CN113928527B - 一种舵机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种舵机驱动装置，属于船舶领域。主要解决现有船舶电动舵机整体尺寸较大、运动过程存在结构内力、电机易过载。本发明采用锥齿轮结构进行扭矩传递，运用内球笼进行结构内力平衡，且可依据工况进行单、双电机驱动自由组合，能量利用率高。该发明具有结构设计合理，体积小、成本低的优点，提高了电动舵机的静动态性能。

Description

一种舵机驱动装置
技术领域：
本发明提供了一种舵机驱动装置，属于船舶领域。
背景技术：
船用电动舵机多采用双电动缸驱动，以增大舵机驱动扭矩，但舵机整体尺寸较大，同时，由于舵机装配间隙、伺服电机控制精度等因素的限制，使得双缸电动舵机存在结构内力，舵机有效驱动扭矩较低，且电机极易出现过载现象，严重影响电动舵机的静动态性能。
发明内容：
本发明是为了解决现有船舶双缸电动舵机体积大、且运动过程中存在结构内力，使得有效驱动扭矩较低的问题，提供了一种舵机驱动装置。
本发明所述一种舵机驱动装置，它包括EtherCAT总线接口电路(101A)、(101B)、CAN总线接口电路(102A)、(102B)、串口接口电路(103A)、(103B)、主控制器(104)、无线装置(105A)、(105B)，伺服电机驱动器1(106)、伺服电机驱动器2(107)、微控制器(108)、基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)、伺服电机(201A)、(201B)、联轴器(202A)、(202B)、转接板(203A)、(203B)、基座(204A)、(204B)、交叉滚子轴承(205A)、(205B)、(205C)、圆锥滚子轴承盖(206A)、(206B)、(206C)、圆锥滚子轴承(207A)、(207B)、(207C)、输入轴(208A)、(208B)、锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)、滚针轴承(210A)、(210B)、(210C)、保持架(211)、框架(212)、输出轴(213)、内球笼连接件(214)、内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)、舵叶转轴(217)。
所述主控制器(104)与EtherCAT总线接口电路(101A)、CAN总线接口电路(102A)、串口接口电路(103A)、无线装置(105A)、伺服电机驱动器1(106)、伺服电机驱动器(107)连接。所述伺服电机驱动器1(106)与伺服电机(201A)连接，所述伺服电机驱动器2(107)与伺服电机(201B)连接。
所述基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)输出端与微控制器(108)输入端连接，所述微控制器(108)与EtherCAT总线接口电路(101B)、CAN总线接口电路(102B)、串口接口电路(103B)、无线装置(105B)与微控制器(108)连接。
所述伺服电机(201A)通过螺栓与转接板(203A)连接，所述转接板(203A)通过螺栓与基座(204A)连接，所述基座(204A)通过螺栓与交叉棍子轴承(205A)内圈连接，所述交叉棍子轴承(205A)外圈通过螺栓与框架(212)连接。
所述伺服电机(201A)输出轴通过联轴器(202A)与输入轴(208A)连接。所述输入轴(208A)轴颈分别与圆锥滚子轴承(207A)内圈、锥齿轮(209A)、滚针轴承(210A)内圈连接，所述圆锥滚子轴承(207A)外圈与框架(212)连接。圆锥滚子轴承(207A)通过输入轴(208A)和圆锥滚子轴承盖(206A)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖(206A)通过螺钉与框架(212)连接，所述滚针轴承(210A)外圈与保持架(211)连接。
所述伺服电机(201B)通过螺栓与转接板(203B)连接，所述转接板(203B)通过螺栓与基座(204B)连接，所述基座(204B)通过螺栓与交叉棍子轴承(205B)内圈连接，所述交叉棍子轴承(205B)外圈通过螺栓与框架(212)连接。
所述伺服电机(201B)输出轴通过联轴器(202B)与输入轴(208B)连接。所述输入轴(208B)轴颈分别与圆锥滚子轴承(207B)内圈、锥齿轮(209B)、滚针轴承(210B)内圈连接，所述圆锥滚子轴承(207B)外圈与框架(212)连接。圆锥滚子轴承(207B)通过输入轴(208B)和圆锥滚子轴承盖(206B)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖(206B)通过螺钉与框架(212)连接，所述滚针轴承(210B)外圈与保持架(211)连接。
