本實(shí)用新型涉及一種電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。

背景技術(shù)：

無(wú)刷直流電動(dòng)舵機(jī)是一種位置伺服系統(tǒng)，它具有體積小、控制精度高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為舵機(jī)發(fā)展的新方向。目前，高精度的電動(dòng)舵機(jī)在航天飛行器等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用，其中很大部分電動(dòng)舵機(jī)都是采用STM32和CPLD組合的控制系統(tǒng)，其價(jià)格也比較貴，這使其在一般航天飛行器中應(yīng)用受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用范圍廣的電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。

本實(shí)用新型解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括控制器、隔離電路、無(wú)刷電機(jī)換向模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、三相逆變電路、無(wú)刷直流電機(jī)、電流采樣電路、齒輪減速機(jī)構(gòu)、舵面，所述控制器、隔離電路、無(wú)刷電機(jī)換向模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、三相逆變電路、無(wú)刷直流電機(jī)依次串接，無(wú)刷直流電機(jī)上設(shè)有霍爾速度傳感器，霍爾速度傳感器的信號(hào)輸出端與無(wú)刷電機(jī)換向模塊、控制器相連，無(wú)刷直流電機(jī)與齒輪減速機(jī)構(gòu)相連，所述齒輪減速機(jī)構(gòu)安裝在舵面上帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，電流采樣電路的輸入端與無(wú)刷直流電機(jī)相連，電流采樣電路的輸出端與控制器相連。

上述電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)輸出端與控制器相連。

上述電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置還包括過(guò)流保護(hù)單元，過(guò)流保護(hù)單元的輸入端與三相逆變電路的輸出端相連，過(guò)流保護(hù)單元的輸出端與控制器相連。

上述電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置還包括通信電路，通信電路與控制器相連，控制器通過(guò)通信電路與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

上述電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置所述電流采樣電路為電流傳感器。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

1、本實(shí)用新型通過(guò)霍爾速度傳感器、電流傳感器、位置傳感器分別獲得無(wú)刷直流電機(jī)的速度信號(hào)、無(wú)刷直流電機(jī)的電流信號(hào)、舵面位置信號(hào)，控制器根據(jù)接收到的速度、電流、位置信號(hào)得到無(wú)刷直流電機(jī)的PWM控制信號(hào)的占空比及電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)給無(wú)刷電機(jī)換向模塊，無(wú)刷電機(jī)換向模塊根據(jù)接收到的占空比信號(hào)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)以及無(wú)刷直流電機(jī)的速度信號(hào)產(chǎn)生6路PWM控制信號(hào)，PWM控制信號(hào)送給功率驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換成功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)三相逆變電路控制無(wú)刷直流電機(jī)工作，無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，使其跟隨舵面給定信號(hào)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

2、本實(shí)用新型設(shè)有過(guò)流保護(hù)單元，過(guò)流保護(hù)單元將采集到的母線電流進(jìn)行處理，并不斷地與設(shè)定的過(guò)流閾值進(jìn)行比較，一旦母線電流超過(guò)設(shè)定閾值，則立即發(fā)出一個(gè)過(guò)流信號(hào)給控制器，控制器接收到過(guò)流信號(hào)后立即進(jìn)入中斷處理，關(guān)閉占空比信號(hào)，排除故障，安全性能更好。

3、本實(shí)用新型設(shè)有通信電路，控制器通過(guò)通信電路與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制器能夠接收上位機(jī)發(fā)出的舵面偏角信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)工作并通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)作用于舵面，使舵面跟蹤給定的位置信號(hào)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)獲取電路原理圖。

圖3為電流檢測(cè)電路原理圖。

圖4為A相隔離與驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖5為B相隔離與驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖6為C相隔離與驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖7為過(guò)流保護(hù)單元原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)用新型包括一種電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包括控制器2、隔離電路3、無(wú)刷電機(jī)換向模塊4、功率驅(qū)動(dòng)模塊5、三相逆變電路6、無(wú)刷直流電機(jī)7、電流采樣電路、齒輪減速機(jī)構(gòu)8、舵面9、位置傳感器11、過(guò)流保護(hù)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(guò)通信電路與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所述控制器2、隔離電路3、無(wú)刷電機(jī)換向模塊4、功率驅(qū)動(dòng)模塊5、三相逆變電路6、無(wú)刷直流電機(jī)7依次串接，無(wú)刷直流電機(jī)7上設(shè)有霍爾速度傳感器13，霍爾速度傳感器13的信號(hào)輸出端與無(wú)刷電機(jī)換向模塊4、控制器2相連，無(wú)刷電機(jī)換向模塊4主芯片為FCM8201，無(wú)刷直流電機(jī)7與齒輪減速機(jī)構(gòu)8相連，所述齒輪減速機(jī)構(gòu)8安裝在舵面9上帶動(dòng)舵面9轉(zhuǎn)動(dòng)，電流采樣電路為電流傳感器10，電流傳感器10的輸入端與無(wú)刷直流電機(jī)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(hào)輸出端與控制器2相連，過(guò)流保護(hù)單元12的輸入端與三相逆變電路6的輸出端相連，過(guò)流保護(hù)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(jī)通過(guò)CAN總線模塊1發(fā)送的給定舵面9位置信號(hào)；控制器2的ADC端口接收位置傳感器11測(cè)得的舵面9位置信號(hào)與電流傳感器10測(cè)得的電流信號(hào)，并構(gòu)成位置閉環(huán)和電流閉環(huán)；無(wú)刷直流電機(jī)7的霍爾信號(hào)（HallA、HallB、HallC）經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理后分別接入到控制器2的定時(shí)器TIM的捕獲端口，根據(jù)捕獲的霍爾信號(hào)得到無(wú)刷電機(jī)速度反饋，形成速度閉環(huán)；無(wú)刷電機(jī)換向模塊4通過(guò)SPI接口與控制器2相連接，接收控制器2發(fā)出的占空比控制信號(hào)與故障處理信號(hào)，并接收無(wú)刷直流電機(jī)7的霍爾信號(hào)，自主完成換向功能，輸出6路PWM控制信號(hào)。

