CN101377400B - 基于电磁传感技术的小型数字伺服机 - Google Patents

Abstract

一种基于电磁传感技术的小型数字伺服机，包括上盖(10)、中盖(20)、下盖(30)、电路板(304)和电机(303)，其特征是所述的电路板(304)上安装有磁感应电路(302)，该磁感应电路(302)与电路板(304)及电机(303)相互之间电气相连，在磁感应电路(302)的上方安装有磁柱(300)，磁柱(300)与驱动轴(301)相连，驱动轴(301)上安装有作为齿轮减速装置(1)输出的输出齿轮(101)，齿轮减速装置(1)的输入齿轮与电机齿轮(105)相啮合，该齿轮减速装置(1)位于上盖(10)和中盖(20)组成的空间中。本发明具有线性度好、耐温性高、寿命长的优点。

Description

基于电磁传感技术的小型数字伺服机 

技术领域

本发明涉及一种伺服机，尤其是一种不采用电位器阻值变化作为计算转角的小型或超小型数字伺服机，具体地说是一种基于电磁传感技术的小型(微小型或超微形)数字伺服机。 

背景技术

众所周知，伺服机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号，然后输出精确的控制位移角度，适用于那些需要角度，方向不断变化并能够保持的控制系统。伺服机作为运动方向的控制部件，最早出现在航空模型领域。伺服机是用来控制舵面的伺服电机。伺服机本质上是可定位的电机，当接受到一个位置指令，就会运动并定位于该指定位置。传统的伺服机转动角度和位置的测量是依靠电位器阻值的变化来加以确定的，而电位器又可分为直滑式和旋转式两种，机构组成大体有：电阻片、折动子、轴心、外壳和端子组成。电位器在使用上来说主要在电路中起分压和分流的作用。传统的伺服机中均是采用电位器的作用是在伺服机驱动电机的带动下起着校准脉冲的作用，但是由于电位器生产工艺流程的限制，一般使用电位器会出现如下的问题：1、线性度不够良好；2、阻值变化不均匀；3、磨损寿命不长；4、装配后不能修改回中偏差；此外，由于电阻值受温度影响较大，因此，电位器式伺服机的适合使用的环境温度较低，一般不超过40°C正是由于这些原因，导致现有的伺服机的精度和寿命，尤其是重复定位精度及对中度较差，致使伺服机的应用受到较大的限制。而采用电磁传感技术利用非接触式信号采集来替换传统电位器是一种较好的解决方法，据申请人所知，目前尚没有一种此类伺服机可供使用。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的电位器式伺服机存在的精度低、寿命短的问 题，设计一种非接触、长寿命的基于电磁传感技术的小型(包括微小型或超微形)数字伺服机。 

本发明的技术方案是： 

一种基于电磁传感技术的小型数字伺服机，包括上盖10、中盖20、下盖30、电路板304和电机303，电机303和电路板304固定在下盖30和中盖20组成的空间中，电机303固定在中盖20上，作为动力源的电机303的输出端伸入由上盖10和中盖20组成的空间中并安装有电机齿轮105，其特征是所述的电路板304上安装有磁感应电路302，该磁感应电路302与电路板304及电机303相互之间电气相连，在磁感应电路302的上方安装有磁柱300，磁柱300与驱动轴301相连，驱动轴301上安装有作为齿轮减速装置1输出的输出齿轮101，齿轮减速装置1的输入齿轮与电机齿轮105相啮合，该齿轮减速装置1位于上盖10和中盖20组成的空间中。 

所述的输出齿轮101为双联齿轮，其上部的小齿轮伸入上盖10上的通孔中。 

所述的驱动轴301的上端伸入上盖10上的通孔中。 

所述的齿轮减速装置1由第一双联变速齿轮102、第二双联变速齿轮103、和第三双联变速齿轮104和输出齿轮101组成，第一双联变速齿轮102中的大齿轮与电机齿轮105相啮合，第一双联变速齿轮102中的小齿轮与第二双联变速齿轮103中的大齿轮相啮合，第二双联变速齿轮103中的小齿轮与第三双联变速齿轮104中的大齿轮相啮合，第三双联变速齿轮104中的小齿轮与输出齿轮101相啮合，输出齿轮101固定在驱动轴301位于上盖10和中盖20的一端上，第三双联变速齿轮104和第一双联变速齿轮102间隔套装在一端固定在中盖20上的一级齿轮轴上，第三双联变速齿轮104在上，第一双联变速齿轮102在下，第二双联变速齿轮103则套装在一端固定在中盖20上的二级齿轮轴上。 

本发明的有益效果： 

本发明的伺服机与传统的电位器式伺服机相比具有：

1、线性度好；2、不存在阻值变化的；3、由于采用非接触式结构，不存在磨损问题，因此使用寿命可大大延长；4、装配后可能通过软件设置进行回中偏差修正；5、它可以对360°范围内的角度进行精确的测量，并且能够通过外部电路和特有的程序控制，来满足不同的要求。此产品十分适合于从几度至一整圈360°角度范围的应用。6、使用范围广，本发明可用于机器人技术、阀门控制装置、无接触式旋转位置检测、汽车工业中的节流阀位置传感器、油门/刹车踏板位置检测及头灯位置控制等等。7、本发明的伺服机可在高温条件下正常工作，使得伺服机的工作环境温度从-10°C至+40°C提高到-40°C至+125°C，大大拓展了其应用范围。 

