一种电机矩阵级联控制电路的制作方法

1.本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种电机矩阵级联控制电路。


背景技术：

2.电机矩阵是包含了上百甚至上千个电机单元的阵列化运动控制系统，通过直线运动单元，将电机的旋转运动转化为立体空间内的升降和和伸缩，在计算机控制下可呈现出曲线、曲面、平面、文字和三维图案等各种造型，以满足各种应用场景的需求。例如：中大型活动场所的艺术装置，通过将每个运动单元作为像素点，然后将大量像素点组成一块巨幕，并通过有规则的协同运动，展现出艺术图案。
3.现有技术中，对于电机矩阵的控制方法主要包括：1.步进电机外接驱动器和微控制器，但这种控制器电路存在成本高、安装和布线复杂繁琐、无隔离保护、电路安全性低、体积大、不能应用在对电机安防空间比较限制的场景以及不外接绝对位置传感器则无法实现目标位置的闭环控制的缺陷。
4.2.一体化步进电机，即集成驱动器、绝对值位置传感器以及总线控制器的步进电机，但由于该电机是一个微控制器对应控制一个步进电机，因此存在无法适用于大规模电机的应用场景，造成资源浪费的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电机矩阵级联控制电路，用于解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供一种电机矩阵级联控制电路，包括电源电路和控制器电路，所述电源电路与所述控制器电路连接；所述电源电路包括工作电源输入接口、系统电源负载开关、电机电源负载开关、传感器电源负载开关、can收发器电源负载开关、第一稳压电路、第二稳压电路和第三稳压电路；所述工作电源输入接口分别与所述系统电源负载开关的第一端和所述电机电源负载开关的第一端连接，所述系统电源负载开关的第二端分别与所述第一稳压电路的第一端和所述第二稳压电路的第一端连接，所述第一稳压电路的第二端与所述传感器电源负载开关的第一端连接，所述第二稳压电路的第二端分别与所述第三稳压电路的第一端和所述can收发器电源负载开关的第一端电连接；所述控制器电路包括主控制器、传感器接口电路、隔离can收发接口电路以及电机接口电路，所述主控制器分别与所述第二稳压电路的第二端、所述传感器接口电路的第一端、所述隔离can收发接口电路的第一端以及所述电机接口电路的第一端连接；所述传感器接口电路的第二端与所述传感器电源负载开关的第一端电连接，所述隔离can收发接口电路的第二端与所述can收发器电源负载开关的第二端电连接，所述电机接口电路的第二端与所述电机电源负载开关电连接；
其中，所述主控制器通过所述隔离can收发接口电路连接有若干个从控制器。
7.在一种可能的设计中，所述控制电路还包括usb接口电路和usb电源负载开关，所述usb接口电路的一端与所述usb电源负载开关的第一端连接，所述usb电源负载开关的第二端分别与所述第一稳压电路的第一端以及所述第二稳压电路的第一端连接；其中，当所述usb电源负载开关的低电平使能引脚检测到工作电源的电压时，将关闭所述usb接口电路接入的usb电源。
8.在一种可能的设计中，所述控制器电路还包括串口通信接口电路，所述串口通信接口电路与所述主控制器连接。
9.在一种可能的设计中，所述控制器电路还包括can硬件id电路，所述can硬件id电路与所述主控制器连接。
10.在一种可能的设计中，所述第一稳压电路采用精度为0.5%的输出电压以及50db的电源抑制比，所述第二稳压电路采用5v的ldo电源电路，所述第三稳压电路采用3.3v的ldo电源电路。
11.在一种可能的设计中，所述系统电源负载开关包括型号为u201的第一负载开关芯片，所述第一负载开关芯片的gnd引脚分别与第一电容c201的第一端以及第二电容c202的第一端连接，所述第一负载开关芯片的ss引脚分别与所述第一电容c201的第二端以及所述第二电容c202的第二端连接，所述第一负载开关芯片的enuv引脚与第一电阻r208的第一端连接，所述第一负载开关芯片的in引脚、所述第一电阻r208的第二端以及第三电容c210的第一端分别与第一磁珠fb202的第一端连接，所述第一磁珠fb202的第二端、第一tvs二极管d204的第一端以及第四电容c209的第一端分别接入前级电源vin，所述第一tvs二极管d204的第二端、所述第四电容c209的第二端以及所述第三电容c210的第二端接地；所述第一负载开关芯片的ovp引脚分别与第二电阻r202的第一端和第三电阻r205的第一端连接，所述第二电阻r202的第二端接地，所述第三电阻r205的第