CN106059207B - 一种视频会议球机用伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频会议球机用伺服电机，包括转子、定子、底座、信号转换电路板和用于连接视频会议球机的连接基座；定子和信号转换电路板固定安装在底座上；信号转换电路板用于控制转子转动，转子与连接基座连接，用于驱动连接基座转动，以带动连接在连接基座上的视频会议球机转动；转子安装在定子的外部。该视频会议球机用伺服电机通过将定子做在内环，转子做在外环，从而减小了电机的厚度，转子在外环，其产生的力矩更大。该伺服电机结构精细，安装更简单，且运行起来没有噪音，控制精度更高，速度更高，能快速到达指定位置。在电机的电路板上只配备了信号转换电路，便于外部控制器进行复杂的控制。

Description

一种视频会议球机用伺服电机

技术领域

本发明涉及电机制造技术领域，尤其涉及一种视频会议球机用伺服电机。

背景技术

传统的会议记录方式都是由秘书进行笔录。这样一来，整个会议的记录既不生动，也可能因为秘书的笔录产生歧义。随着科学技术的发展和进步，重要会议可以外聘专业录像团队进行视频录像。但这样一来，成本高昂，并且还得预约时间。随着视频监控技术的发展以及视频监控成本的降低，从视频监控市场延伸出一种专门用于视频会议录像的设备，即视频会议球机。但视频会议球机是从视频监控球机延伸而来，因此视频会议球机的云台也沿用了视频监控球机所使用的步进电机。但步进电机有其本身的缺点，体积大、扭矩小、噪音高、电流细分不平滑等，用在视频会议球机上，就显得性能表现不好，因此步进电机不适合安装在视频会议球机里面。

市面上通用的伺服电机都是定子在外面，转子在里面的结构。由于转子在里面，当需要同样大的扭矩的时候，加上电路板和信号转换机构，其电机的厚度就非常厚。并且目前市面上的伺服电机与球机的连接还必须得安装联轴器，才能保证球机的平稳运行，不但占据很大的空间，而且安装也会非常麻烦。目前市面上的伺服电机都是强调转速和力矩，另外体积和机械尺寸也不适合安装在视频会议球机里面。再者很多伺服电机都没有精确定位功能，只是通过霍尔实现换向，或者用感应电动势实现换向。到目前为止，还没有一款用于视频会议球机的可高精度定位、速度连续可控、可慢速平滑旋转的伺服电机。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题是，提供一种视频会议球机用伺服电机，可实现球机的高精度定位，球机转速连续可控，转动平滑。本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种视频会议球机用伺服电机，包括转子、定子、底座、信号转换电路板和用于连接视频会议球机的连接基座；所述定子和所述信号转换电路板固定安装在所述底座上；所述信号转换电路板用于控制所述转子转动，所述转子与所述连接基座连接，用于驱动所述连接基座转动，以带动连接在所述连接基座上的视频会议球机转动；所述转子安装在所述定子的外部；

所述信号转换电路板包括控制器、三相电源输入端、三个霍尔电磁感应器、转子转速及角度位置检测单元、运算放大器；

所述转子转速及角度位置检测单元通过所述运算放大器与所述控制器连接，所述转子转速及角度位置检测单元用于检测所述转子的转速及角度位置，检测的转子的转速及角度位置信号经所述运算放大器后输入所述控制器；

所述三个霍尔电磁感应器与所述控制器连接，用于检测所述伺服电机中磁极的位置，并将检测的伺服电机中磁极的位置信号发送到所述控制器；

所述三相电源输入端与所述控制器连接，用于向所述控制器输入三相电源；

所述控制器根据所述转子的转速及角度位置信号和伺服电机中磁极的位置信号驱动所述转子按照设定方向转动；

所述转子转速及角度位置检测单元包括两个磁敏电阻、信号放大电路、AD采样电路、微控芯片；

所述两个磁敏电阻的位置与所述转子上圆形分布的N、S磁极的位置形成90度的相位差，当转子转动时，带动所述转子上圆形分布的N、S磁极转动，使两个磁敏电阻输出两路交变信号；所述两路交变信号相位差为90度；

