Плата управления электродвигателем

Полезная модель относится к робототехнике, к управлению объектами с использованием бесколлекторных двигателей с контроллерам и может использоваться в устройствах управления исполнительными механизмами робота, в частности, при управлении двигателем мотор-колеса. Возможно применение в сервисных и промышленных роботах.
Из существующего уровня техники известны различные устройства использующие контроллеры, позволяющие обрабатывать поступающую с датчиков информацию об объекте и передавать управляющее воздействие на объект, в том числе - на электропривод. Для определения параметров объекта используются различные виды датчиков, например, датчик углового положения. Информация об объекте с датчика передается по линиям связи на контроллер, в котором согласно алгоритмам, рассчитывается управляющее воздействие, далее контроллер передает по линиям связи управляющий сигнал на объект.
Известен контроллер по патенту РФ на полезную модель №61900, G06F 9/00, 2007. Контроллер, содержит печатную плату, на которой расположены микроконтроллер, осуществляющий сбор информации с импульсных каналов и передачу по интерфейсам RS-232, который используется для соединения с компьютером, RS-485 и CAN обеспечивают удаленное подключение к объекту. Контроллер снабжен дополнительной платой для размещения зажимов в удобном для подключения месте. Это дает возможность более рационально и удобно расположить элементы на основной плате. Недостатком является необходимость использования пучков проводов для связи микроконтроллеров плат с датчиками для сбора информации. Удаленное расположение датчиков снижает надежность работы устройства за счет вероятности механического повреждения проводов и за счет возможных помех от наведенных токов в проводах.
Известен промышленный контроллер по патенту на РФ на полезную модель №109303, G06F 9/00, 2011, содержащий печатную плату. В плату встроен накопитель информации и размещен на ней микропроцессор, осуществляющий сбор информации с входов и портов RS-232 и RS-485 и передачу по интерфейсу Ethernet. Контроллер связан с микропроцессором и с блоком колодок и разъемов, предназначенных для подключения сторонних устройств, снабжен программным обеспечением для преобразования данных цифрового информационного протокола нижнего уровня, в данные информационного протокола верхнего уровня. Устройствами нижнего уровня могут быть, например, устройства связи с объектом, расходомеры, счетчики. Недостатком является невысокая надежность работы контроллера, связанная с необходимостью удаленного размещения промышленного контроллера и связанных с ним объектов во внутреннем пространстве сервисного робота.
Известна система управления роботом, по патенту на изобретение № WO9967066, B25J 9/10, 1999. Данное изобретение включает в себя систему управления, систему обратной связи и исполнительный механизм. Датчики системы управления с обратной связью размещены на подвижной части робота. Коммутационные провода, идущие от датчиков обратной связи к системе управления, имеют большую длину, зафиксированы не в натяг. Размещение датчиков на дальнем расстоянии от элементов управления не позволяет компактно и рационально разместить части робота в корпусе, снижает надежность его работы из-за перемещения подвижных элементов, на которых закреплены провода.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрана сервосистема, и способ управления сервосистемой по заявке на изобретение РФ №2011107145, G01D 5/245, 2012.  Сервосистема, содержит сервомотор, устройство управления, которое передает управляющий сигнал для управления работой сервомотора. Датчик положения распознает работу сервомотора и передает сигнал обратной связи, отображающий распознанную работу. Сервопривод генерирует заданное значение работы сервомотора путем использования управляющего сигнала, принятого от устройства управления, и сигнала обратной связи, принятого от датчика положения, и приводит в действие сервомотор таким образом, чтобы работа сервомотора соответствовала заданному значению. Недостатком является удаленность устройства управления от сервомотора, а также удаленность сервомотора от датчика положения. Разнесение частей устройства в пространстве с использованием шлейфов или проводов снижает надежность его работы за счет возможности появления  помех при передаче управляющих сигналов.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности работы платы управления электродвигателем.
Технический результат достигается за счет того, что в плате управления двигателем, содержащей микроконтроллер, клемму для соединения микроконтроллера с управляющим устройством, клемму подключения к шине связи, клемму для соединения с электродвигателем, согласно полезной модели, плата содержит датчик положения вала электродвигателя,  драйвер электродвигателя с силовыми ключами, клемму подключения источника питания.