二端接入所述第一负载开关芯片的ev引脚，所述第一负载开关芯片的ilim引脚与第四电阻r207的第一端连接，所述第四电阻r207的第二端与第五电阻r206的第一端连接，所述第五电阻r206的第二端接地，所述第一负载开关芯片的flt引脚分别与第一发光二极管d202的负极以及第六电阻r209的第一端连接，所述第一发光二极管d202的正极与第七电阻r210的第一端连接，所述第七电阻r210的第二端和所述第六电阻r209的第二端接入前级电源vin，所述第一负载开关芯片的out引脚分别与所述主控制器、第五电容c205的第一端、第六电容c206的第一端以及肖特基二极管d205的负极连接，所述第五电容c205的第二端、第六电容c206的第二端以及肖特基二极管d205的正极接地。
12.在一种可能的设计中，所述传感器接口电路包括第七电阻r301，所述第七电阻r301的第一端与传感器的输入引脚adc1连接，所述第七电阻r301的第二端分别与所述主控制器的adc采样输入引脚ain0、第七电容c301的第一端以及双向esd二极管d301的第一端连接，所述第七电容c301的第二端以及双向esd二极管d301的第二端连接到模拟地。
13.在一种可能的设计中，所述隔离can收发接口电路包括两路can接口电路，每一路can接口电路包括双路pnp三极管，所述双路pnp三极管的第一集电极c1依次连接第八电阻r307和第二发光二极管d305连接后接入系统地sgnd，所述双路pnp三极管的第一基极b1与第八电阻r305连接后接入所述主控制器的can1_tx引脚，所述双路pnp三极管的第一发射极
e1接入所述主控制器的3.3vcan引脚，所述双路pnp三极管的第二集电极c2依次连接第九电阻r304和第三发光二极管连接后接入系统地sgnd，所述双路pnp三极管的第二基极b2与第十电阻r306连接后接入所述主控制器的can1_rx引脚，所述双路pnp三极管的第二发射极e2接入所述主控制器的3.3vcan引脚；每一路can接口电路还包括隔离can收发器u301，所述隔离can收发器u301的两个接地引脚gnd1分别与系统地sgnd和第二tvs二极管d306的第一端连接，所述隔离can收发器u301的vdd2sense引脚和所述第二tvs二极管d306的第二端接入所述主控制器的can1 pg引脚，所述隔离can收发器u301的rxd引脚分别与第三tvs二极管d313的第一端和所述主控制器的can1 px引脚连接，所述隔离can收发器u301的txd引脚分别与第四tvs二极管d314的第一端和所述主控制器的can1 tx引脚连接，所述隔离can收发器u301的vdd1引脚分别与第七电容c308的第一端和所述主控制器的3.3v can引脚连接，所述隔离can收发器u301的gnd1引脚、所述第三tvs二极管d313的第二端、所述第四tvs二极管d314的第二端以及所述第七电容c308的第二端接入系统地sgnd，所述隔离can收发器u301的vdd2引脚分别与第八电容c307的第一端和5v电源输入端连接，所述第八电容c307的第二端和所述隔离can收发器u301的gnd2引脚接地，所述隔离can收发器u301的canh引脚与第十一电阻r311连接后分别与第十二电阻r316的第一端以及从控制器连接，所述隔离can收发器u301的canl引脚与第十三电阻r315连接后与第十四电阻r317以及从控制器连接，所述第十二电阻r316的第二端和所述第十四电阻r317的第二段与第九电容c312连接后接入can信号地，所述隔离can收发器u301的gnd2引脚接can信号地。
14.在一种可能的设计中，所述隔离can收发接口电路还包括电源隔离电路，所述电源隔离电路包括第二磁珠fb301，所述第二磁珠fb301两端分别与3.3v系统电源和3.3vcan电源连接。
15.在一种可能的设计中，所述主控制器为采用bga封装的微控制器，所述微控制器包括24路adc引脚、24路pwm引脚、2路can引脚、7个io输入引脚以及1路串口引脚；其中，24路adc引脚连接至所述传感器接口电路连接，24路pwm引脚连接至所述电机接口电路，2路can引脚连接至所述can收发接口电路，7个io输入引脚连接至所述can硬件id电路，1路串口引脚连接至所述串口通信接口电路。
16.有益效果：本发明通过设置高度集成的电机矩阵级联控制电路，使得控制器电路可搭配外设的灵活性高，即控制方式相同的电机（例如pwm控制的驱动电机）和传感器（例如磁编码器）均可适用于本发明中的控制电路；此外，本发明中各个电源分配配置了电源隔离保护电路（即负载开关），从而将电源输入通过负载开关分成几路进行隔离，从而增加了系统工作的稳定性，例如可避免电机工作时负载大，产生干扰影响系统电源，同时可以有效保护后级电路，当电机电源故障时自动关断电机电源而不影响其他电路；此外，本发明通过设置多个稳压电路，实现前级电源的降压和降噪，提高电路安全性。