所述信号放大电路用于对两路交变信号进行放大；

所述微控芯片用于通过所述AD采样电路接收经放大后的两路交变信号，并根据两路交变信号的位置确定所述转子的角度位置；

所述控制器通过功率模块驱动所述转子转动。

进一步地，所述定子通过连接件固定安装在所述底座上。

进一步地，所述信号转换电路板通过螺丝固定安装在所述底座上。

进一步地，所述连接基座上开设有若干用于安装所述视频会议球机的通孔。

进一步地，所述转子和连接基座各自通过一个轴承与定子连接，所述轴承为高精密平面轴承。

与现有技术相比，本发明提供的视频会议球机用伺服电机通过将定子做在内环，转子做在外环，从而减小了电机的厚度，转子在外环，其产生的力矩更大。该伺服电机结构精细，安装更简单，且运行起来没有噪音，控制精度更高，速度更高，能快速到达指定位置。在电机的电路板上只配备了信号转换电路，便于外部控制器进行复杂的控制。

附图说明

图1：本发明实施例提供的视频会议球机用伺服电机的结构示意图；

图2：本发明实施例提供的视频会议球机用伺服电机中信号转换电路板的电路结构示意图；

图3：转子转速及角度位置检测单元的结构及工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶端”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的视频会议球机用伺服电机的结构示意图，图2为本发明实施例提供的视频会议球机用伺服电机中信号转换电路板5的电路结构示意图。结合图1和图2，本发明提供的视频会议球机用伺服电机包括转子4、定子3、底座1、信号转换电路板5和用于连接视频会议球机的连接基座2。

定子3和信号转换电路板5固定安装在底座1上。具体地，定子3可通过连接件固定安装在底座1上，信号转换电路板5可通过螺丝固定安装在底座1上，这样在安装上就省去了很多调节位置的过程。底座1可采用金属底座，例如可采用钢板材质，保证安装和使用过程中不变形。底座1承托所有电机部件，并且可以在底座1上开设用于将底座1固定安装到球机底座1的安装孔。转子4和连接基座2各自通过一个轴承与定子3连接。连接件可采用铜连接件。轴承可采用高精密平面轴承，能有效防止轴向偏差，做到无倾角高精度连接。

信号转换电路板5用于控制转子4转动，转子4与连接基座2连接，用于驱动连接基座2转动，以带动连接在连接基座2上的视频会议球机转动。连接基座2安装在转子4顶端，并与球机的连接轴连接。连接基座2上开设有若干用于安装视频会议球机的通孔201，视频会议球机的转动部分可固定安装在通孔201中，连接基座2转动时可带动视频会议球机转动，结构简单，安装方便。球机转动部分可通过中心轴直接固定到转子4的基座上，这样，安装时无需联轴器等成本高且很占空间的配件就可以很好的实现将球机无缝安装在伺服电机上。

另外，转子4安装在定子3的外部，信号转换电路板5安装在转子4的一面，从而减小了电机的厚度，降低了整个视频会议球机用伺服电机的总高。而且转子4在外环，其产生的力矩更大。

采用伺服电机后，直接将本发明提供的伺服电机安装在球机的转轴上，没有减速比。通过软件细分进行走步，能在最大程度上杜绝噪声，并且运行圆滑，安装方面只需要很小的尺寸即可达到要求，高速运行时也能获得较大的扭矩，因此具有较大的优越性。运行方面，伺服电机则是一个闭环系统，如果人为改变转子4角度位置，电机自身可以检测出位置的变化，并在外力撤消后，自动回到原来正确的位置上。