所述输出轴(213)轴颈分别与圆锥滚子轴承(207C)内圈、锥齿轮(209C)、滚针轴承(210C)内圈连接，圆锥滚子轴承(207C)外圈与框架(212)连接，圆锥滚子轴承(207C)通过输出轴(213)和圆锥滚子轴承盖(206C)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖(206C)通过螺钉与框架(212)连接，所述框架(212)通过螺栓与交叉滚子轴承(205C)外圈连接，所述交叉滚子轴承(205C)内圈通过螺钉与内球笼连接件(214)连接，所述滚针轴承(210C)外圈与保持架(211)连接。
所述内球笼连接件(214)与内球笼三叉轴(215A)一端通过花键连接，所述内球笼三叉轴(215A)另一端与内球笼钟形壳(216)连接，所述内球笼钟形壳(216)另一端与内球笼三叉轴(215B)一端连接，所述内球笼三叉轴(215B)另一端通过花键与舵叶转轴(217)连接。
所述基座惯性测量单元(109)通过螺栓与基座(204A)连接，所述框架惯性测量单元(110)通过螺栓与框架(212)连接。
所述主控制器(104)为PLC，所述微控制器(108)可为PC机、浮点型DSP、单片机、ARM、FPGA。
所述基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)能够检测笛卡尔坐标系下的三轴角速度、三轴加速度信息。
所述内球笼三叉轴(215A)、(215B)与内球笼钟形壳(216)组成万向节，且可相互移动。
本发明的优点：本发明提供了一种舵机驱动装置，减小了舵机装置的总体尺寸、使得舵机结构更加紧凑。且可依据工况进行单、双电机驱动自由组合，能量利用率高，同时，该装置在双电机驱动时具有结构内力调节功能，舵机有效驱动扭矩较大。舵机静动态性能较好。
附图说明
图1上位机控制器结构图
图2下位机控制器结构图
图3舵机驱动装置结构图
图4内球笼三叉轴
图5内球笼钟形壳
图6内球笼
具体实施方式
具体实施方式：下面结合图1、图2、图3、图4、图5和图6说明舵机驱动装置。本发明所述一种舵机驱动装置，它包括EtherCAT总线接口电路(101A)、(101B)、CAN总线接口电路(102A)、(102B)、串口接口电路(103A)、(103B)、主控制器(104)、无线装置(105A)、(105B)，伺服电机驱动器1(106)、伺服电机驱动器2(107)、微控制器(108)、基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)、伺服电机(201A)、(201B)、联轴器(202A)、(202B)、转接板(203A)、(203B)、基座(204A)、(204B)、交叉滚子轴承(205A)、(205B)、(205C)、圆锥滚子轴承盖(206A)、(206B)、(206C)、圆锥滚子轴承(207A)、(207B)、(207C)、输入轴(208A)、(208B)、锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)、滚针轴承(210A)、(210B)、(210C)、保持架(211)、框架(212)、输出轴(213)、内球笼连接件(214)、内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)、舵叶转轴(217)。
所述主控制器(104)与EtherCAT总线接口电路(101A)、CAN总线接口电路(102A)、串口接口电路(103A)、无线装置(105A)、伺服电机驱动器1(106)、伺服电机驱动器(107)连接。所述伺服电机驱动器1(106)与伺服电机(201A)连接，所述伺服电机驱动器2(107)与伺服电机(201B)连接。
所述基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)输出端与微控制器(108)输入端连接，所述微控制器(108)与EtherCAT总线接口电路(101B)、CAN总线接口电路(102B)、串口接口电路(103B)、无线装置(105B)与微控制器(108)连接。
所述伺服电机(201A)通过螺栓与转接板(203A)连接，所述转接板(203A)通过螺栓与基座(204A)连接，所述基座(204A)通过螺栓与交叉棍子轴承(205A)内圈连接，所述交叉棍子轴承(205A)外圈通过螺栓与框架(212)连接。
