CN101865697A - 基于步进电机的小型两轴转台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于步进电机的小型两轴转台，属于运动仿真，惯导设备检测领域。主要包括底座、下部支撑结构、下层电机及U型外框、上层电机及上轴系、安装架及电气系统。下层电机垂直放置，上层电机水平放置。DSP分别发送脉冲控制信号给两个驱动器来驱动上下两个步进电机。安装架上可放置陀螺仪和加速度计等惯导检测组合，并通过DSP的串口读入数据，经处理再上传给上位机。本发明的小型两轴转台误差小、精度高，能够模拟两轮机器人的摇摆姿态，并作为检验姿态信息算法优劣的试验平台，并可作为类似相关运动仿真的试验平台。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于步进电机的小型两轴转台，属于运动仿真，惯导设备检测领域。
背景技术
转台作为一种重要的运动仿真及惯导测试设备，主要用于陀螺测试及姿态仿真，评测陀螺仪的性能和质量，作为摇摆台模拟飞行器、车体或船只等运载体的横、纵摇摆运动，实时测量并显示摇摆角参数。
转台是进行模拟、运动仿真、测试的关键设备，传统惯导测试转台的研制是一项极为复杂的技术，采用气浮轴承、磁悬浮支撑结构，力矩电机直接驱动、多相感应马达或涡轮蜗杆通过伺服电机来驱动，光栅、端齿盘或感应同步器和光学编码器的组合作为角位置测量元件，利用复杂的先进的控制算法，从而实现高精度的测量需求。这些转台精度高，但研发周期长，体积大，造价昂贵。于是，往往结合实际需要，研发一些小型的运动仿真及惯导测试设备，本发明就是基于两轮自平衡机器人姿态检测技术的研究需求自行研发的小型两轴转台。
发明内容
本发明设计了一种基于步进电机的小型两轴转台，通过步进电机细分驱动器提高步进电机的步距精度，不使用传动件，使步进电机直接驱动旋转框架，减少定位误差。利用步进电机误差不累积的特点，采用优质的相对大功率的电机，以及编码器作为闭环反馈，避免失步带来的误差。
本发明的目的是设计一种能够模拟两轮机器人的摇摆姿态，并作为检验姿态信息算法优劣的试验平台。并可作为类似相关运动仿真的试验平台。本平台包括机械结构和电气系统。
本发明的技术方案如下：
一种基于步进电机的小型两轴转台。其特征在于：包括固定转台的底座、下电机支撑架、下层电机、U型外框、上层电机、上轴系、安装架、下层电机驱动器、上层电机驱动器、DSP控制器、24V开关电源以及电源分配器；其中，下电机支撑架、下层电机驱动器、上层电机驱动器、DSP控制器、24V开关电源以及电源分配器均直接固定连接在底座上，下电机支撑架顶部固定连接有下层电机，下层电机上固定连接有U型外框，U型外框上设置有上轴系以及上层电机；下层电机垂直放置，带动U型外框转动，模拟航向角，上层电机水平放置，与下层电机正交姿态，上层电机带动安装架绕水平线旋转，模拟俯仰角；DSP控制器分别控制两个驱动器来驱动上下两个电机。
所述U型外框由底板、支撑端侧板、电机端侧板组成；底板上加工有槽，两个侧板底部卡在槽中，再由螺钉固定；底板与下层电机固定相连，底板中部有孔，与下层电机的中空孔同轴，便于上层电机的布线；两个侧板上均设置有同轴孔用于固定轴。
所述上轴系提出了两套解决方案：
(1)所述上轴系包括电机端轴系、支撑端轴系和安装架，所述电机端轴系两侧分别固定连接支撑端轴和上层电机，所述支撑端轴系固定连接另一支撑端轴；所述安装架包括一对侧板和安装面板，侧板分别与两侧的支撑端轴相连，传感器安装于安装面板上；安装架侧板上下端均设置有四个孔，从而使转台成为分体式结构I型转台。其中，U型平台支撑端侧板下部留有两孔与垂直放置时的安装架侧板上两孔同轴，可通过安装架侧板上空闲的一孔与U型外框紧定，保持安装架与U型外框的相对静止。
(2)所述上轴系包括电机端轴系、支撑端轴系，所述电机端轴系两侧分别固定连接轴和上层电机，所述支撑端轴系固定连接轴另一端；所述轴中间部分切除一半，露出一个平面，传感器安装上面板后通过预留的螺纹孔固定在轴上，从而使转台成为一体式结构II型转台。
分体式便于组装，安装面积大。一体式结构简单，安装误差小。而且两套方案中除了轴不同，其他零件可共用，可以根据不同情况分别实施。
