CN105846610B - 连续旋转的高角位置精度的数字电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连续旋转的高角位置精度的数字电机，包括驱动电机、谐波减速器、磁编码器、伺服驱动控制器和外壳；所述驱动电机的定子、磁编码器和伺服驱动控制器固定于所述外壳上，所述驱动电机转子的第一输出端通过螺纹连接所述谐波减速器的一端，所述谐波减速器的另一端为驱动电机扭矩输出端，所述磁编码器的磁铁固定于所述驱动电机转子的第二输出端，所述伺服驱动控制器的输入端连接所述磁编码器的输出端，所述伺服驱动控制器的输出端连接外接控制信号，所述伺服驱动控制器的电源端连接所述驱动电机的输入端。本发明连续旋转的高角位置精度的数字电机的旋转精度和旋转角度以及输出扭矩都比一般舵机高，具有成本低，精度高，输出扭矩高的特点。

Description

连续旋转的高角位置精度的数字电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种连续旋转的高角位置精度的数字电机。

背景技术

目前，公知的舵机构造是由电动机、驱动器、电位计、减速齿轮组和舵盘组成。将舵盘与外负载相连，舵机固定，通过减速齿轮组对电动机的扭矩放大后输出。舵机多采用多级减速齿轮传动，减速齿轮组强度不足，外负载大时容易损坏。

现在市场上的舵盘与舵机的使用的连接方式也不牢靠，仅靠小模数花键和一个端面螺钉固定，输出不稳定，造成负载不平衡，极易损坏。

国内大多的舵机可控制角度都在180度左右，无法连续整周转动，无法满足现在机器人领域对舵机的需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种连续旋转的高角位置精度的数字电机。

本发明的技术方案是：

连续旋转的高角位置精度的数字电机，包括驱动电机、谐波减速器、磁编码器、伺服驱动控制器和外壳；

所述驱动电机的定子、磁编码器和伺服驱动控制器固定于所述外壳上，所述驱动电机转子的第一输出端通过螺纹连接所述谐波减速器的一端，所述谐波减速器的另一端为输出驱动电机扭矩输出端，所述磁编码器的磁铁固定于所述驱动电机转子的第二输出端，所述伺服驱动控制器的输入端连接所述磁编码器的输出端，所述伺服驱动控制器的输出端连接外接控制信号，所述伺服驱动控制器的电源端连接所述驱动电机的输入端。

所述驱动电机选用无刷直流电机。

还包括法兰和输出法兰；所述驱动电机转子的第一输出端通过所述法兰固定于所述谐波减速器的一端，所述谐波减速器的另一端固定于所述输出法兰。

由至少两个连续旋转的高角位置精度的数字电机构成伺服驱动控制系统，所述至少两个连续旋转的高角位置精度的数字电机通过CAN总线连接所述外接控制信号。

本发明的有益效果在于：

本发明提出一种连续旋转的高角位置精度的数字电机，该连续旋转的高角位置精度的数字电机将驱动电机、谐波减速器、位置检测传感器和伺服控制器完美封装在一个外壳中，外部仅需供电和通过串口总线的数字指令轻松实现速度、位置、扭矩控制，进行正反转、加减速、转角、限位等设置。同时，各个数字电机之间可以通过串行总线连接控制。本发明连续旋转的高角位置精度的数字电机的旋转精度和旋转角度以及输出扭矩都比一般舵机高，具有成本低，精度高，输出扭矩高的特点。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中连续旋转的高角位置精度的数字电机的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中连续旋转的高角位置精度的数字电机的剖面图；

图3为本发明具体实施方式中连续旋转的高角位置精度的磁编码器的局部剖面图；

图4为本发明具体实施方式中连续旋转的高角位置精度的谐波减速器的局部剖面图；

图5为本发明具体实施方式中连续旋转的高角位置精度的数字电机的外壳斜视图；

图6为本发明具体实施方式中伺服驱动控制系统的示意图；

其中，1-驱动电机，2-谐波减速器，21-谐波减速器的波发生器，22-谐波减速器的钢轮，23-谐波减速器的柔轮，3-磁编码器，31-磁编码器的磁铁，32-磁编码器的电路板，33-磁编码器芯片，34-过渡架，35-连接螺钉，36-紧固套，4-伺服驱动控制器，5-外壳，51-外壳壳体，52-外壳后端盖，53-外壳前端盖，6-法兰，7-输出法兰，8-内六角螺钉，9-沉头螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

