一种电机控制电路、电机调节装置及机械设备的制作方法

1.本技术涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机控制电路、电机调节装置及机械设备。


背景技术：

2.现今，随着机械智能化的持续发展，其中，如何对电机的控制进行反馈调节通常是工控领域绕不开的研究课题，比如，在谐波减速器的控制中，由于其减速比较大，通常大于100，但同时效率却较低，通常无法将其工作电流直接映射为力矩，因此，在其需要力矩控制的场景中，还需要外加力矩传感器进行相应力矩的反馈。
3.然而，现有的力矩传感器数据通常是不直接接入电机控制系统中，而是使用不同于电机控制系统总线的单独总线将力矩信息反馈至上位机，以由上位机来完成相应的反馈调节。而这种方式不可避免的会在原有总线的基础上新增一根总线，以致增加了电机控制系统的结构复杂度，进而导致电机控制系统的设计及装配难度的增加。同时，由于上位机通常距离关节模组较远，力矩传感器所传输的模拟或者spi(串行外设接口)信号抗干扰能力不足，在远距离传输中易受干扰。


技术实现要素：

4.本技术提供一种电机控制电路、电机调节装置及机械设备，该电机控制电路能够解决现有技术中的电机控制电路需要通过上位机对电机进行反馈调节，而增加了电机控制电路的复杂度，且相应的需进行远距离传输的反馈信号也易受干扰的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种电机控制电路，其中，该电机控制电路包括：主控电路；受控电机，耦接主控电路，受控电机接收主控电路发送的控制信号，并基于控制信号工作运行；力矩传感器，耦接主控电路和受控电机，力矩传感器检测受控电机的工作状态，并基于受控电机的工作状态，向主控电路发送反馈信号，以使主控电路根据反馈信号调节控制信号，并将调节后的控制信号发送给受控电机，以对受控电机当前工作状态进行调节。
6.其中，电机控制电路还包括脉冲宽度调制电路，脉冲宽度调制电路耦接主控电路和受控电机，脉冲宽度调制电路接收主控电路发送的控制信号，以将控制信号转换为脉冲宽度调制信号后，发送给受控电机，以基于脉冲宽度调制信号对受控电机的工作状态进行控制。
7.其中，受控电机为三相电机，电机控制电路还包括驱动电路，驱动电路包括第一开关管、第二开关管以及第三开关管，第一开关管、第二开关管以及第三开关管分别耦接三相电机的三相绕组和脉冲宽度调制电路，脉冲宽度调制电路通过向第一开关管、第二开关管以及第三开关管发送脉冲宽度调制信号，以对第一开关管、第二开关管以及第三开关管的导通时间进行调节，进而对受控电机的工作状态进行控制。
8.其中，主控电路还包括矢量控制器，矢量控制器耦接脉冲宽度调制电路，矢量控制
器向脉冲宽度调制电路发送矢量控制信号，以使脉冲宽度调制电路将矢量控制信号转换为脉冲宽度调制信号。
9.其中，电机控制电路还包括通信电路，通信电路耦接主控电路和外部上位机，通信电路接收上位机发送程序控制指令，以对程序控制指令进行信号转换后，发送给主控电路，以使主控电路对应生成控制信号。
10.其中，电机控制电路还包括电源电路，电源电路包括相耦接的第一子电源电路和第二子电源电路，第一子电源电路耦接受控电机，第二子电源电路耦接主控电路和力矩传感器。
11.其中，主控电路还包括至少两个不同通信接口，至少两个通信接口中的一个耦接力矩传感器。
12.其中，力矩传感器的数量为至少两个，且小于或等于通信接口的数量，至少两个力矩传感器分别耦接不同的通信接口及受控电机，以对受控电机的不同位置的输出力矩进行检测，并对应生成至少两个反馈信号，以使主控电路根据至少两个反馈信号调节控制信号。
13.为解决上述技术问题，本技术采用的又一个技术方案是：提供一种电机调节装置，其中，该电机调节装置包括外壳及安装在外壳上的电机控制电路，电机控制电路为如上任一项所述的电机控制电路。
14.为解决上述技术问题，本技术采用的又一个技术方案是：提供一种机械设备，其中，该机械设备包括电机调节装置及受控于电机调节装置的机械臂，电机调节装置为如上所述的电机调节装置。
15.本技术的有益效果是：区别于现有技术，本技术中的电机控制电路包括：主控电路、受控电机以及力矩传感器；其中，受控电机接收主控电路发送的控制信号，并基于控制信号工作运行，而力矩传感器能够检测受控电机的工作状态，并向主控电路发送反馈信号，以使主控电路能够根据该反馈信号对受控电机当前的工作状态进行调节，而有效避免了将反馈信号发送给上位机，以基于上位机的控制指令完成反馈调节，也便不需要另设由力矩传感器连接至上位机的连接线路，从而有效地简化了电机反馈调节的走线设计及线路实现，且反馈信号在传输过程中的抗干扰能力也得以大大的增强。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
