直流电机驱动电路及应用其的电机组件和固位器的制作方法

1.本技术涉及直流电机控制技术领域，具体而言，涉及一种直流电机驱动电路及应用其的电机组件和固位器。


背景技术：

2.目前的微创手术过程中，腹部牵开器、内窥镜等手术器械一般是由一个专门的助手扶持。人工持械的缺点是：增加手术室内的人数，使得手术室内空间更加拥挤；此外，人手持械很难适应时间较长的大型手术，因为时间稍长的话，肌肉疲劳，持械的人手会发抖，影响手术效果。因此，需要一种手术用固位器，用于辅助夹持手术器械。
3.如专利cn217310412u提供了一种手术用蛇形机械固位器，其通过驱动电机的正转和反转，控制拉杆组件的前后运动，从而控制蛇形机械臂缩紧状态和放松状态；一般采用h桥pwm驱动控制电机的正转与反转，并且能实现转速控制，现有的h桥电路通常是在软件中增加死区时间的设置防止同侧的mos管同时导通而造成mos的烧毁，但是软件容易被干扰，一旦程序跑飞，也会造成同侧mos直通烧毁mos。
4.相关技术中，采用两个控制模块实现h桥电路的正确导通与关闭，采用硬件实现电机的正反转、短路保护；然而在此方案中，单片机低压端和控制模块高压端直接连接，当高压端发生故障易烧坏单片机造成损失。


技术实现要素：

5.本技术的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本技术的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。
6.本技术的一些实施例提出了直流电机驱动电路及应用其的电机组件及固位器，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。
7.作为本技术的第一方面，本技术的一些实施例提供了一种直流电机驱动电路，包括：驱动模块，连接于驱动电源与电机之间以驱动电机转动；主控模块，用于至少输出正转信号或/和反转信号；第一控制模块，用于根据正转信号或/和反转信号控制驱动模块切换至第一状态以驱动电机正转；第二控制模块，用于根据反转信号或/和正转信号控制驱动模块切换至第二状态以驱动电机反转；直流电机驱动电路还包括：隔离模块，用于将主控模块与第一控制模块及第二控制模块隔离；其中，第一控制模块和第二控制模块分别通过隔离模块电性连接至主控模块。
8.进一步的，直流电机驱动电路还包括：保护模块，用于在驱动模块的电流值超过设定值时向第一控制模块或/和第二控制模块发送切断信号；其中，保护模块分别电性连接至第一控制模块和第二控制模块。
9.进一步的，保护模块包括：放大器，用于将驱动模块的检测电流进行放大输出；比较器，用于将放大器放大输出的电压与预设电源电压进行比较以输出电平信号；放大器连
接至比较器的输入端，比较器连接至第一控制模块和第二控制模块。
10.进一步的，保护模块还包括：光电耦合器，用于根据主控模块输入的切断信号输出电平信号至第一控制模块和第二控制模块；光电耦合器的输入端连接至主控模块，光电耦合器的输出端连接至第一控制模块和第二控制模块。
11.进一步的，隔离模块包括第三芯片u3，第三芯片u3的第1脚vf1 通过电阻r1连接至主控模块，第三芯片u3的第2脚vf1-通过电阻r5接地，第三芯片u3的第3脚vf2-通过电阻r6接地，第三芯片u3的第4脚vf2 通过电阻r7接到主控模块，第三芯片u3的第 5脚gnd接地，第三芯片u3的第6脚vo2通过电阻r8连接至第一控制模块，第三芯片u3 的第7脚vo1通过电阻r4接到第二控制模块,同时第三芯片u3的第6脚vo2通过电阻r3 上拉到vcc，第三芯片u3的第7脚vo1通过电阻r2上拉到vcc，第三芯片u3的第8脚vcc 连接到vcc的同时通过电容c1接到地。
12.进一步的，第一控制模块包括第一芯片u1和电阻r8,第一芯片u1的第2脚in通过电阻r8连接至第三芯片u3的第6脚vo2，第一芯片u1的第1脚vcc连接至12v电源并通过电容c4接地，同时12v电源通过电阻r1boot、二极管d1boot连接至第一芯片u1的第 8脚vb,第一芯片u1第8脚vb通过电容c9连接至第一芯片u1的第6脚vs。
13.进一步的，第二控制模块包括第二芯片u1和第四电阻r4，第二芯片u1的第2脚in 通过电阻r4连接至第三芯片u3的第7脚vo1，第二芯片u2的第1脚vcc连接至12v电源并通过电容c7接地，同时12v电源通过电阻r2boot、二极管d2boot连接至第二芯片u2 的第8脚vb,第二芯片u2第8脚vb通过电容c8连接至第二芯片u2的第6脚vs。