Технический результат обеспечивается размещением на плате встроенного датчика положения вала электродвигателя сервопривода. Плата управления крепится к радиальному магниту, который расположен на валу мотор-колеса. Это позволяет расположить плату в непосредственной близости возле хвостовика вала двигателя, не прибегая к использованию проводной связи между датчиком угла поворота вала и микроконтроллером платы. Расположение на плате управления драйвера электродвигателя с силовыми ключами позволяет избежать использования проводной связи между микроконтроллером и драйвером двигателя и его силовыми ключами.  Расположение на плате управления клеммы подключения источника питания позволяет подвести питание  от платы управления питанием робота, понизить его значение и разделить его без использования проводов на питание микроконтроллера и питание силовой части драйвера двигателя. Простота компоновки элементов на двухсторонней плате, возможность установки платы на валу управляемого электродвигателя без использования шлейфа или проводов, беспроводная связь элементов платы повышает надежность ее работы. Надежность работы повышается за счет снижения помех при передаче управляющих сигналов, за счет исключения вероятности механического повреждения проводов, за счет исключения вероятности влияния наведенных токов.
На фиг. 1 представлена схема размещения элементов на плате управления электродвигателем с бесколлекторным мотором.
На фиг. 2 представлена установка платы управления на валу мотор-колеса.
На палате управления 1 электродвигателем 2 постоянного тока для мотор-колеса размещена клемма 3 для соединения с электродвигателем 2, клемма 4 подключения источника питания, микроконтроллер 5, клемма 6 для соединения микроконтроллера 5 с управляющим устройством. Управляющее устройство может быть выполнено в виде персонального компьютера и служит для прошивки и настройки микроконтроллера 5. На плате 1 также размещен встроенный датчик 8 положения вала электродвигателя 2, который определяет угол поворота вала электродвигателя 2, клемма подключения 7 к шине связи, драйвер 9 электродвигателя 2 с силовыми ключами, которые представляют собой транзисторный мост. Плата 1 связана с внутренним понижающим источником питания, который подключен посредством клеммы 4. Плата управления 1 крепится на валу мотор-колеса 10 с помощью магнита 11.
Плата управления двигателем работает следующим образом.
С помощью платы управления 1 осуществляют регулирование параметров двигателя 2. С помощью драйвера 9 управления электродвигателем 2 осуществляют передвижение мотор-колеса по местности и взаимодействие его с окружающим миром. Используют драйвер бесколлекторного электродвигателя постоянного тока, состоящий из следующих составных частей: драйвер двигателя DRV8302 (HTSSOP-56) и силовых ключей BSC014N06NS (PG-TDSON-8) в количестве 8 шт. Плату управления 1 соединяют с электродвигателем 2 при мощи клеммы 3, распаянной на проводах, используя контакты. Устройство размещают на валу электродвигателя 2, совмещая место для установки платы на валу с радиальным магнитом, закрепленным на валу мотор-колеса. В качестве датчика  положения вала 8 могут использовать абсолютный энкодер, или инкрементальный 14 битный магнитный датчик Холла AS5047 (TSSOP14) Микроконтроллер 5 осуществляет функцию управления драйвером 9 двигателя 2, в дальнейшем - силовыми транзисторами в соответствии со схемой управления силовыми ключами, и функцию отслеживания положения колеса  посредством датчика 8. Управление электродвигателем 2 постоянного тока осуществляют посредством задания  микроконтроллером 5 комбинации логических состояний на вход драйвера 9 двигателя 2. Управление драйвером 9 электродвигателя 2 постоянного тока, передачу соответствующих комбинаций команд драйверу 9, получение и обработку данных с датчика положения вала двигателя 8 осуществляют с помощью ПО микроконтроллера 5. Сигналы с датчика угла положения 8 поступают на микроконтроллер 5, в качестве которого используют 32-битный микроконтроллер STM32F405RGT6 с внутренней частотой 72 МГц и ядром Coretex M4. Микроконтроллер 5 выполнен в корпусе LQFP64. Связь датчика положения 8 и микроконтроллера 5 осуществляют через SPI интерфейс.  После обработки поступивших данных микроконтроллер 5 передает сигналы для управляющего воздействия на двигатель 2 с целью регулирования тока для управления крутящим моментом и регулирования скорости для обеспечения равномерной скорости вращения электродвигателя 2. Обмен информацией между платой 1 и системой управления верхнего уровня осуществляют через клемму подключения 7 к общей шине связи. Для управления платой 1 с управляющего устройства верхнего уровня используют протокол modbus-rtu, интерфейс связи RS485.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить надежность работы платы управления электродвигателем за счет беспроводного соединения элементов.