17.图1是现有技术中伺服电机控制系统的结构示意图；
18.图2是本技术电机控制电路第一实施例的结构示意图；
19.图3是本技术电机控制电路第二实施例的结构示意图；
20.图4是本技术电机控制电路第三实施例的结构示意图；
21.图5是本技术电机控制电路第四实施例的结构示意图；
22.图6是本技术电机控制电路第五实施例的结构示意图；
23.图7是本技术电机控制电路第六实施例的结构示意图；
24.图8是本技术电机控制电路第七实施例的结构示意图；
25.图9是本技术电机调节装置一实施例的结构示意图；
26.图10是本技术机械设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
27.经长期研究发现，目前市场上主要存在两种类型的关节模组，一种采用行星减速器，其减速比基本位于20-30左右，此类关节模组可通过电流环反馈直接控制伺服电机的输出力矩，而无需外部集成力矩传感器即可满足力矩控制的需求。
28.另外一类是采用谐波减速器，其减速比则较大，通常大于100，而由于减速比大，同时谐波减速器效率较低，无法将其工作电流直接映射为力矩，在需要力矩控制的场景中，则需要外加力矩传感器进行力矩反馈。具体地，如图1所示，图1是现有技术中伺服电机控制系统的结构示意图，该控制系统包括上位机、rs485(定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准)接口、电机控制器、伺服电机、谐波减速器、力矩传感器以及adc(模数转换)/spi/uart(异步收发传输器)等通信接口。其中，在通常情况下，rs485接口、电机控制器、伺服电机、谐波减速器、力矩传感器以及adc/spi/uart等通信接口是集成在关节模组上的，而上位机远离关节模组，并通过相应的通信接口通信连接至关节模组，以对关节模组进行远程控制。
29.则由此可知，在现有方案中，对应于谐波减速器的力矩传感器所获取的力矩数据是不直接发送给电机控制器的，而是使用不同于电机控制系统总线的单独总线将力矩信息反馈至上位机，而这种方式将不可避免的会在原有总线的基础上新增一根总线，以致增加了电机控制系统的结构复杂度，进而导致电机控制系统的设计及装配难度的增加。同时，由于上位机通常距离关节模组较远，而力矩传感器所传输的模拟或者spi 信号抗干扰能力不足，在远距离传输中易受干扰，而如果限制采用rs485 传输，又限制了力矩传感器的选型，在某些场景可能出现无法完成传感器选型的情况。
30.为了实现有效简化电机反馈调节的走线设计及线路实现，并增强信号传输的抗干扰能力，本技术提供了一种调节装置和电子设备。下面结合附图和实施例，对本技术作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本技术，但不对本技术的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本技术的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
31.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
32.请参见图2，图2是本技术电机控制电路第一实施例的结构示意图。在本实施例中，该电机控制电路10包括：主控电路11、受控电机12以及力矩传感器13。
33.其中，本技术中提供的一种电机控制电路10具体是应用在电机的反馈控制中，比如，将该电机控制电路10集成于一外骨骼机器人的关机模组中，以对关机模组中的伺服电机进行反馈调节。当然，在其它实施例中，该电机控制电路10还可以用在其他任一合理的包括有驱动电机的工控机械机构的反馈控制中，本实施例对此并不加以限制。
34.具体地，主控电路11可以包括mcu(micro control unit，微控制单元)电路、单片机或处理器等任一合理的程序处理单元，而可理解为电机控制电路10的信号处理中枢，以能够通过其加载的程序数据，或接收上位机，也即通信连接于主控电路11的任一合理的智能终端，比如，后台计算机或小型的工控计算机发送的设定控制指令，以生成对应的控制信号，并基于该控制信号完成对受控电机12的运行控制。