一种连续旋转的高角位置精度的数字电机，包括驱动电机1、谐波减速器2、磁编码器3、伺服驱动控制器4和外壳5，还包括法兰6和输出法兰7。

如图1所示，驱动电机1的定子、磁编码器3和伺服驱动控制器4固定于外壳5上，驱动电机1转子的第一输出端通过螺纹连接谐波减速器2的一端，谐波减速器2的另一端为驱动电机扭矩输出端，磁编码器3的磁铁31固定于驱动电机1转子的第二输出端，伺服驱动控制器4的输入端连接磁编码器3的输出端，伺服驱动控制器4的输出端连接外接控制信号，伺服驱动控制器4的电源端连接驱动电机1的输入端。

本实施方式中，驱动电机1选用最大功率内转子无刷直流电机，型号为T-motorU7，具有高转速、体积小、低电阻、低电感、大工作电流的特点。

本实施方式中，如图2和图3所示，无刷直流电机1的定子通过螺钉固定于外壳后端盖52上，无刷直流电机1转子的第一输出端通过法兰6与谐波减速器2的波发生器21相连，谐波减速器2的钢轮22通过螺钉固定于外壳5上，谐波减速器2的柔轮23固定于输出法兰7上，无刷直流电机1转子的第二输出端设置有螺纹孔，通过连接螺钉35固定于过渡架34，过渡架34内部通过紧固套36固定磁编码器3一径向充磁的磁铁31，磁编码器3的磁铁31与磁编码器3的磁编码器芯片33距离为0.5-1.5mm，磁编码器芯片33焊接在磁编码器电路板32上，磁编码器电路板32焊接有输出端口连接外接控制信号。

本实施方式中，如图4所示，无刷直流电机1转子的第一输出端通过四枚内六角螺钉8连接法兰6，法兰6通过沉头螺钉9连接谐波减速器的波发生器21，谐波减速器的波发生器21压入谐波减速器的柔轮23中，谐波减速器的柔轮23紧连接输出法兰7。

本实施方式中，连续旋转的高角位置精度的数字电机的外壳如图5所示，包括壳体51、前端盖52和后端盖53，外壳5为圆柱形，外壳后端盖52通过螺钉固定于外壳壳体51上，外壳前端盖53通过螺钉固定于外壳壳体51上，外壳前端盖53通过螺钉固定输出法兰7。

本实施方式中，连续旋转的高角位置精度的数字电机使用过程中，由至少两个连续旋转的高角位置精度的数字电机构成伺服驱动控制系统，至少两个连续旋转的高角位置精度的数字电机通过CAN总线连接所述外接控制信号，如图6所示，CAN控制器的接收端连接计算机，CAN控制器的RX端和TX端分别连接CAN收发器的RX端和TX端，CAN收发器的CANH端和CANL端连接各连续旋转的高角位置精度的数字电机的伺服驱动器的输入端。

本实施方式中，CAN总线芯片的型号为VP230，其特点是具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络；可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

本实施方式中，磁编码器芯片33的型号为奥微AS5045B，用于检测驱动电机1转子的旋转数据，并将数据传输给伺服控制驱动器4，进行处理。AS5045B灵敏度高，抗干扰性强，能够实时检测多级旋转信号，使该数字电机具有连续旋转的特点。

本实施方式中，AS5045B磁编码器芯片33与连接的3.3V稳压芯片在磁编码器电路板上，磁编码器芯片33输出端与伺服驱动控制器4的主控芯片STM32F407相连，向STM32F407传递角度位置、速度、加速度信息。

本实施方式中，谐波减速器2的型号为绿的LHD-14-100，具有较高强度和刚度，可以直接作为输出连接件使用，其减速比大、工作稳定、精度高，能够承受高负载。

本实施方式中，伺服驱动控制器4的芯片的型号为STM32F407，具有位置伺服功能，可维持在位置信号所给出的固定位置。同时具有驱动电机模式，通过三环PID调节控制电流来进行转动控制，伺服驱动控制器4用于接收指令并进行处理，对驱动电机1的旋转、转速、旋转角度进行驱动控制，伺服驱动控制器4还可以接收磁编码器反馈的信息，对驱动电机1实现伺服控制，使数字电机按输入指令动作，保证其运动精度。