14.进一步的，电机驱动模块包括h桥驱动电路，h桥驱动电路一端接vcc_24v电源，另一端通过电阻rs接地；h桥驱动电路包括设置在h桥四条边上的第一mos场效应管q1、第二mos场效应管q2、第三mos场效应管q3及第四mos场效应管q4；其中，第一mos场效应管q1的栅极通过电阻r1gate连接至第一芯片u1的第7脚ho，同时第一mos场效应管q1的栅极和源极通过电阻r1gs连接；第二mos场效应管q2的栅极通过电阻r2gate连接至第一芯片u1的第5脚lo，同时第二mos场效应管q2的栅极和源极通过电阻r2gs连接；第三mos场效应管q3的栅极通过电阻r3gate连接至第二芯片u2的第7脚ho，同时第三mos场效应管q3的栅极和源极通过电阻r3gs连接；第四mos场效应管q4的栅极通过电阻r4gate接到第二芯片u2的第5脚lo，同时第四mos场效应管q4的栅极和源极通过电阻r4gs连接。
15.作为本技术的第二方面，本技术的一些实施例提供了一种电机组件，包括如上述任一项的直流电机驱动电路、电机以及电流信号检测端口pu_i；其中，电机连接至驱动模块，电流信号检测端口pu_i设置于驱动模块。
16.作为本技术的第三方面，本技术的一些实施例提供了一种固位器，包括：包括如第二方面提供的电机组件、控制器以及固位器本体，控制器通过电流信号检测端口pu_i 检测电流大小，并将检测的电流与预设的电流阈值进行比较进而控制直流电机驱动电路中电机的状态。
17.本技术的有益效果在于：提供了一种能够将主机模块低压端和控制模块高压端隔离开以实现故障保护的直流电机驱动电路、应用其的电机组件及固位器。
附图说明
18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
19.另外，贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。
20.在附图中：
21.图1是根据本技术一种实施例的直流电机驱动电路的整体模块示意图；
22.图2是根据本技术一种实施例的直流电机驱动电路的的电路图；
23.图中附图标记的含义为：
24.100、直流电机驱动电路；
25.101、驱动模块；102、主控模块；103、第一控制模块；104、第二控制模块；105、隔离模块；106、保护模块；
26.21、电机。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
28.另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
29.需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
30.需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
31.本公开实施方式中的多个模块之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。
32.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
33.如图1所示，本技术的直流电机驱动电路100包括：驱动模块101、主控模块102、第一控制模块103、第二控制模块104及隔离模块105等；驱动模块连接于驱动电源与电机之间以驱动电机转动；主控模块用于至少输出正转信号或/和反转信号，具体的，主控模块至少包括一个mcu；第一控制模块用于根据正转信号或/和反转信号控制驱动模块切换至第一状态以驱动电机正转；第二控制模块用于根据反转信号或/和正转信号控制驱动模块切换至第二状态以驱动电机反转；通过第一控制模块和第二控制模块，实现驱动模块的正确开通与关闭；第一控制模块和第二控制模块分别通过隔离模块电性连接至主控模块，使得隔离模块能够将主控模块与第一控制模块及第二控制模块隔离。
34.作为具体的方案，隔离模块包括第三芯片u3，第三芯片u3的第1脚vf1 通过电阻r1 连接至mcu，第三芯片u3的第2脚vf1-通过电阻r5接地，第三芯片u3的第3脚vf2-通过电阻r6
接地，第三芯片u3的第4脚vf2 通过电阻r7接到mcu，第三芯片u3的第5脚 gnd接地，第三芯片u3的第6脚vo2通过电阻r8连接至第一控制模块，第三芯片u3的第 7脚vo1通过电阻r4接到第二控制模块,同时第三芯片u3的第6脚vo2通过电阻r3上拉到vcc，第三芯片u3的第7脚vo1通过电阻r2上拉到vcc，第三芯片u3的第8脚vcc连接到vcc的同时通过电容c1接到地。