附图说明
17.图1为本实施例中的电机矩阵级联控制电路的电路框图；图2为本实施例中的主从控制器的接线示意图；
图3为本实施例中的系统电源负载开关的结构示意图；图4为本实施例中的传感器接口电路的结构示意图；图5为本实施例中的隔离can收发接口电路的结构示意图。
具体实施方式
18.为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例如图1-图5所示，本实施例提供一种电机矩阵级联控制电路，包括电源电路和控制器电路，所述电源电路与所述控制器电路连接；所述电源电路包括工作电源输入接口、系统电源负载开关、电机电源负载开关、传感器电源负载开关、can收发器电源负载开关、第一稳压电路、第二稳压电路和第三稳压电路；所述工作电源输入接口分别与所述系统电源负载开关的第一端和所述电机电源负载开关的第一端连接，所述系统电源负载开关的第二端分别与所述第一稳压电路的第一端和所述第二稳压电路的第一端连接，所述第一稳压电路的第二端与所述传感器电源负载开关的第一端连接，所述第二稳压电路的第二端分别与所述第三稳压电路的第一端和所述can收发器电源负载开关的第一端电连接；所述控制器电路包括主控制器、传感器接口电路、隔离can收发接口电路以及电机接口电路，所述主控制器分别与所述第二稳压电路的第二端、所述传感器接口电路的第一端、所述隔离can收发接口电路的第一端以及所述电机接口电路的第一端连接；所述传感器接口电路的第二端与所述传感器电源负载开关的第一端电连接，所述隔离can收发接口电路的第二端与所述can收发器电源负载开关的第二端电连接，所述电机接口电路的第二端与所述电机电源负载开关电连接；其中，所述主控制器通过所述隔离can收发接口电路连接有若干个从控制器。
20.其中，需要说明的是，所述工作电源输入接口用于接入工作电源，并将工作电源分别通过系统电源负载开关和电机电源负载开关分别为系统和电机接口电路供电。
21.其中，需要说明的是，所述系统电源负载开关和所述电机电源负载开关均具有高度集成电路保护、快速响应短路保护、过流保护、过压保护和欠压保护等多种可电路编程功能，且上述两种负载开关还针对电源状态监视和下游负载提供了故障标志输出，此外，对于热插拔提供了浪涌电流控制保护，从而可以将总的工作电源输入通过上述两个负载开关分成两路隔离，从而既可以增加系统工作的稳定性，避免电机工作时负载过大产生的干扰影响到系统电源，也可以有效保护后级电路，当电机电源故障时自动关断电机电源而不会影响到其他电路。
22.其中，由于传感器接口为模拟电路，优选的，所述第一稳压电路采用低噪声高精度的ldo（low dropout regulator，低压差线性稳压器）电源电路来单独为传感器供电，具体是所述第一稳压电路采用精度为0.5%的输出电压以及50db的电源抑制比，其中，输出电压
可以根据传感器的工作电压进行选择，例如所述第一稳压电路采用5v的输出电压，且所述第一稳压电路具有30uv的低噪声输出电压和50db的电源抑制比，从而可以很好地抑制内部噪声和外部噪声，进而能够维持模数转化器等敏感型模拟电路的信号完整性，且高精度的输出电源能够增加电源的稳定性，减少电压波动变化引起的转换误差对整个系统的精度产生影响。
23.其中，优选的，所述第二稳压电路采用5v的ldo电源电路，从而可以将前级电源稳压到5v，同时为后两路电路供电；优选的，所述第三稳压电路采用3.3v的ldo电源电路，从而可以将前级5v电源稳压到3.3v，同时为主控制器供电。
24.其中，需要说明的是，所述can收发器电源负载开关用于实现低成本的can总线电源隔离保护。
25.其中，需要说明的是，所述系统电源负载开关、电机电源负载开关、传感器电源负载开关以及can收发器电源负载开关均为集成式负载开关。
26.在一种具体的实施方式中，所述控制电路还包括usb接口电路和usb电源负载开关，所述usb接口电路的一端与所述usb电源负载开关的第一端连接，所述usb电源负载开关的第二端分别与所述第一稳压电路的第一端以及所述第二稳压电路的第一端连接；其中，当所述usb电源负载开关的低电平使能引脚检测到工作电源的电压时，将关闭所述usb接口电路接入的usb电源，该usb电源用于传感器接口电路和主控制器的调试和升级过程中的供电。
