RU203797U1

RU203797U1 - Motor control board

Info

Publication number: RU203797U1
Application number: RU2020134099U
Authority: RU
Inventors: Ильдар Гумарович Мухарлямов; Игорь Михайлович Еремеев; Александр Васильевич Ямщиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМОБОТ"
Priority date: 2020-10-16
Filing date: 2020-10-16
Publication date: 2021-04-21

Abstract

Полезная модель относится к управлению объектами с использованием бесколлекторных двигателей с контроллерами и может использоваться при управлении двигателем мотор-колеса.Техническим результатом при реализации заявленной полезной модели является повышение надежности работы платы управления электродвигателем за счет того, что плата содержит датчик положения вала электродвигателя, драйвер электродвигателя с силовыми ключами, клемму подключения источника питания. 2 ил.The utility model relates to the control of objects using brushless motors with controllers and can be used to control a motor-wheel motor. The technical result of the implementation of the claimed utility model is to increase the reliability of the operation of the electric motor control board due to the fact that the board contains an electric motor shaft position sensor, an electric motor driver. with power keys, power supply connection terminal. 2 ill.

Description

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.The utility model relates to robotics, to the control of objects using brushless motors with controllers and can be used in devices for controlling the robot's actuators, in particular, when controlling a motor-wheel motor. Can be used in service and industrial robots.

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.From the existing state of the art, various devices are known using controllers that allow processing information about an object from sensors and transmitting a control action to an object, including an electric drive. To determine the parameters of an object, various types of sensors are used, for example, an angular position sensor. Information about the object from the sensor is transmitted through the communication lines to the controller, in which, according to the algorithms, the control action is calculated, then the controller transmits the control signal to the object through the communication lines.

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. Known controller for the patent of the Russian Federation for utility model No. 61900, G06F 9/00, 2007. The controller contains a printed circuit board on which a microcontroller is located, which collects information from pulse channels and transfers via RS-232 interfaces, which is used to connect to a computer, RS-485 and CAN provide remote connection to the facility. The controller is equipped with an additional plate for placing the clamps in a convenient place for connection. This makes it possible to more efficiently and conveniently arrange the elements on the main board. The disadvantage is the need to use bundles of wires to connect the microcontrollers of the boards with sensors for collecting information. The remote location of the sensors reduces the reliability of the device due to the likelihood of mechanical damage to the wires and due to possible interference from induced currents in the wires.

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.Known industrial controller for a patent on the Russian Federation for utility model No. 109303, G06F 9/00, 2011, containing a printed circuit board. The board has a built-in storage device and a microprocessor located on it, which collects information from the inputs and ports RS-232 and RS-485 and transfers it via the Ethernet interface. The controller is connected to the microprocessor and to the block of sockets and connectors intended for connecting third-party devices; it is equipped with software for converting the data of the digital information protocol of the lower level into the data of the information protocol of the upper level. Devices of the lower level can be, for example, devices for communication with an object, flow meters, counters. The disadvantage is the low reliability of the controller, associated with the need to remotely locate the industrial controller and related objects in the internal space of the service robot.

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.Known robot control system, patent for invention No. WO9967066, B25J 9/10, 1999. This invention includes a control system, a feedback system and an actuator. Feedback control system sensors are located on the moving part of the robot. The commutation wires from the feedback sensors to the control system are long and are not tightly fixed. The placement of sensors at a distant distance from the control elements does not allow compact and rational placement of the parts of the robot in the body, reduces the reliability of its operation due to the movement of the moving elements on which the wires are fixed.

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.As the closest analogue to the claimed technical solution, a servo system is selected, and a method for controlling a servo system according to the application for invention of the Russian Federation No. 2011107145, G01D 5/245, 2012. The servo system contains a servo motor, a control device that transmits a control signal to control the operation of the servo motor. The position sensor detects the operation of the servomotor and transmits a feedback signal indicating the detected operation. The servo drive generates a set value of the servo motor operation by using a control signal received from the control device and a feedback signal received from a position sensor, and drives the servo motor so that the operation of the servo motor matches the set value. The disadvantage is the remoteness of the control device from the servo motor, as well as the remoteness of the servo motor from the position sensor. The separation of parts of the device in space using loops or wires reduces the reliability of its operation due to the possibility of interference in the transmission of control signals.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности работы платы управления электродвигателем.The technical result of the claimed utility model is to improve the reliability of the motor control board.

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. The technical result is achieved due to the fact that in a motor control board containing a microcontroller, a terminal for connecting the microcontroller with a control device, a terminal for connecting to a communication bus, a terminal for connecting to an electric motor, according to the utility model, the board contains a motor shaft position sensor, an electric motor driver with power keys, power supply connection terminal.