附图说明

图1是传统的电位器式伺服机的线性度曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 

如图1所示。 

一种基于电磁传感技术的小型数字伺服机，包括上盖10、中盖20、下盖30、电路板304和电机303，上盖10、中盖20和下盖30通过连接螺钉或螺栓连接成一个整体，电机303和电路板304固定在下盖30和中盖20组成的空间中，电路板304可采用与常见的伺服机相同的电路板通过修改相应的电容电阻等电子元器件加以实现，电机303固定在中盖20上，作为动力源的电机303的输出端伸入由上盖10和中盖20组成的空间中并安装有电机齿轮105，所述的电路板304上安装有磁感应电路302(可采用型号为AS5043的集成芯片，辅以外围电路或教科书上常见的磁感应电路加以实现)，该磁感应电路302与电路板304及电机303相互之间电气相连，在磁感应电路302的上方安装有磁柱300(一般采用永久磁铁)，磁柱300与驱动轴301相连，驱动轴301上穿过中盖20后伸入中盖20和上盖10组成的空间中，其上端安装有作为齿轮减速装置1输出的输出齿轮101(可采用双联齿轮)，输出齿轮101 带动驱动轴301转动的同时带动磁柱300转动，从而使感应电路302中磁场的方向发生变化，其具体的工作原理如下所述，具体实施时为了使驱动轴301同时起到动力作用，可直接将驱动轴301的上端伸入上盖10上的通孔中，也可将与输出齿轮101双联的小齿轮106伸入上盖10上通孔中，摇臂可直接与驱动轴301的上端或输出齿轮101上的双联小齿轮相连，通过驱动轴301或小齿轮106带动摇臂转动。所述的齿轮减速装置1可根据电机转速和所述的驱动轴301的速度利用齿轮减速原理，通过合理的降速比配置进行设计。本实施的齿轮减速装置1由第一双联变速齿轮102、第二双联变速齿轮103、和第三双联变速齿轮104和输出齿轮101组成，第一双联变速齿轮102中的大齿轮与电机齿轮105相啮合，第一双联变速齿轮102中的小齿轮与第二双联变速齿轮103中的大齿轮相啮合，第二双联变速齿轮103中的小齿轮与第三双联变速齿轮104中的大齿轮相啮合，第三双联变速齿轮104中的小齿轮与输出齿轮101相啮合，输出齿轮101固定在驱动轴301位于上盖10和中盖20的一端上，第三双联变速齿轮104和第一双联变速齿轮102间隔套装在一端固定在中盖20上的一级齿轮轴上，第三双联变速齿轮104在上，第一双联变速齿轮102在下，第二双联变速齿轮103则套装在一端固定在中盖20上的二级齿轮轴上。 

具体实施时，上盖、中盖和下盖可采用透明的ABS材料制造，各齿轮可采用POM材料注塑成型。 

详述如下： 

如图1，本发明的伺服机主体自上而下包括上盖10，中盖20，下盖30，中盖呈矩形箱体状，上盖10和下盖30的两相对端略有削尖，其中上盖10的四角处设有安装孔(图中没有标示)，中盖20的四角处设有贯通的安装孔(图中也没有标示)，下盖30同样于的四角处设有安装孔，4颗螺丝(图中仅标注了2颗螺丝305)自下而上的贯穿下盖，中盖和下盖，从而将下盖，中盖，上盖组合连接在一起。在上盖10和中盖20的空间内组装有齿轮减速装置1。在中盖20和 下盖30的空间内组装有磁铁300、起到连接作用的圆柱形驱动轴301、感应电路302、电机303和线路板304。 

本发明的工作过程大致如下： 

当外部信号通过信号线向电路板304传输信号后，电路板304接收到信号后向电机303输入信号，并启动电机303，电机30通过齿轮减速装置1带动输出齿轮101运动，输出齿轮101通过驱动轴301带动其下端的磁柱300运动，产生磁场的变化，磁柱正下方的磁感应电路302通过磁场的变化进行检测，通过磁感应电路302的数字输出可以准确的测量驱动轴301转动相对增量(进而得到舵板的转动增量)，然后将信号反馈到电路板302中进入处理后控制整个伺服机的运动，使其能够精确旋转到预定方向(或位置)。同时配合单片机计时，伺服机可以自己测量自己的角速度，方便自我检验，同时也可对单片机进行编程，进而满足不同用户的需求。 