35.进一步地，受控电机12可以是伺服电机或驱动电机等任一合理类型的电机，并耦接于主控电路11，比如，该受控电机12具体可以通过一通信数据线或无线通信模组与主控电路11实现通信连接，以能够接收主控电路11对应生成的控制信号，并响应于该控制信号运行在相应的工作状态。
36.在一实施例中，主控电路11具体可以通过向受控电机12发送控制信号，以使受控电机12启动运行、停止运行、运行在高频转动状态、运行在低频转动状态或启动反转等运行在任一合理的工作状态，本技术对此不做限定。
37.力矩传感器13进一步耦接主控电路11和受控电机12，且具体是对应于受控电机12的位置进行的安装，以能够实时监测受控电机12当前的工作状态，并基于其检测到的工作状态，生成相应的反馈信号，并将该反馈信号发送给主控电路11。
38.进一步地，主控电路11能够根据其接收到的反馈信号对其发送给受控电机12的控制信号进行调节，并将调节后的控制信号发送给受控电机12，以进而能够对受控电机12当前的工作状态进行调节，比如，将高频运行状态的受控电机12调节至低频转动状态，或对受控电机12 的输出功率、输出力矩或转动角度进行调节。
39.上述方案，主控电路11能够直接根据力矩传感器13检测受控电机 12的工作状态，而发送给主控电路11的反馈信号对受控电机12当前的工作状态进行调节，从而能够有效避免将反馈信号发送给上位机，以基于上位机的控制指令完成反馈调节，也便不需要另设由力矩传感器13 连接至上位机的连接线路，因此，有效地简化了电机反馈调节的实现线路，且反馈信号在传输过程中的抗干扰能力也得以大大的增强。
40.在一实施例中，主控电路11还包括至少两个不同通信接口，比如， adc接口、spi接口、iic(inter-integrated circuit，集成电路总线)接口以及uart接口等任意合理的通信接口中的至少两个，本技术对此不做限定。
41.进一步地，力矩传感器13能够通过其中的一个与其相匹配的通信接口与主控电路11实现连接，而主控电路11闲置的其他通信接口还可以用于与匹配其他通信方式的力矩传感器13实现连接，或用于更换匹配其他通信方式的力矩传感器13。且通过在主控电路11中集成尽可能多的通信接口，能够有效拓展主控电路11的应用范围，并有利于力矩传感器13的匹配选型、更换和加装。
42.在一实施例中，力矩传感器13的数量为至少两个，且其数量小于或等于通信接口的数量，而至少两个力矩传感器13分别耦接于主控电路11中的不同通信接口，并进一步耦接于受控电机12，且具体可以对应于受控电机12的不同位置安装，以能够对受控电机12的不同位置的输出力矩进行检测，而对应生成至少两个反馈信号。因此，主控电路11 还能够根据至少两个反馈信号来调节控制信号，以能够保证对受控电机 12当前的工作状态进行的反馈调节更有效、更精准。
43.请参见图3，图3是本技术测试电路第二实施例的结构示意图。本实施例是在本申
请提供的电机控制电路第一实施例的基础上，电机控制电路20还包括脉冲宽度调制电路24。
44.可理解的是，为实现对受控电机22进行精准的功率控制和启停控制等，通常会使用到脉冲宽度调制，以能够通过调整脉冲宽度调制信号的占空比，完成对受控电机22的工作状态进行调节。
45.具体地，脉冲宽度调制电路24耦接主控电路21和受控电机22，以能够接收主控电路21发送的控制信号，并将控制信号转换为脉冲宽度调制信号后，发送给受控电机22，以基于脉冲宽度调制信号对受控电机 22的工作状态进行控制。
46.需说明的是，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或mos管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，金氧半场效晶体管)栅极的偏置，来实现晶体管或mos管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
47.可理解的是，在本实施例中，主控电路21、受控电机22以及力矩传感器23分别与主控电路11、受控电机12以及力矩传感器13相同，具体请参阅图2及相关文字内容，在此不再赘述。
48.请参见图4，图4是本技术电机控制电路第三实施例的结构示意图。本实施例是在本技术提供的电机控制电路第二实施例的基础上，受控电机32具体为三相电机，而电机控制电路30还包括驱动电路35，且驱动电路35进一步包括第一开关管(图未示出)、第二开关管(图未示出) 以及第三开关管(图未示出)。
