處理，並不斷地與設定的過流閾值進行比較，一旦母線電流超過設定閾值，則立即發出一個過流信號給控制器，控制器接收到過流信號後立即進入中斷處理，關閉佔空比信號，排除故障，安全性能更好。

3、本實用新型設有通信電路，控制器通過通信電路與上位機進行數據傳輸，控制器能夠接收上位機發出的舵面偏角信號，從而驅動無刷直流電機工作並通過齒輪減速機構作用於舵面，使舵面跟蹤給定的位置信號。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構框圖。

圖2為轉子位置傳感器信號獲取電路原理圖。

圖3為電流檢測電路原理圖。

圖4為A相隔離與驅動電路原理圖。

圖5為B相隔離與驅動電路原理圖。

圖6為C相隔離與驅動電路原理圖。

圖7為過流保護單元原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明。

如圖1所示，本實用新型包括一種電動舵機驅動裝置，包括控制器2、隔離電路3、無刷電機換向模塊4、功率驅動模塊5、三相逆變電路6、無刷直流電機7、電流採樣電路、齒輪減速機構8、舵面9、位置傳感器11、過流保護單元12和通信電路，通信電路與控制器2相連，所述通信電路為CAN總線模塊1，控制器2通過通信電路與上位機進行數據傳輸，所述控制器2、隔離電路3、無刷電機換向模塊4、功率驅動模塊5、三相逆變電路6、無刷直流電機7依次串接，無刷直流電機7上設有霍爾速度傳感器13，霍爾速度傳感器13的信號輸出端與無刷電機換向模塊4、控制器2相連，無刷電機換向模塊4主晶片為FCM8201，無刷直流電機7與齒輪減速機構8相連，所述齒輪減速機構8安裝在舵面9上帶動舵面9轉動，電流採樣電路為電流傳感器10，電流傳感器10的輸入端與無刷直流電機7相連，電流傳感器10的輸出端與控制器2相連，位置傳感器11安裝在舵面9上，位置傳感器11的信號輸出端與控制器2相連，過流保護單元12的輸入端與三相逆變電路6的輸出端相連，過流保護單元12的輸出端與控制器2相連。

控制器2的CAN接口接收上位機通過CAN總線模塊1發送的給定舵面9位置信號；控制器2的ADC埠接收位置傳感器11測得的舵面9位置信號與電流傳感器10測得的電流信號，並構成位置閉環和電流閉環；無刷直流電機7的霍爾信號（HallA、HallB、HallC）經過調理電路處理後分別接入到控制器2的定時器TIM的捕獲埠，根據捕獲的霍爾信號得到無刷電機速度反饋，形成速度閉環；無刷電機換向模塊4通過SPI接口與控制器2相連接，接收控制器2發出的佔空比控制信號與故障處理信號，並接收無刷直流電機7的霍爾信號，自主完成換向功能，輸出6路PWM控制信號。

如圖2所示，無刷直流電機7採用三組霍爾傳感器13嵌入到電機本體，作為轉子位置檢測裝置，該裝置均勻分布，每組相差120°，霍爾傳感器信號（HallA、HallB、HallC）先經過RC濾波電路，然後輸入到74LS14反相器，經過兩次反向後並通過電阻分壓，將霍爾信號直接接到控制器STM32的捕獲口以及通用GPIO口。捕獲口用於捕獲邊沿信號，獲取換相時刻，GPIO口讀取當前的3個霍爾電平信號，判斷電機轉子所處位置，從而發出對應的控制信號，並控制相應功率開關管的通斷。同時通過檢測和處理三組霍爾傳感器13的信號可以獲得無刷直流電機7的速度信號。

如圖3所示，電流傳感器10採用採樣電阻R5直接串聯在逆變橋的直流母線上，採樣電阻R5上的採樣信號先通過發大器U32進行放大後，再通過隔離電路U34隔離，然後經過濾波濾波後最後送到STM32的AD接口，可以獲得無刷直流電機7的電流信號。

位置傳感器11採用電位器將舵面的角度位置信息轉變成相應的電壓值，通過電動舵機驅動裝置通過控制器2的AD口採樣該電壓值，然後根據轉換計算來實現舵面9位置信號反饋。

減速齒輪機構8是舵機執行機構，其減速比為1：180，通過減速傳動機構8可以使無刷直流電機輸出達到舵機要求的角速度和輸出力矩。

如圖4所示，圖中包括隔離模塊3和功率驅動模塊5，其由隔離高速光耦U6、U9，三極體Q2、Q8，MOS型功率驅動管Q5、Q11組成，上橋臂光耦U6和三極體Q2、Q8一起組成隔離驅動電路。當控制信號為高電平時，驅動三極體Q2截止，Q8導通，從而使PMOS型功率驅動管Q5導通，反之，控制信號為低電平時，Q5截止；下橋臂隔離光耦U9內部自帶驅動電路，當輸入控制信號為高電平時，U9的6、7腳輸出為高電平，使NMOS型功率管Q11導通，反之輸入控制信號為低時Q11截止。

控制器2根據接收到的速度、電流、位置信號得到無刷直流電機7的PWM控制信號的佔空比及電機正反轉信號，並將控制信號發給無刷電機換向模塊4，無刷電機換向模塊4根據接收到的佔空比信號、電機正反轉信號以及無刷直流電機7的速度信號產生6路PWM控制信號，PWM控制信號通過隔離模塊3送給功率驅動模塊5轉換成功率驅動信號。

如圖4、5、6所示，功率驅動信號通過三相逆變電路6控制無刷直流電機7工作，該三相逆變電路由圖4、5、6三個電路級聯組成三相全橋逆變電路，逆變電路的6個橋臂由6個大功率的MOS開關管構成，換向模塊4給出的6路PWM控制信號控制6個相對應的MOS開關管開關狀態，PWM信號調製方式採用PWM-ON。在對STM32的PWM模塊進行配置時，通過給同組PWM設置一定的死區時間來避免三相逆變橋在換相時出現同相橋臂直通，以確保系統安全。

無刷直流電機7通過齒輪減速機構8帶動舵面9轉動，使其跟隨舵面9給定信號；控制器2也能通過CAN總線模塊1接收上位機發出的舵面9偏角信號，從而驅動無刷直流電機7工作並通過齒輪減速機構8作用於舵面9，使舵面9跟蹤給定的位置信號。

如圖7所示，過流保護單元12，將調理後的電流採樣信號輸入到高速比較器U2正向端，反向端接入由固定電阻R1和可調電阻V1組成分壓電路，通過調節可調電阻V1阻值，設置比較器的門限電壓值，高速比較器U2的輸出端接到STM32的外設中斷口XINT1。當電流採樣轉換的電壓值高於設定的門限電壓時，比較器輸出高電平，STM32外設中斷檢測到上升沿信號時，觸發外設中斷，STM32 立即關閉PWM輸出，使無刷直流電機停止工作。