信号转换电路板5包括控制器503、三相电源输入端501、三个霍尔电磁感应器505、转子转速及角度位置检测单元502、运算放大器504。

转子转速及角度位置检测单元502通过运算放大器504与控制器503连接，转子转速及角度位置检测单元502用于检测转子4的转速及角度位置，检测的转子4的转速及角度位置信号经运算放大器504后输入控制器503。三个霍尔电磁感应器505与控制器503连接，用于检测伺服电机中磁极的位置，并将检测的伺服电机中磁极的位置信号发送到控制器503。三相电源输入端501与控制器503连接，用于向控制器503输入三相电源。控制器503根据转子4的转速及角度位置信号和伺服电机中磁极的位置信号驱动转子4按照设定方向转动。控制器503可以根据转子4的转速及角度位置信号和伺服电机中磁极的位置信号决定送电顺序，从而通过改变UVW的电流方向，驱动转子4沿着正确的方向旋转。控制器503可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。例如，控制器503可以是中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)，还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

三个霍尔电磁感应器505直接输出高低电平信号，送给控制器503进行时序控制。转子转速及角度位置检测单元502检测到的转子4的转速及角度位置信号经过运算放大器504放大整形后，输出两个相位差为90度的波形，此波形能指示电机旋转的速度和方向，从而使控制器503能够准确的控制电机的速度，以及实现精确的定位，从而达到球机需要变速和准确定位的要求。

如图3所示，所述转子转速及角度位置检测单元502包括两个磁敏电阻506、信号放大电路507、AD采样电路508和微控芯片509。所述两个磁敏电阻506的位置与所述转子4上圆形分布的N、S磁极的位置形成90度的相位差，当转子4转动时，带动所述转子4上圆形分布的N、S磁极转动，使两个磁敏电阻506输出两路交变信号，所述两路交变信号相位差为90度。所述信号放大电路507用于对两路交变信号进行放大。所述微控芯片509用于通过所述AD采样电路508接收经放大后的两路交变信号，并根据两路交变信号的位置确定所述转子4的角度位置，即转子4在360度圆周上的精确位置，实现球机的准确定位。控制器503可通过功率模块驱动转子4转动。

本发明采用磁栅技术检测转子的角度位置。将磁环平面铺开，两个磁敏电阻经过放大整形后，得到相位差为90度的方波，同时经过逻辑处理得到2x和4x的计数波形，提供给微控芯片计数。通过在运动机构上设置一个测零点传感器，当旋转机构经过0点时，检测单元输出一个0点脉冲，同时将计数清零，结合磁栅检测机构的脉冲，得到运动机构在0至360度的准确位置，即绝对位置。而一个转子圆周上的磁极数量，决定了运动机构的定位精度。即精度＝360/n(磁极数)。磁栅主要包含两部分，一部分是检测机构，即磁敏电阻，另一部分是运动机构，即均匀分布在转子圆周上的N、S磁极。磁敏电阻采用松下mr传感器，其使用磁性薄膜抗磁元件的频率发生传感器，是一种可检测出精细起磁转动的磁性传感器。该磁性传感器具有如下特点：

平面：间隙、空间的调整兼备高精度与便利性，电机的定片上无需端子突起部的通孔；

标准化形状、间距，适应段交货期；

可高速高精度控制；

已应对RoHS指令；

主要用途：

用于录像机主导轴电机(转速检测)；

用于摄像机的自动聚焦、变焦镜头单元(位置检测)；

用于打字机、打印机(印字时机检测)；

用于磁带计数器(转数检测)；

用于FDD，HDD致动器(位置检测)。

磁栅及充磁技术：

本发明的磁栅采用物理充磁技术。物理充磁的主要部件是一个具有被充磁对象极数的环形强磁永磁铁，根据本发明所要求的定位精度以及控制精度，需要将磁栅充磁432极。磁栅母版是由432个小磁铁组成的一个圆环结构，其内径比充磁磁环大0.5mm，圆周上密布432个NS磁极。其磁场强度要求充磁磁环通过瞬间能够迅速复制到磁环上。磁栅磁环由没有磁性的硬磁材料组成，经过充磁后，变成432极的弱磁磁环。磁栅圆环充磁过程是将磁环以高速同心通过充磁母版，将磁性充磁为432极均匀密布的NS极排列。