49.其中，第一开关管、第二开关管以及第三开关管分别耦接三相电机的三相绕组和脉冲宽度调制电路34，而脉冲宽度调制电路34具体是通过向第一开关管、第二开关管以及第三开关管分别发送脉冲宽度调制信号，以对第一开关管、第二开关管以及第三开关管的导通时间进行调节，进而对受控电机32的工作状态进行控制。
50.可理解的是，在本实施例中，主控电路31、受控电机32、力矩传感器33以及脉冲宽度调制电路34分别与主控电路21、受控电机22、力矩传感器23以及脉冲宽度调制电路24相同，具体请参阅图3及相关文字内容，在此不再赘述。
51.请参见图5，图5是本技术电机控制电路第四实施例的结构示意图。本实施例是在本技术提供的电机控制电路第二实施例的基础上，电机控制电路40中的主控电路41还包括矢量控制器411。
52.其中，矢量控制器411耦接脉冲宽度调制电路44，而主控电路41 具体是通过矢量控制器411向脉冲宽度调制电路44发送矢量控制信号，以使脉冲宽度调制电路44将矢量控制信号转换为脉冲宽度调制信号，进而能够基于脉冲宽度调制信号对受控电机42当前的工作状态进行调节。
53.需说明的是，矢量控制器411又称foc(field-oriented control)控制器，其中，foc具体为磁场导向控制，又称为矢量控制(vectorcontrol)，是一种利用变频器(vfd)控制三相交流马达的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制马达的
输出。其特性是可以个别控制马达的的磁场及转矩，类似他激式直流马达的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。foc 能够精确地控制磁场大小与方向，使得电机转矩平稳、噪声小、效率高，并且具有高速的动态响应。由于foc的优势明显，目前已在很多应用上逐步替代传统的控制方式，在运动控制行业中备受瞩目。
54.可理解的是，在本实施例中，受控电机42、力矩传感器43以及脉冲宽度调制电路44分别与受控电机22、力矩传感器23以及脉冲宽度调制电路24相同，具体请参阅图3及相关文字内容，在此不再赘述。
55.请参见图6，图6是本技术电机控制电路第五实施例的结构示意图。本实施例是在本技术提供的电机控制电路第一实施例的基础上，电机控制电路50还包括通信电路54。
56.其中，该通信电路54耦接主控电路51和外部的上位机，也即该通信电路54具体是通信连接于任一合理的智能终端，比如，后台计算机或小型的工控计算机，并使主控电路51与上位机实现通信连接，以能够接收上位机发送的程序控制指令，并对程序控制指令进行信号转换后，发送给主控电路51，以使主控电路51对应生成控制信号。
57.在一实施例中，该通信电路54具体可以是can(controller areanetwork，控制器局域网络)收发芯片，而上位机具体是通过can总线与该can收发芯片实现通信连接，以能够向can收发芯片发送can 总线信号，并经由can收发芯片转换为tx(transport，发送)/rx(receive，接收)信号后，发送给主控电路51，以使主控电路51对应生成控制信号。
58.可理解的是，在本实施例中，主控电路51、受控电机52以及力矩传感器53分别与主控电路11、受控电机12以及力矩传感器13相同，具体请参阅图2及相关文字内容，在此不再赘述。
59.请参见图7，图7是本技术电机控制电路第六实施例的结构示意图。本实施例是在本技术提供的电机控制电路第一实施例的基础上，电机控制电路60还包括电源电路64。
60.可理解的是，区别于受控电机62的驱动控制通常需要较大的电压，用于进行相应控制的主控电路61和反馈信号获取的力矩传感器63通常需要的电压却较小，因而不可避免的需要对受控电机62的供电电源与主控电路61及力矩传感器63的供电电源进行区分。
61.具体地，电源电路64进一步包括相耦接的第一子电源电路641和第二子电源电路642，且第一子电源电路641耦接受控电机62，而第二子电源电路642耦接主控电路61和力矩传感器63。
62.其中，第一子电源电路641的输出电压大于第二子电源电路642的输出电压。
63.可选地，第一子电源电路641的输出电压为48v-60v。
64.可选地，第二子电源电路642的输出电压为3v-6.6v。
65.可选地，第二子电源电路642能够对应输出两路不同电压等级的电压信号，以分别提供给主控电路61和力矩传感器63，且提供给主控电路61的电压信号为3.3v，而提供给力矩传感器63的电压信号为5v。
66.可理解的是，在本实施例中，主控电路61、受控电机62以及力矩传感器63分别与主控电路11、受控电机12以及力矩传感器13相同，具体请参阅图2及相关文字内容，在此不再赘述。