本发明连续旋转的高角位置精度的数字电机的具体工作过程如下：

当连续旋转的高角位置精度的数字电机工作时，计算机作为外接控制信号通过信号传输线传输给伺服驱动控制器，对无刷直流电机进行伺服控制，无刷直流电机的转子转动时带动法兰同步转动，从而使谐波减速器的波发生器同步转动，谐波减速器的柔轮带动输出法兰同步转动，输出驱动电机扭矩；无刷直流电机转子转动时，过渡架同步转动，从而使磁编码器的磁铁同步转动，磁编码器芯片检测到磁编码器的磁铁的磁通量，通过磁编码器的处理得到此时驱动电机的角位置、角速度和角加速度，磁编码器将检测的驱动电机的运动信号反馈给伺服驱动控制器，伺服驱动控制器通过反馈的驱动电机的运动信号与发送至驱动电机的控制信号进行计算，得到下一控制周期需要进行的调整量，将这些调整量通过电流、电压控制方式输出给驱动电机，实现对驱动电机转动参数的校准，进而实现精确地对驱动电机控制。

Claims (1)

1.一种连续旋转的高角位置精度的数字电机，其特征在于，包括驱动电机、谐波减速器、磁编码器、伺服驱动控制器和外壳；

所述驱动电机的定子、磁编码器和伺服驱动控制器固定于所述外壳上，所述驱动电机转子的第一输出端通过螺纹连接所述谐波减速器的一端，所述谐波减速器的另一端为驱动电机扭矩输出端，所述磁编码器的磁铁固定于所述驱动电机转子的第二输出端，所述伺服驱动控制器的输入端连接所述磁编码器的输出端，所述伺服驱动控制器的输出端连接外接控制信号，所述伺服驱动控制器的电源端连接所述驱动电机的输入端；

还包括法兰和输出法兰；

所述驱动电机转子的第一输出端通过所述法兰固定于所述谐波减速器的一端，所述谐波减速器的另一端固定于所述输出法兰；

采用双线串行通信方式；

所述驱动电机选用无刷直流电机；

无刷直流电机的定子通过螺钉固定于外壳后端盖上，无刷直流电机转子的第一输出端通过法兰与谐波减速器的波发生器相连，谐波减速器的刚轮通过螺钉固定于外壳上，谐波减速器的柔轮固定于输出法兰上，无刷直流电机转子的第二输出端设置有螺纹孔，通过连接螺钉固定于过渡架，过渡架内部通过紧固套固定磁编码器一径向充磁的磁铁，磁编码器的磁铁与磁编码器的磁编码器芯片距离为0.5-1.5mm，磁编码器芯片焊接在磁编码器电路板上，磁编码器电路板焊接有输出端口连接外接控制信号；

无刷直流电机转子的第一输出端通过四枚内六角螺钉连接法兰，法兰通过沉头螺钉连接谐波减速器的波发生器，谐波减速器的波发生器压入谐波减速器的柔轮中，谐波减速器的柔轮紧连接输出法兰；

外壳后端盖通过螺钉固定于外壳壳体上，外壳前端盖通过螺钉固定于外壳壳体上，外壳前端盖通过螺钉固定输出法兰；

当连续旋转的高角位置精度的数字电机工作时，计算机作为外接控制信号通过信号传输线传输给伺服驱动控制器，对无刷直流电机进行伺服控制，无刷直流电机的转子转动时带动法兰同步转动，从而使谐波减速器的波发生器同步转动，谐波减速器的柔轮带动输出法兰同步转动，输出驱动电机扭矩；无刷直流电机转子转动时，过渡架同步转动，从而使磁编码器的磁铁同步转动，磁编码器芯片检测到磁编码器的磁铁的磁通量，通过磁编码器的处理得到此时驱动电机的角位置、角速度和角加速度，磁编码器将检测的驱动电机的运动信号反馈给伺服驱动控制器，伺服驱动控制器通过反馈的驱动电机的运动信号与发送至驱动电机的控制信号进行计算，得到下一控制周期需要进行的调整量，将这些调整量通过电流、电压控制方式输出给驱动电机，实现对驱动电机转动参数的校准，进而实现精确地对驱动电机控制。