如圖2所示，無(wú)刷直流電機(jī)7采用三組霍爾傳感器13嵌入到電機(jī)本體，作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置，該裝置均勻分布，每組相差120°，霍爾傳感器信號(hào)（HallA、HallB、HallC）先經(jīng)過(guò)RC濾波電路，然后輸入到74LS14反相器，經(jīng)過(guò)兩次反向后并通過(guò)電阻分壓，將霍爾信號(hào)直接接到控制器STM32的捕獲口以及通用GPIO口。捕獲口用于捕獲邊沿信號(hào)，獲取換相時(shí)刻，GPIO口讀取當(dāng)前的3個(gè)霍爾電平信號(hào)，判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子所處位置，從而發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，并控制相應(yīng)功率開(kāi)關(guān)管的通斷。同時(shí)通過(guò)檢測(cè)和處理三組霍爾傳感器13的信號(hào)可以獲得無(wú)刷直流電機(jī)7的速度信號(hào)。

如圖3所示，電流傳感器10采用采樣電阻R5直接串聯(lián)在逆變橋的直流母線上，采樣電阻R5上的采樣信號(hào)先通過(guò)發(fā)大器U32進(jìn)行放大后，再通過(guò)隔離電路U34隔離，然后經(jīng)過(guò)濾波濾波后最后送到STM32的AD接口，可以獲得無(wú)刷直流電機(jī)7的電流信號(hào)。

位置傳感器11采用電位器將舵面的角度位置信息轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值，通過(guò)電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)控制器2的AD口采樣該電壓值，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)舵面9位置信號(hào)反饋。

減速齒輪機(jī)構(gòu)8是舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其減速比為1：180，通過(guò)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8可以使無(wú)刷直流電機(jī)輸出達(dá)到舵機(jī)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(qū)動(dòng)模塊5，其由隔離高速光耦U6、U9，三極管Q2、Q8，MOS型功率驅(qū)動(dòng)管Q5、Q11組成，上橋臂光耦U6和三極管Q2、Q8一起組成隔離驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管Q2截止，Q8導(dǎo)通，從而使PMOS型功率驅(qū)動(dòng)管Q5導(dǎo)通，反之，控制信號(hào)為低電平時(shí)，Q5截止；下橋臂隔離光耦U9內(nèi)部自帶驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)輸入控制信號(hào)為高電平時(shí)，U9的6、7腳輸出為高電平，使NMOS型功率管Q11導(dǎo)通，反之輸入控制信號(hào)為低時(shí)Q11截止。

控制器2根據(jù)接收到的速度、電流、位置信號(hào)得到無(wú)刷直流電機(jī)7的PWM控制信號(hào)的占空比及電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，并將控制信號(hào)發(fā)給無(wú)刷電機(jī)換向模塊4，無(wú)刷電機(jī)換向模塊4根據(jù)接收到的占空比信號(hào)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)以及無(wú)刷直流電機(jī)7的速度信號(hào)產(chǎn)生6路PWM控制信號(hào)，PWM控制信號(hào)通過(guò)隔離模塊3送給功率驅(qū)動(dòng)模塊5轉(zhuǎn)換成功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

如圖4、5、6所示，功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)三相逆變電路6控制無(wú)刷直流電機(jī)7工作，該三相逆變電路由圖4、5、6三個(gè)電路級(jí)聯(lián)組成三相全橋逆變電路，逆變電路的6個(gè)橋臂由6個(gè)大功率的MOS開(kāi)關(guān)管構(gòu)成，換向模塊4給出的6路PWM控制信號(hào)控制6個(gè)相對(duì)應(yīng)的MOS開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)狀態(tài)，PWM信號(hào)調(diào)制方式采用PWM-ON。在對(duì)STM32的PWM模塊進(jìn)行配置時(shí)，通過(guò)給同組PWM設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間來(lái)避免三相逆變橋在換相時(shí)出現(xiàn)同相橋臂直通，以確保系統(tǒng)安全。

無(wú)刷直流電機(jī)7通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)8帶動(dòng)舵面9轉(zhuǎn)動(dòng)，使其跟隨舵面9給定信號(hào)；控制器2也能通過(guò)CAN總線模塊1接收上位機(jī)發(fā)出的舵面9偏角信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)7工作并通過(guò)齒輪減速機(jī)構(gòu)8作用于舵面9，使舵面9跟蹤給定的位置信號(hào)。

如圖7所示，過(guò)流保護(hù)單元12，將調(diào)理后的電流采樣信號(hào)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(diào)電阻V1組成分壓電路，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻V1阻值，設(shè)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(shè)中斷口XINT1。當(dāng)電流采樣轉(zhuǎn)換的電壓值高于設(shè)定的門限電壓時(shí)，比較器輸出高電平，STM32外設(shè)中斷檢測(cè)到上升沿信號(hào)時(shí)，觸發(fā)外設(shè)中斷，STM32 立即關(guān)閉PWM輸出，使無(wú)刷直流電機(jī)停止工作。