依靠改变输入到伺服电机定子3线圈上的电流波交变频率和波形，在线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，这个磁场驱动转子4上的永磁磁钢转动，从而驱动转子4转动。伺服电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、输入电压大小等因素有关，更与伺服电机的控制性能有很大关系。因为输入电机的是直流电，直流电需要电子调速器将其变成3相交流电，然后再输入到定子3线圈。本发明提供的伺服电机通过接收外部控制命令来控制电机的转速，以满足摄像头控制需要。外部控制命令可以由一遥控器接收机从遥控器中接收，然后再发送到伺服电机中。

伺服电机首先初始化信号转换电路板5，包括信号转换电路板5输出PWM信号、模数转换电路及各端口的变量。然后控制器503检测是否接收到外部控制命令，当接收到外部控制命令后，通过转子转速及角度位置检测单元502检测当前转子4的角度位置信号，并据此配置电机控制参数。转子转速及角度位置检测单元502可采用霍尔传感器，通过霍尔传感器来检测当前电机转子4的转速和位置，并计算比例和积分速度误差，并根据计算结果配置新的电机控制参数，当接收到停止命令时，停止向电机输出控制参数，等待新的外部控制命令。

最后应说明的是：上述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种视频会议球机用伺服电机，其特征在于，包括转子、定子、底座、信号转换电路板和用于连接视频会议球机的连接基座；所述定子和所述信号转换电路板固定安装在所述底座上；所述信号转换电路板用于控制所述转子转动，所述转子与所述连接基座连接，用于驱动所述连接基座转动，以带动连接在所述连接基座上的视频会议球机转动；所述转子安装在所述定子的外部；

所述信号转换电路板包括控制器、三相电源输入端、三个霍尔电磁感应器、转子转速及角度位置检测单元、运算放大器；

所述转子转速及角度位置检测单元通过所述运算放大器与所述控制器连接，所述转子转速及角度位置检测单元用于检测所述转子的转速及角度位置，检测的转子的转速及角度位置信号经所述运算放大器后输入所述控制器；

所述三个霍尔电磁感应器与所述控制器连接，用于检测所述伺服电机中磁极的位置，并将检测的伺服电机中磁极的位置信号发送到所述控制器；

所述三相电源输入端与所述控制器连接，用于向所述控制器输入三相电源；

所述控制器根据所述转子的转速及角度位置信号和伺服电机中磁极的位置信号驱动所述转子按照设定方向转动；

所述转子转速及角度位置检测单元包括两个磁敏电阻、信号放大电路、AD采样电路、微控芯片；

所述两个磁敏电阻的位置与所述转子上圆形分布的N、S磁极的位置形成90度的相位差，当转子转动时，带动所述转子上圆形分布的N、S磁极转动，使两个磁敏电阻输出两路交变信号；所述两路交变信号相位差为90度；

所述信号放大电路用于对两路交变信号进行放大；

所述微控芯片用于通过所述AD采样电路接收经放大后的两路交变信号，并根据两路交变信号的位置确定所述转子的角度位置；

所述控制器通过功率模块驱动所述转子转动。

2.如权利要求1所述的视频会议球机用伺服电机，其特征在于，所述定子通过连接件固定安装在所述底座上。

3.如权利要求1所述的视频会议球机用伺服电机，其特征在于，所述信号转换电路板通过螺丝固定安装在所述底座上。

4.如权利要求1所述的视频会议球机用伺服电机，其特征在于，所述连接基座上开设有若干用于安装所述视频会议球机的通孔。

5.如权利要求1所述的视频会议球机用伺服电机，其特征在于，所述转子和连接基座各自通过一个轴承与定子连接，所述轴承为高精密平面轴承。