35.采用这样的方案，在主控模块和控制模块之间设置一个隔离模块，主控模块的信号输出到隔离模块，隔离模块隔离后再输出给控制模块，这样就避免了单片机和控制模块直接连接，避免了高低压之间的电气连接，同时控制模块、驱动模块有故障时也不会影响到主控模块，主控模块有故障问题也不会直接传到控制模块和驱动模块，有效避免了相互干扰，也避免了高压端有问题烧坏单片机等低压芯片减少了损失。
36.作为隔离模块的另一种实施方式，隔离模块采用光耦将与主控模块与控制模块隔离。
37.作为具体的方案，第一控制模块包括第一芯片u1和电阻r8,第一芯片u1的第2脚 in通过电阻r8连接至第三芯片u3的第6脚vo2，第一芯片u1的第1脚vcc连接至12v 电源并通过电容c4接地，同时12v电源通过电阻r1boot、二极管d1boot连接至第一芯片 u1的第8脚vb,第一芯片u1第8脚vb通过电容c9连接至第一芯片u1的第6脚vs。
38.作为具体的方案，第二控制模块包括第二芯片u1和第四电阻r4，第二芯片u1的第 2脚in通过电阻r4连接至第三芯片u3的第7脚vo1，第二芯片u2的第1脚vcc连接至 12v电源并通过电容c7接地，同时12v电源通过电阻r2boot、二极管d2boot连接至第二芯片u2的第8脚vb,第二芯片u2第8脚vb通过电容c8连接至第二芯片u2的第6脚vs。
39.作为具体的方案，电机驱动模块包括h桥驱动电路，h桥驱动电路一端接vcc_24v电源，另一端通过电阻rs接地。
40.h桥驱动电路包括设置在h桥四条边上的第一mos场效应管q1、第二mos场效应管q2、第三mos场效应管q3及第四mos场效应管q4；其中，第一mos场效应管q1的栅极通过电阻r1gate连接至第一芯片u1的第7脚ho，同时第一mos场效应管q1的栅极和源极通过电阻r1gs连接；第二mos场效应管q2的栅极通过电阻r2gate连接至第一芯片u1的第5 脚lo，同时第二mos场效应管q2的栅极和源极通过电阻r2gs连接；第三mos场效应管 q3的栅极通过电阻r3gate连接至第二芯片u2的第7脚ho，同时第三mos场效应管q3的栅极和源极通过电阻r3gs连接；第四mos场效应管q4的栅极通过电阻r4gate接到第二芯片u2的第5脚lo，同时第四mos场效应管q4的栅极和源极通过电阻r4gs连接。
41.具体而言，所述第一mos场效应管q1、第二mos场效应管q2、第三mos场效应管q3 和第四mos场效应管q4的型号分别为nmos。
42.作为优选的方案，直流电机驱动电路还包括保护模块106，保护模块分别电性连接至第一控制模块和第二控制模块，用于在h桥驱动电路的电流值超过设定值时向第一控制模块或/和第二控制模块发送切断信号。
43.作为具体的方案，保护模块包括：放大器及比较器；放大器，用于将检测的h桥驱动电路的检测电流进行放大输出；比较器，用于将放大器放大输出的电压与预设电源电压进行比较以输出电平信号；放大器连接至比较器的输入端，比较器连接至第一控制模块和第二控制模块。
44.具体而言，在h桥驱动电路设置有电流信号检测端口pu_i以检测h桥驱动电路的实
时电流值，pu_i端电流经放大器u6b放大输出给u4，u4将放大器u6b放大输出的电压与预设电源电压3v3比较后输出电平信号；当u4输出高电平时，驱动模块正常运行，当u4 输出低电平时将shundown拉低，同时与第一、第二控制模块连接的shundown也为低电平，关断控制模块输出，进而关断驱动模块，保护了直流电机驱动电路，
45.当然，作为驱动模块的另一种控制方式，主控模块在获得过流、过温、过压、欠压等信号后，给保护模块信号关断控制模块输出或者主控模块直接关断控制模块输出，进而关断驱动模块起到以保护本技术的直流电机驱动电路。
46.作为优选的方案，保护模块还包括光电耦合器，光电耦合器的输入端连接至主控模块，光电耦合器的输出端连接至第一控制模块和第二控制模块，用于根据主控模块输入的切断信号输出电平信号至第一控制模块和第二控制模块。
47.具体而言，光电耦合器u5的第1脚通过电阻r16接到单片机，光电耦合器u5的第2 脚通过电阻r22接地，光电耦合器u5的第3脚接地，光电耦合器u5的第4脚通过电阻r11 上拉到vcc，且光电耦合器u5的第4脚连接到第一芯片u1的第3脚shundow和第二控制模块第二芯片u2的第3脚shundown。