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. The technical result is provided by placing a built-in sensor of the position of the shaft of the servo motor on the board. The control board is attached to a radial magnet, which is located on the motor-wheel shaft. This allows the board to be positioned in close proximity to the shank of the motor shaft without having to use a wired connection between the shaft angle sensor and the board microcontroller. The location of the motor driver with power switches on the control board avoids the use of a wired connection between the microcontroller and the motor driver and its power switches. The location of the power supply connection terminal on the control board allows supplying power from the robot power control board, lowering its value and dividing it without using wires to power the microcontroller and power the power section of the motor driver. Ease of arrangement of elements on a double-sided board, the ability to install the board on the shaft of a controlled electric motor without using a loop or wires, wireless communication of the board elements increases the reliability of its operation. The reliability of operation is increased by reducing noise in the transmission of control signals, by eliminating the likelihood of mechanical damage to the wires, by eliminating the likelihood of the influence of induced currents.

На фиг. 1 представлена схема размещения элементов на плате управления электродвигателем с бесколлекторным мотором.FIG. 1 shows a diagram of the arrangement of elements on the control board of an electric motor with a brushless motor.

На фиг. 2 представлена установка платы управления на валу мотор-колеса.FIG. 2 shows the installation of the control board on the shaft of the motor-wheel.

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.On the control room 1 of the DC electric motor 2 for the wheel motor, there is a terminal 3 for connecting to an electric motor 2, a terminal 4 for connecting a power supply, a microcontroller 5, a terminal 6 for connecting a microcontroller 5 with a control device. The control device can be made in the form of a personal computer and serves for flashing and adjusting the microcontroller 5. On board 1 there is also a built-in sensor 8 for the position of the shaft of the electric motor 2, which determines the angle of rotation of the shaft of the electric motor 2, the connection terminal 7 to the communication bus, the driver 9 of the electric motor 2 with power switches, which are a transistor bridge. Board 1 is connected to an internal step-down power supply, which is connected via terminal 4. Control board 1 is attached to the shaft of the wheel motor 10 by means of a magnet 11.

Плата управления двигателем работает следующим образом.The motor control board works as follows.

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. With the help of the control board 1, the parameters of the motor 2 are regulated. With the help of the driver 9 for controlling the electric motor 2, the motor-wheel is moved over the terrain and interacts with the outside world. A brushless DC motor driver is used, consisting of the following components: a DRV8302 motor driver (HTSSOP-56) and 8 BSC014N06NS (PG-TDSON-8) power switches. The control board 1 is connected to the electric motor 2 with the power of the terminal 3, soldered on the wires using the contacts. The device is placed on the shaft of the electric motor 2, combining the place for installing the board on the shaft with a radial magnet attached to the shaft of the motor-wheel. An absolute encoder or an incremental 14-bit magnetic Hall sensor AS5047 (TSSOP14) can be used as a shaft position sensor 8.The microcontroller 5 carries out the function of controlling the driver 9 of the motor 2, hereinafter - power transistors in accordance with the control circuit of the power switches, and the function of tracking the position of the wheel by means of the sensor 8. The control of the DC motor 2 is carried out by setting the combination of logical states by the microcontroller 5 to the input of the driver 9 of the motor 2. The control of the driver 9 of the DC motor 2, transmission of the corresponding combinations of commands to the driver 9, receiving and processing of data from the position sensor of the motor shaft 8 is carried out using microcontroller software 5. Signals from position angle sensor 8 are fed to microcontroller 5, which is a 32-bit STM32F405RGT6 microcontroller with an internal frequency of 72 MHz and a Coretex M4 core. Microcontroller 5 is made in LQFP64 package. The communication between the position sensor 8 and the microcontroller 5 is carried out via the SPI interface. After processing the received data, the microcontroller 5 transmits signals for a control action on the motor 2 in order to regulate the current to control the torque and regulate the speed to ensure a uniform rotation speed of the electric motor 2. The exchange of information between the board 1 and the upper-level control system is carried out through the connection terminal 7 to the common communication bus. To control board 1 from the upper-level control device, use the modbus-rtu protocol, the RS485 communication interface.

Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить надежность работы платы управления электродвигателем за счет беспроводного соединения элементов.Thus, the claimed utility model improves the reliability of the motor control board due to the wireless connection of the elements.

Claims

A DC motor control board containing a microcontroller, a terminal for connecting the microcontroller with a control device, a terminal for connecting to a communication bus, a terminal for connecting to an electric motor, characterized in that it contains a motor shaft position sensor, a motor driver with power keys, a power supply connection terminal.