以下是本发明的磁传感式伺服机与传统的电位器式伺服机的性能比较实验。 

1、线性度比较。 

电位器式伺服机因电位器的生产问题，总阻值个体间不能稳定，而且由于碳膜印刷的问题，所以电位器的线形度根本达不到伺服机所要求的线性度，而采用本发明的电磁传感技术的伺服机不管外界如何，始终都是均匀的将360度或180度或90度分为1024份后再与磁场对应，因此能够做到严格的线性。 

2、耐久度比较。 

电位器式伺服机的电位器内部是由金属簧片与碳膜接触来进行调节控制的，因此肯定存在一定的机械磨损，而本发明的电磁传感器式伺服机，由于使用磁场做角度判断，两者间无任何的直接接触。所以磨损可以说基本是0，从而可大幅度地提高伺服机的使用时间。 

3、装配后回中偏差修正比较。 

电位器式伺服机因为电位器的问题，中立时舵盘的位置并不是和外壳侧边线成90度的关系。这既有装配的问题，也有电位器本身阻值偏差的问题。但使用本发明的电磁传感技术后，由于具有中点设定功能，可以将任意的位置设为中点，通过设置，舵盘的位置就可以保证是和外壳边线一定是成90度关系的。 

4、使用环境比较 

传统的电位器式伺服机考虑到电位器的碳膜结构，只能在-10°C至+40°C左右的环境下工作，本发明的电磁传感器式伺服机由于采用的是磁铁，磁场强度和方向不会受温度的影响而发生变化，因此它能在-40°C至+125°C的环境温度下工作，极大的提高了使用环境，能够适应各种恶劣条件下的工作。 

5、可靠性比较。 

电位器式伺服机由于电位器内部接触不良或电阻碳膜面磨损会造成抖舵现象，因此一般不能够使用在精密的医疗设备，高精度的工业生产中，而本发明的基于电磁感应的伺服机由于是通过电磁感应来驱动伺服机的工作，因此伺服机受到的干扰仅需要考虑磁场的干扰。磁感应电路表面处的磁场强度差为±75mT。在这个范围的基础上，还允许存在由意外的外部杂散磁场导致的±5mT额外偏移量。如果信号的场强超出了推荐范围以外，感应电路仍能够继续工作，但输出的线性度会下降。磁场过强会使内部前置放大器产生饱和效应，因此会导致测量误差。而一般的电磁干扰不会对使用有什么影响，除非是强电磁，不过这个强电磁环境的标准是很高的，生活中很难遇到，因此本伺服机可适用于多种特殊条件下的工作。 

综上所述，本发明过上述实施例和相关图式说明，以及对比测试，已经详细具体的揭露了相关技术，完全可以使现有的伺服机的性能有很大程度的提升，并延长使用寿命。 

本发明的保护利范围由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元器件的改变或等效元器件的代替等仍都应属于本发明专利的保护范围内。 

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种基于电磁传感技术的小型数字伺服机，包括上盖(10)、中盖(20)、下盖(30)、电路板(304)和电机(303)，电机(303)和电路板(304)固定在下盖(30)和中盖(20)组成的空间中，电机(303)固定在中盖(20)上，作为动力源的电机(303)的输出端伸入由上盖(10)和中盖(20)组成的空间中并安装有电机齿轮(105)，其特征是所述的电路板(304)上安装有磁感应电路(302)，该磁感应电路(302)与电路板(304)及电机(303)相互之间电气相连，在磁感应电路(302)的上方安装有磁柱(300)，磁柱(300)与驱动轴(301)相连，驱动轴(301)上安装有作为齿轮减速装置(1)输出的输出齿轮(101)，齿轮减速装置(1)的输入齿轮与电机齿轮(105)相啮合，该齿轮减速装置(1)位于上盖(10)和中盖(20)组成的空间中；所述的齿轮减速装置(1)由第一双联变速齿轮(102)、第二双联变速齿轮(103)、和第三双联变速齿轮(104)和输出齿轮(101)组成，第一双联变速齿轮(102)中的大齿轮与电机齿轮(105)相啮合，第一双联变速齿轮(102)中的小齿轮与第二双联变速齿轮(103)中的大齿轮相啮合，第二双联变速齿轮(103)中的小齿轮与第三双联变速齿轮(104)中的大齿轮相啮合，第三双联变速齿轮(104)中的小齿轮与输出齿轮(101)相啮合，输出齿轮(101)固定在驱动轴(301)位于上盖(10)和中盖(20)的一端上，第三双联变速齿轮(104)和第一双联变速齿轮(102)间隔套装在一端固定在中盖(20)上的一级齿轮轴上，第三双联变速齿轮(104)在上，第一双联变速齿轮(102)在下，第二双联变速齿轮(103)则套装在一端固定在中盖(20)上的二级齿轮轴上。

2.根据权利要求1所述的基于电磁传感技术的小型数字伺服机，其特征是所述的输出齿轮(101)为双联齿轮，其上部的小齿轮伸入上盖(10)上的通孔中。

3.根据权利要求1所述的基于电磁传感技术的小型数字伺服机，其特征是所述的驱动轴(301)的上端伸入上盖(10)上的通孔中。

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