48.本技术直流电机短路保护的具体原理为：
49.1)第一信号输入端vo2和第二信号输入端vo1若同时为高电平状态，同时信号shundow 也为高电平。
50.此时第一芯片u1的7脚ho输出为高电平，同时u1的5脚lo输出为与u1的7脚互补信号；第二芯片u2的7脚ho输出为高电平，同时u2的5脚lo输出为与u2的7脚互补信号，第一mos场效应管q1和第三mos场效应管q3同时导通，第二mos场效应管q2 和第四mos场效应管q4同时关闭。
51.或者第一芯片u1的7脚ho输出为低电平，同时u1的5脚lo输出为与u1的7脚互补信号，第二芯片u2的7脚ho输出为低电平，同时u2的5脚lo输出为与u2的7脚互补信号，第一mos场效应管q1和第三mos场效应管q3同时关闭，第二mos场效应管q2 和第四mos场效应管q4同时导通。
52.2)信号shundown为低电平，不管第一信号输入端vo2和第二信号输入端vo1是高电平还是低电平。
53.第一芯片u1的7脚ho输出为低电平，同时u1的5脚lo输出为低电平，第二芯片u2 的7脚ho输出为低电平，同时u2的5脚lo输出为低电平，第一mos场效应管q1、第三 mos场效应管q3、第二mos场效应管q2、第四mos场效应管q4，4个mos场效应管同时关闭。
54.这样避免了第一mos场效应管q1、第二mos场效应管q2、第三mos场效应管q3和第四mos场效应管q4因同时导通造成的短路风险，实现vcc_24v电源和h桥驱动电路的安全工作。
55.综上，本技术的直流驱动电路具有以下优势：
56.1.主机模块每路信号都经隔离后输出给控制模块，控制模块输出两路互补信号给驱动模块，这样避免了驱动模块单边直通烧坏电机、驱动模块及控制模块，保证了本技术直流电机驱动电路的正常运行；同时可以实现刹车制动，储能自锁等功能。
57.2.检测到pu_i端电流超过设定值，硬件直接拉低控制模块shundown端使控制模块没有输出给到电机驱动模块使直流电机驱动电路停止工作实现故障保护；也可以通过主机模块输出信号给光耦模块使光耦导通拉低控制模块shundown端使控制模块没有输出，同样
达到保护本系统目的。
58.基于以上实施例提供的直流驱动电路，本技术实施例还提供了一种电机组件，本技术实施例提供的电机组件包括以上实施例提供的直流驱动电路、电机以及电流信号检测端口 pu_i；其中，电机连接至h桥驱动电路，且电机连接在在h桥驱动电路的中心处，电流信号检测端口pu_i设置于h桥驱动电路。将直流驱动电路应用在电机上，可以实现电机的正反转、短路保护以及自锁保护。
59.本实施例提供的电机组件具有自锁保护功能，具体为：
60.当第一信号输入端vo2和第二信号输入端vo1正常工作时，电机通过第一mos场效应管q1、第四mos场效应管q4或者第二mos场效应管q2、第三mos场效应管q3同时导通带动固位器系统进行锁紧或者放松运行；控制器通过检测“pu_i”(电机电流信号)判断超过阀值后同时改变控制信号“第一信号输入端vo2和第二信号输入端vo1”为低电平，第一芯片u1的7脚ho输出为低电平，同时u1的5脚lo输出为与7脚ho互补电平，第二芯片u2的7脚ho输出为低电平，同时u2的5脚lo输出为与7脚ho互补电平，第一mos 场效应管q1和第三mos场效应管q3同时关闭，第二mos场效应管q2和第四mos场效应管q4同时导通，电机两接线端短路，此时相当于电机接上无限大的负载，若电机异常转动其自身的闭环电流无限大而切割磁感线阻碍自身转动达到自锁功能。
61.本实施例提供的电机组件具有关闭储能功能，具体为：
62.当电机关闭时由于磁场不能突变而产生巨大的尖峰电压，此时通过h桥驱动电路中第一mos场效应管q1、第二mos场效应管q2、第三mos场效应管q3和第四mos场效应管q4 的体二极管将磁场能量存储到vcc_24v电源中，提高效率。
63.基于以上实施例提供的电机组件，本技术实施例还提供了一种固位器，固位器结构参考cn217310412u，其用于夹持固定牵开器、内窥镜、举宫器等医疗器械。本技术实施例提供的固位器包括以上实施例提供的电机组件、控制器以及固位器本体，电机组件和控制器安装于固位器本体，控制器通过电流信号检测端口pu_i检测电流大小，并将检测的电流与预设的电流阈值进行比较进而控制直流电机驱动电路中电机的状态。
64.以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。