本實用新型涉及一種電動舵機驅(qū)動裝置。

背景技術(shù)：

無刷直流電動舵機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、抗干擾能力強等優(yōu)點，這些優(yōu)點使其成為舵機發(fā)展的新方向。目前，高精度的電動舵機在航天飛行器等領(lǐng)域得到廣泛的運用，其中很大部分電動舵機都是采用STM32和CPLD組合的控制系統(tǒng)，其價格也比較貴，這使其在一般航天飛行器中應(yīng)用受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、應(yīng)用范圍廣的電動舵機驅(qū)動裝置。

本實用新型解決上述問題的技術(shù)方案是：一種電動舵機驅(qū)動裝置，包括控制器、隔離電路、無刷電機換向模塊、功率驅(qū)動模塊、三相逆變電路、無刷直流電機、電流采樣電路、齒輪減速機構(gòu)、舵面，所述控制器、隔離電路、無刷電機換向模塊、功率驅(qū)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(shè)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(gòu)相連，所述齒輪減速機構(gòu)安裝在舵面上帶動舵面轉(zhuǎn)動，電流采樣電路的輸入端與無刷直流電機相連，電流采樣電路的輸出端與控制器相連。

上述電動舵機驅(qū)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(qū)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(qū)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(shù)據(jù)傳輸。

上述電動舵機驅(qū)動裝置所述電流采樣電路為電流傳感器。

本實用新型的有益效果在于：

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(jù)接收到的速度、電流、位置信號得到無刷直流電機的PWM控制信號的占空比及電機正反轉(zhuǎn)信號，并將控制信號發(fā)給無刷電機換向模塊，無刷電機換向模塊根據(jù)接收到的占空比信號、電機正反轉(zhuǎn)信號以及無刷直流電機的速度信號產(chǎn)生6路PWM控制信號，PWM控制信號送給功率驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)換成功率驅(qū)動信號，功率驅(qū)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(gòu)帶動舵面轉(zhuǎn)動，使其跟隨舵面給定信號，整個驅(qū)動裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點。

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

3、本實用新型設(shè)有通信電路，控制器通過通信電路與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸，控制器能夠接收上位機發(fā)出的舵面偏角信號，從而驅(qū)動無刷直流電機工作并通過齒輪減速機構(gòu)作用于舵面，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(jié)構(gòu)框圖。

圖2為轉(zhuǎn)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(qū)動電路原理圖。

圖5為B相隔離與驅(qū)動電路原理圖。

圖6為C相隔離與驅(qū)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(jié)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(qū)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(qū)動模塊5、三相逆變電路6、無刷直流電機7、電流采樣電路、齒輪減速機構(gòu)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(shù)據(jù)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(qū)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(shè)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主芯片為FCM8201，無刷直流電機7與齒輪減速機構(gòu)8相連，所述齒輪減速機構(gòu)8安裝在舵面9上帶動舵面9轉(zhuǎn)動，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(fā)送的給定舵面9位置信號；控制器2的ADC端口接收位置傳感器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，并構(gòu)成位置閉環(huán)和電流閉環(huán)；無刷直流電機7的霍爾信號（HallA、HallB、HallC）經(jīng)過調(diào)理電路處理后分別接入到控制器2的定時器TIM的捕獲端口，根據(jù)捕獲的霍爾信號得到無刷電機速度反饋，形成速度閉環(huán)；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(fā)出的占空比控制信號與故障處理信號，并接收無刷直流電機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采用三組霍爾傳感器13嵌入到電機本體，作為轉(zhuǎn)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(jīng)過RC濾波電路，然后輸入到74LS14反相器，經(jīng)過兩次反向后并通過電阻分壓，將霍爾信號直接接到控制器STM32的捕獲口以及通用GPIO口。捕獲口用于捕獲邊沿信號，獲取換相時刻，GPIO口讀取當(dāng)前的3個霍爾電平信號，判斷電機轉(zhuǎn)子所處位置，從而發(fā)出對應(yīng)的控制信號，并控制相應(yīng)功率開關(guān)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上的采樣信號先通過發(fā)大器U32進行放大后，再通過隔離電路U34隔離，然后經(jīng)過濾波濾波后最后送到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，通過電動舵機驅(qū)動裝置通過控制器2的AD口采樣該電壓值，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換計算來實現(xiàn)舵面9位置信號反饋。

減速齒輪機構(gòu)8是舵機執(zhí)行機構(gòu)，其減速比為1：180，通過減速傳動機構(gòu)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(qū)動模塊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)動電路。當(dāng)控制信號為高電平時，驅(qū)動三極管Q2截止，Q8導(dǎo)通，從而使PMOS型功率驅(qū)動管Q5導(dǎo)通，反之，控制信號為低電平時，Q5截止；下橋臂隔離光耦U9內(nèi)部自帶驅(qū)動電路，當(dāng)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(dǎo)通，反之輸入控制信號為低時Q11截止。

控制器2根據(jù)接收到的速度、電流、位置信號得到無刷直流電機7的PWM控制信號的占空比及電機正反轉(zhuǎn)信號，并將控制信號發(fā)給無刷電機換向模塊4，無刷電機換向模塊4根據(jù)接收到的占空比信號、電機正反轉(zhuǎn)信號以及無刷直流電機7的速度信號產(chǎn)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(qū)動模塊5轉(zhuǎn)換成功率驅(qū)動信號。

如圖4、5、6所示，功率驅(qū)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(lián)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(guān)管構(gòu)成，換向模塊4給出的6路PWM控制信號控制6個相對應(yīng)的MOS開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)，PWM信號調(diào)制方式采用PWM-ON。在對STM32的PWM模塊進行配置時，通過給同組PWM設(shè)置一定的死區(qū)時間來避免三相逆變橋在換相時出現(xiàn)同相橋臂直通，以確保系統(tǒng)安全。

無刷直流電機7通過齒輪減速機構(gòu)8帶動舵面9轉(zhuǎn)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(fā)出的舵面9偏角信號，從而驅(qū)動無刷直流電機7工作并通過齒輪減速機構(gòu)8作用于舵面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(diào)理后的電流采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(diào)電阻V1組成分壓電路，通過調(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，比較器輸出高電平，STM32外設(shè)中斷檢測到上升沿信號時，觸發(fā)外設(shè)中斷，STM32 立即關(guān)閉PWM輸出，使無刷直流電機停止工作。