67.请参见图8，图8是本技术电机控制电路第七实施例的结构示意图。
68.在本实施例中，电机控制电路具体包括can总线77、主控电路71、 pwm控制器72、驱
动电路73、受控电机74、力矩传感器75以及电源电路76；主控电路71进一步包括通信电路711、foc控制器712、第一接口713以及第二接口714，而驱动电路73进一步包括第一开关管t1至第六开关管t6。
69.其中，通信电路711耦接can总线77，以能够通过can总线77通信连接至上位机，foc控制器712耦接pwm控制器72，而pwm控制器72进一步耦接第一开关管t1至第六开关管t6，第一开关管t1至第六开关管t6耦接受控电机74，第一接口713耦接力矩传感器75，且力矩传感器75进一步耦接受控电机74和电源电路76，电源电路76耦接主控电路71的电源端。
70.具体地，通信电路711进一步can收发芯片(图未示出)，而第一接口713包括adc接口、spi接口、iic接口以及uart接口等任意合理的通信接口中的一种或多种，第二接口714包括jtag(jointtestactiongroup，联合测试工作组)接口和/或uart接口，以预留给其他功能电路的接入。
71.则可理解的是，上位机能够通过can总线77向can收发芯片发送can总线77信号，以经can收发芯片转换为tx/rx信号后，发送给主控电路71中的处理中枢(图未示出)。而主控处理中枢能够对tx/rx信号进行协议解调，以提取出对应的电机控制指令，并发送至foc控制器712；foc控制器712进而能够将电机控制指令转换为矢量控制信号，以发送给pwm控制器72进一步转换为pwm信号，从而能够通过pwm信号对第一开关管t1至第六开关管t6进行驱动，以使受控电机74进行相应动作。
72.同时，主控电路71的第一接口713，可视情况与不同的力矩传感器75对接，且力矩传感器75给出的反馈信号，也可直接通过第一接口713传入主控电路71，主控电路71在将其接收到的力矩信息进行处理后，并入通信电路711，与从受控电机74处获取的反馈信息进行协议编码后一并返回至上位机。
73.电源电路76则负责给主控电路71、各控制器、受控电机74及力矩传感器75进行供电。
74.在一实施例中，电机控制电路具体是安装在一外骨骼机器人的关节模组中，则可知，由于主控电路71与力矩传感器75的安装位置非常接近，第一接口713的抗干扰能力得以增强。同时，由于电机控制电路对外接口仅有电源及can通信接口，而没有其他多余线束，整个电机控制电路的线路设计难度也得到了降低。
75.基于总的技术构思，本技术还提供了一种电机调节装置，请参见图9，图9是本技术电机调节装置一实施例的结构示意图。
76.在本实施例中，电机调节装置81包括外壳811及安装在外壳811上的电机控制电路812；其中，电机控制电路812为如上所述的电机控制电路10至电机控制电路70中的任一种，具体请参阅图2-图8及相关文字内容，在此不再赘述。
77.可理解的是，该外壳811具体可以是一外骨骼机器人的关节模组的安装外壳811，而电机控制电路812设置于外壳811内部，以能够通过外壳811对电机控制电路812进行防护。
78.基于总的技术构思，本技术还提供了一种机械设备，请参见图10，图10是本技术机械设备一实施例的结构示意图。
79.在本实施例中，该机械设备91包括电机调节装置911及受控于电机调节装置911的机械臂912；其中，电机调节装置911为如上所述的电机调节装置911，具体请参阅图9及相关
文字内容，在此不再赘述。
80.可理解的是，该机械设备91具体可以是工控机械生成设备或外骨骼机器人，而机械臂912对应为机械设备的工控执行机构或外骨骼关节装置，电机调节装置911则用于对驱动机械臂912进行工作的驱动、调节。
81.区别于现有技术，本技术中的电机控制电路包括：主控电路、受控电机以及力矩传感器；其中，受控电机接收主控电路发送的控制信号，并基于控制信号工作运行，而力矩传感器能够检测受控电机的工作状态，并向主控电路发送反馈信号，以使主控电路能够根据该反馈信号对受控电机当前的工作状态进行调节，而有效避免了将反馈信号发送给上位机，以基于上位机的控制指令完成反馈调节，也便不需要另设由力矩传感器连接至上位机的连接线路，从而有效地简化了电机反馈调节的走线设计及线路实现，且反馈信号在传输过程中的抗干扰能力也得以大大的增强。
82.以上仅为本技术的实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。