所述电机皆为步进电机；所述下层电机选用中空的一体式旋转平台，避免了直接使用电机驱动，支撑平稳，容许转矩提高，容许轴向负载、容许静力矩提高，并实现无齿隙的高精度定位。结构简洁，中空的口径又方便布线。且所述下层电机采用不失步电动机，内部带有闭环装置，内藏检测转子位置的传感器，会自动切换，在即将失步时转为闭环控制，而且急速负载变动，紧急加速也不微振；所述上层电机带有光电编码器，能随时检测电机的状态。
所述底座为普通铸铁材料；所述下电机支撑架采用优质45#碳素钢加工而成，两个规格一样的支撑架平行放置，下层电机水平置于其上，由螺钉跟支架及底座固定；所述轴采用优质碳素钢加工，U型外框及其它上层部件均采用高强度硬铝加工而成。
采用TI的C2000系列DSP控制器控制电机，功能丰富，运算速度高，数字信号处理能力强，上位机通过DSP控制电机，同时DSP接收处理安装架上传感器的数据，再上传给上位机，进行对比。
有益效果
本发明的基于步进电机的小型两轴转台的上下两轴系采用经典的U-T结构，通过步进电机细分驱动器提高步进电机的步距精度，其不使用传动件，使步进电机直接驱动旋转框架，减少了定位误差。
附图说明
图1本发明基于步进电机的小型两轴转台(I型)结构图；
图2本发明轴系-支撑端剖面图；
图3本发明轴系-电机端剖面图；
图4本发明安装架结构图；
图5本发明U型外框与上轴安装架固定用小孔示意图；
图6本发明基于步进电机的小型两轴转台II型结构图；
图7本发明II型结构上轴系剖面图；
图8本发明基于步进电机的小型两轴转台电气结构框图；
图9本发明基于步进电机的小型两轴转台控制流程图；
图10(a)本发明转台I型上视图；
图10(b)本发明转台I型左视图；
图11(a)本发明转台II型前视图；
图11(b)本发明转台II型上轴系上视图；
图11(c)本发明转台II型右视图；
图12本发明电机安装座示意图。
图中：1-转台底座，2-下层电机支架，3-下层电机，4-U型外框，5-上层电机，6-II型轴，7-电机端轴系，8-支撑端轴系，9-I型安装架，10-下层电机驱动器，11-上层电机驱动器，12-DSP控制器，13-24V开关电源，14-电源分配器，15-支撑端端盖，16-支撑端轴用弹性挡圈，17-I型支撑端轴，18-U型框支撑端侧板，19-I型电机端轴，20-U型框电机端侧板，21-滚动轴承，22-轴承端盖，23-电机安装座，24-轴承套管，25-安装架侧板，26-安装架面板，27-亚克力安装面板。
具体实施方式
下面结合附图1-12，对本发明进一步说明实施例：
本发明的一种基于步进电机的小型两轴转台，包括固定转台的底座1、下电机支撑架2、下层电机3、U型外框4、上层电机5、上轴系、安装架9、下层电机驱动器10、上层电机驱动器11、DSP控制器12、24V开关电源13以及电源分配器14；其中，下电机支撑架2、下层电机驱动器10、上层电机驱动器11、DSP控制器12、24V开关电源13以及电源分配器14均直接固定连接在底座1上，下电机支撑架2顶部固定连接有下层电机3，下层电机3上固定连接有U型外框4，U型外框4上设置有上轴系以及上层电机5；下层电机3垂直放置，带动U型外框4转动，模拟航向角，上层电机5水平放置，与下层电机3正交姿态，上层电机5带动安装架9绕水平线旋转，模拟俯仰角；DSP控制器12分别控制两个驱动器10、11来驱动上下两个电机3、5。
首先结合图1说明本发明的电气部分。本发明的电气部分包括下层步进电机3、上层步进电机5、下层步进电机驱动器10、上层步进电机驱动器11、DSP控制器12、24V开关电源13、电源分配器14。控制器分别发送信号给两个驱动器，驱动电机按预编的程序转动。
电机3选用的是东方马达的中空旋转式传动装置DG60系列，深槽滚珠轴承与旋转平台一体化，容许转矩提高，为0.9N*m，安装尺寸为60mm，容许静力矩2N*m。本平台采用的是不失步的电机，内藏检测转子位置的传感器，在即将失步时转为闭环控制，而且急速负载变动，紧急加速也不微振。实现无齿隙的高精度定位。反复定位精度在±15sec，空转2min，中空的口径又方便布线。配套的驱动器10有四档转换开关，最高为180000P/R，0.002°/setp。