27.在一种具体的实施方式中，所述控制器电路还包括串口通信接口电路，所述串口通信接口电路与所述主控制器连接。
28.在一种具体的实施方式中，所述控制器电路还包括can硬件id电路，所述can硬件id电路与所述主控制器连接。
29.在一种具体的实施方式中，所述主控制器为采用bga封装的微控制器，所述微控制器包括24路adc引脚、24路pwm引脚、2路can引脚、7个io输入引脚以及1路串口引脚；其中，24路adc引脚连接至所述传感器接口电路连接，24路pwm引脚连接至所述电机接口电路，2路can引脚连接至所述can收发接口电路，7个io输入引脚连接至所述can硬件id电路，1路串口引脚连接至所述串口通信接口电路。
30.其中，所述传感器接口电路包括24路端口可连接至外部传感器，例如磁编码器，且具有esd（electro-static discharge，静电释放）和热插拔保护功能；所述电机接口电路包括24路端口可连接至外部电机，同时具有esd和热插拔保护功能；所述隔离can收发接口电路包括集成式隔离can收发器，该集成式隔离can收发器可与各从控制器之间级联进行can总线通信，并具有信号隔离保护等级高的优势；所述can硬件id电路可通过拨码开关电路，配置从控制器进行can总线通信的id号，当然，本实施例也可以通过上位机中的软件配置从控制器的id号，此处不做限定；所述串口通信接口电路用于所述主控制器与上位机的通信。
31.在一种具体的实施方式中，所述系统电源负载开关包括型号为u201的第一负载开关芯片，所述第一负载开关芯片的gnd引脚分别与第一电容c201的第一端以及第二电容c202的第一端连接，所述第一负载开关芯片的ss引脚分别与所述第一电容c201的第二端以及所述第二电容c202的第二端连接，从而用来设置设备开启时输出电压的斜率（即软启动），所述第一负载开关芯片的enuv引脚与第一电阻r208的第一端连接，其中，所述enuv引
脚用于控制芯片内部fet的开关状态，所述第一负载开关芯片的in引脚、所述第一电阻r208的第二端以及第三电容c210的第一端分别与第一磁珠fb202的第一端连接，所述第一磁珠fb202的第二端、第一tvs二极管d204的第一端以及第四电容c209的第一端分别接入前级电源vin，其中，所述第一tvs二极管d204用于放置瞬态电压超过设备的绝对最大额定值，所述第一tvs二极管d204的第二端、所述第四电容c209的第二端以及所述第三电容c210的第二端接地；所述第一负载开关芯片的ovp引脚分别与第二电阻r202的第一端和第三电阻r205的第一端连接，所述第二电阻r202的第二端接地，所述第三电阻r205的第二端接入所述第一负载开关芯片的ev引脚，所述第一负载开关芯片的ilim引脚与第四电阻r207的第一端连接，所述第四电阻r207的第二端与第五电阻r206的第一端连接，所述第五电阻r206的第二端接地，所述第一负载开关芯片的flt引脚分别与第一发光二极管d202的负极以及第六电阻r209的第一端连接，所述第一发光二极管d202的正极与第七电阻r210的第一端连接，所述第七电阻r210的第二端和所述第六电阻r209的第二端接入前级电源vin，所述第一负载开关芯片的out引脚分别与所述主控制器、第五电容c205的第一端、第六电容c206的第一端以及肖特基二极管d205的负极连接，所述第五电容c205的第二端、第六电容c206的第二端以及肖特基二极管d205的正极接地，其中，肖特基二极管d205用于吸收设备短路时瞬间关断而产生的负电压尖峰。
32.其中，需要说明的是，所述enuv引脚和所述ovp引脚均通过第一电阻r208、第二电阻r202以及第三电阻r205来配置欠压及过压阈值，当enuv引脚上的电压低于欠压阈值，或ovp引脚上的电压高于过压阈值时都将关闭内部fet，从而断开输入和输出。
33.其中，前级电源vin经过第一tvs二极管d204、第四电容c209、第一磁珠fb202以及第三电容c210组成的clc电源滤波电路后得到稳定安全的电源，并输入到in引脚。
34.其中，ilim引脚连接串联的第四电阻r207和第五电阻r206后接入pgnd，负载电流通过上述两个电阻来感应电压进行监测。可分为两个不同的过电流保护级别：电流限制（ilimit）和快速跳闸阈值（i（fastrip）），通过电阻值配置阈值。在过流保护中，电流限制在由r（ilim）电阻器编程的电流限制（ilimit）内，发生短路时跳闸断开负载开关。
35.其中，flt引脚为故障标志输出，通过连接r209电阻上拉至vin，并连接发光二极管d202和限流电阻r210，当发生电路故障时，flt输出低电平，二极管点亮，便于检修和维护。