电机5选用的是东方马达的5相步进电机CRK543AP，配合具有平滑驱动功能的微步驱动器11，可在单/双脉冲输入之间切换，光耦合器输入规格，采用带安全性锁定功能的连接器，以微步方式驱动，达成更低震动，更低噪音的效果，可设置16种布距角，最低将电动机的基本布距角做1/250的分割。
DSP控制板12的核心芯片采用的是TI公司生产的TMS320F 2812，该处理器采用的是改进的哈佛总线结构，内部有数据总线和程序总线。时钟频率最高可达到150MHZ。
电源分配器14为华北工控PW-4512电源模块，将开关电源转换成控制器、电机、传感器所需电压，输入电压：16-40V DC，输出电压：ATX：+3.3V@5A，+5V/+5VSB@5A，+12V@5A，-12V@0.8A。
下面结合图1至图7说明本发明的机械部分。本发明的机械结构清晰，成本低，便于实现。除特殊说明外，一律采用高强度的硬铝加工而成，满足刚度需求的同时尽量减轻总体的质量。
底座1为普通铸铁，要求平整度，所有零部件都安装其上。大小为400mm×300mm，电源、电源分配器、驱动器及控制器直接固定在底座上。
下电机支撑架2为优质碳素钢45#钢加工而成，两个规格一样的支架平行放置，下层电机3水平置于其上，由螺钉跟支架及底座固定。支架有平面度、平行度及垂直度的要求。确保电机3水平放置的精度要求。
U型外框4规格为200mm×60mm×120mm，分别由底板、支撑端侧板18、电机端侧板20组成，底板上加工有槽，侧板底部卡在槽中，再由螺钉固定，整体加工精度要求较高，确保侧板与底板的垂直度。底板与下层电机3固定相连，底板中部有孔，与下层电机3的中空孔同轴，便于上层电机的布线。两个侧板距离顶部30mm处有直径32mm的同轴孔。
支撑端轴系8包括轴6、滚动轴承21、轴用弹性挡圈16、轴端固定盖15及U型外框的支撑端侧板组成。轴材料为优质碳素钢45#钢，强度较高，应用广泛。轴长31mm，轴端直径15mm，挡肩处直径19mm。因为本发明中滚动轴承主要承受径向载荷，轴承选为深沟球轴承16002，摩擦系数小，极限转速高，结构简单，使用方便。轴用弹性挡圈16符合国家GB/T 894标准，轴径为15。滚动轴承外侧面与U型外框侧板18外侧平面共面，轴端固定盖15内径为28mm，固定后挡住滚动轴承向外移动。
电机端轴系7包括轴、滚动轴承21、轴承端盖22，电机安装座23，轴承套管24、U型外框电机端侧板20组成。值得注意的是，如图3所示，滚动轴承外侧面与U型外框电机端侧板外侧面共面，而U型外框电机端侧板内侧加工时预留4mm的轴承用挡肩，挡肩处孔径为28mm，用于挡住滚动轴承外圈防止滑动，轴承外侧有轴承端盖22，构成两侧紧固，轴承套管24止动轴承内环，上有通孔可固定电机轴铣面。电机安装座(图12)一端有两个口，便于紧固轴承套管上的螺钉。
安装架9包括一对侧板25、安装面板26组成，侧板分别与I型两个轴相连，传感器安装于安装面板上。需要说明的是安装架在垂直于水平面放置时，侧板上下部的四个孔有两个孔与支撑端侧板18下部两个孔是同轴且大小相同的，无需上轴转动时可以通过此孔对照固定。
如图6、图7所示为转台II型，与I型不同之处在于两个短轴连为一体，结构更加紧凑，轴中间部分切除一半，露出一个平面，可以将传感器安装上面板后通过预留的螺纹孔固定在轴上。
下面结合图8、图9来说明基于步进电机的小型两轴转台的工作原理及控制过程。系统上电后，首先进行初始化，把转台上下层回归到相对零点，记录初始状态，然后用户通过上位机发送指令，DSP接收到指令后发送脉冲信号给驱动器，驱动步进电机运转。下层电机内部带有闭环装置，会自动切换，保证不失步，上层电机加上光电编码器，随时检测电机的状态，如果发现失步，反馈给DSP，如此构成闭环，保证电机按指令正确无误的运转。传感器置于安装架上，转台转动的同时把信号传给DSP，DSP内部装载有相关用于姿态检测的数据融合算法，算出转台的姿态信息，并实时发送给上位机，上位机得到对比数据后，可以检验姿态检测算法的效果。
以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。
Claims (7)
1.一种基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：包括固定转台的底座(1)、下电机支撑架(2)、下层电机(3)、U型外框(4)、上层电机(5)、上轴系、安装架(9)、下层电机驱动器(10)、上层电机驱动器(11)、DSP控制器(12)、24V开关电源(13)以及电源分配器(14)；其中，下电机支撑架(2)、下层电机驱动器(10)、上层电机驱动器(11)、DSP控制器(12)、24V开关电源(13)以及电源分配器(14)均直接固定连接在底座(1)上，下电机支撑架(2)顶部固定连接有下层电机(3)，下层电机(3)上固定连接有U型外框(4)，U型外框(4)上设置有上轴系以及上层电机(5)；下层电机(3)垂直放置，带动U型外框(4)转动，模拟航向角，上层电机(5)水平放置，与下层电机(3)正交姿态，上层电机(5)带动安装架(9)绕水平线旋转，模拟俯仰角；DSP控制器(12)分别控制两个驱动器(10、11)来驱动上下两个电机(3、5)。
2.根据权利要求1所述的基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：所述U型外框(4)由底板、支撑端侧板(18)、电机端侧板(20)组成；底板上加工有槽，两个侧板(18、20)底部卡在槽中，再由螺钉固定；底板与下层电机(3)固定相连，底板中部有孔，与下层电机(3)的中空孔同轴，便于上层电机的布线；两个侧板(18、20)上均设置有同轴孔用于固定轴(6)。
3.根据权利要求2所述的基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：所述上轴系包括电机端轴系(7)、支撑端轴系(8)和安装架(9)，所述电机端轴系(7)两侧分别固定连接支撑端轴(17)和上层电机(5)，所述支撑端轴系(8)固定连接另一支撑端轴(17)；所述安装架(9)包括一对侧板(25)和安装面板(26)，侧板(25)分别与两侧的支撑端轴(17)相连，传感器安装于安装面板(26)上；安装架侧板(25)上下端均设置有四个孔，从而使转台成为分体式结构I型转台。
4.根据权利要求3所述的基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：U型平台支撑端侧板(18)下部留有两孔与垂直放置时的安装架侧板(25)上两孔同轴，可通过安装架侧板(25)上空闲的一孔与U型外框(4)紧定，保持安装架(9)与U型外框(4)的相对静止。
5.根据权利要求2所述的基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：所述上轴系包括电机端轴系(7)、支撑端轴系(8)，所述电机端轴系(7)两侧分别固定连接轴(6)和上层电机(5)，所述支撑端轴系(8)固定连接轴(6)另一端；所述轴(6)中间部分切除一半，露出一个平面，传感器安装上面板(27)后通过预留的螺纹孔固定在轴(6)上，从而使转台成为一体式结构II型转台。
6.根据权利要求1所述的基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：所述电机(3、5)皆为步进电机；所述下层电机(3)选用中空的一体式旋转平台，避免了直接使用电机驱动，且所述下层电机(3)采用不失步电动机，内部带有闭环装置，会自动切换；所述上层电机(5)带有光电编码器，能随时检测电机的状态。
7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的基于步进电机的小型两轴转台，其特征在于：所述底座(1)为普通铸铁材料；所述下电机支撑架(2)采用优质45#碳素钢加工而成，两个规格一样的支撑架平行放置，下层电机(3)水平置于其上，由螺钉跟支架及底座固定；所述轴(6)采用优质碳素钢加工，U型外框(4)及其它上层部件均采用高强度硬铝加工而成。
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