36.在一种具体的实施方式中，所述传感器接口电路包括第七电阻r301，所述第七电阻r301的第一端与传感器的输入引脚adc1连接，所述第七电阻r301的第二端分别与所述主控制器的adc采样输入引脚ain0、第七电容c301的第一端以及双向esd二极管d301的第一端连接，所述第七电容c301的第二端以及双向esd二极管d301的第二端连接到模拟地。
37.其中，第七电阻r301和第七电容c301组成一阶rc低通滤波电路，用于滤除高频谐振及噪声，减少信号采样的干扰以及电压电流的波动；双向esd二极管d301用于保护adc输入以使其免受一定的静电等过压事件的影响。
38.在一种具体的实施方式，所述隔离can收发接口电路包括两路can接口电路，其中一路为备用电路，用于连接更多的从控制器，每一路can接口电路包括双路pnp三极管，用于驱动can信号led指示灯，其中，所述双路pnp三极管的第一集电极c1依次连接第八电阻r307和第二发光二极管d305连接后接入系统地sgnd，所述双路pnp三极管的第一基极b1与第八
电阻r305连接后接入所述主控制器的can1_tx引脚，所述双路pnp三极管的第一发射极e1接入所述主控制器的3.3vcan引脚，所述双路pnp三极管的第二集电极c2依次连接第九电阻r304和第三发光二极管连接后接入系统地sgnd，所述双路pnp三极管的第二基极b2与第十电阻r306连接后接入所述主控制器的can1_rx引脚，所述双路pnp三极管的第二发射极e2接入所述主控制器的3.3vcan引脚；每一路can接口电路还包括隔离can收发器u301，隔离can收发器u301具有短路保护、过温保护以及总线显性超时保护，从而防止总线线路被驱动至永久显性状态而阻塞总有网络通信，其中，所述隔离can收发器u301的两个接地引脚gnd1分别与系统地sgnd和第二tvs二极管d306的第一端连接，所述隔离can收发器u301的vdd2sense引脚和所述第二tvs二极管d306的第二端接入所述主控制器的can1 pg引脚，其中，所述vdd2sense引脚是vdd2电源的反馈引脚，该引脚连接至主控制器的io口，用于监视can收发器连接的电源是否正常工作，所述隔离can收发器u301的rxd引脚分别与第三tvs二极管d313的第一端和所述主控制器的can1 px引脚连接，所述隔离can收发器u301的txd引脚分别与第四tvs二极管d314的第一端和所述主控制器的can1 tx引脚连接，所述隔离can收发器u301的vdd1引脚分别与第七电容c308的第一端和所述主控制器的3.3v can引脚连接，其中，所述第七电容c308是滤波电容，所述隔离can收发器u301的gnd1引脚、所述第三tvs二极管d313的第二端、所述第四tvs二极管d314的第二端以及所述第七电容c308的第二端接入系统地sgnd，所述隔离can收发器u301的vdd2引脚分别与第八电容c307的第一端和5v电源输入端连接，所述第八电容c307的第二端和所述隔离can收发器u301的gnd2引脚接地，所述隔离can收发器u301的canh引脚与第十一电阻r311连接后分别与第十二电阻r316的第一端以及从控制器连接，所述隔离can收发器u301的canl引脚与第十三电阻r315连接后与第十四电阻r317以及从控制器连接，所述第十二电阻r316的第二端和所述第十四电阻r317的第二段与第九电容c312连接后接入can信号地，所述隔离can收发器u301的gnd2引脚接can信号地。
39.在一种具体的实施方式中，所述隔离can收发接口电路还包括电源隔离电路，所述电源隔离电路包括第二磁珠fb301，所述第二磁珠fb301两端分别与3.3v系统电源和3.3vcan电源连接，从而将系统电源与can电源隔离。
40.基于上述公开的内容，本实施例通过设置高度集成的电机矩阵级联控制电路，使得控制器电路可搭配外设的灵活性高，即控制方式相同的电机（例如pwm控制的驱动电机）和传感器（例如磁编码器）均可适用于本发明中的控制电路；此外，本发明中各个电源分配配置了电源隔离保护电路（即负载开关），从而将电源输入通过负载开关分成几路进行隔离，从而增加了系统工作的稳定性，例如可避免电机工作时负载大，产生干扰影响系统电源，同时可以有效保护后级电路，当电机电源故障时自动关断电机电源而不影响其他电路；此外，本发明通过设置多个稳压电路，实现前级电源的降压和降噪，提高电路安全性。
41.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。