所述伺服电机(201A)输出轴通过联轴器(202A)与输入轴(208A)连接。所述输入轴(208A)轴颈分别与圆锥滚子轴承(207A)内圈、锥齿轮(209A)、滚针轴承(210A)内圈连接，所述圆锥滚子轴承(207A)外圈与框架(212)连接。圆锥滚子轴承(207A)通过输入轴(208A)和圆锥滚子轴承盖(206A)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖(206A)通过螺钉与框架(212)连接，所述滚针轴承(210A)外圈与保持架(211)连接。
所述伺服电机(201B)通过螺栓与转接板(203B)连接，所述转接板(203B)通过螺栓与基座(204B)连接，所述基座(204B)通过螺栓与交叉棍子轴承(205B)内圈连接，所述交叉棍子轴承(205B)外圈通过螺栓与框架(212)连接。
所述伺服电机(201B)输出轴通过联轴器(202B)与输入轴(208B)连接。所述输入轴(208B)轴颈分别与圆锥滚子轴承(207B)内圈、锥齿轮(209B)、滚针轴承(210B)内圈连接，所述圆锥滚子轴承(207B)外圈与框架(212)连接。圆锥滚子轴承(207B)通过输入轴(208B)和圆锥滚子轴承盖(206B)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖(206B)通过螺钉与框架(212)连接，所述滚针轴承(210B)外圈与保持架(211)连接。
所述输出轴(213)轴颈分别与圆锥滚子轴承(207C)内圈、锥齿轮(209C)、滚针轴承(210C)内圈连接，圆锥滚子轴承(207C)外圈与框架(212)连接，圆锥滚子轴承(207C)通过输出轴(213)和圆锥滚子轴承盖(206C)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖(206C)通过螺钉与框架(212)连接，所述框架(212)通过螺栓与交叉滚子轴承(205C)外圈连接，所述交叉滚子轴承(205C)内圈通过螺钉与内球笼连接件(214)连接，所述滚针轴承(210C)外圈与保持架(211)连接。
所述内球笼连接件(214)与内球笼三叉轴(215A)一端通过花键连接，所述内球笼三叉轴(215A)另一端与内球笼钟形壳(216)连接，所述内球笼钟形壳(216)另一端与内球笼三叉轴(215B)一端连接，所述内球笼三叉轴(215B)另一端通过花键与舵叶转轴(217)连接。
所述基座惯性测量单元(109)通过螺栓与基座(204A)连接，所述框架惯性测量单元(110)通过螺栓与框架(212)连接。
所述主控制器(104)为PLC，所述微控制器(108)可为PC机、浮点型DSP、单片机、ARM、FPGA。
所述基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)能够检测笛卡尔坐标系下的三轴角速度、三轴加速度信息。
所述内球笼三叉轴(215A)、(215B)与内球笼钟形壳(216)组成万向节，且可相互移动。
锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动过程中无内力时，舵机驱动扭矩为双电机驱动扭矩和。输入轴(208A)、(208B)转动方向相反，转速相同，框架(212)无转动，输出轴(213)、内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)轴线共线，驱动舵叶转轴(217)转动，实现舵机转动。
锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动过程中有内力时，舵机驱动扭矩小于双电机驱动扭矩和。输入轴(208A)、(208B)转动方向相反，转速相同，框架(212)转动，内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)存在相互运动，补偿框架(212)转动，并驱动舵叶转轴(217)转动。微控制器(108)依据基座惯性测量单元(109)和框架惯性测量单元(110)输出的信息计算框架(212)转动的角度、角速度和角加速度信息，依据交叉滚子轴承(205A)、(205B)、(205C)、圆锥滚子轴承盖(206A)、(206B)、(206C)、圆锥滚子轴承(207A)、(207B)、(207C)、输入轴(208A)、(208B)、锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)、滚针轴承(210A)、(210B)、(210C)、保持架(211)、框架(212)、输出轴(213)和内球笼连接件(214)的质量计算出锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动内力大小，并将内力值反馈至主控制器(104)，主控制器(104)依据内力大小，调整伺服电机(201A)、(201B)转速，消除锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动内力，增大有效驱动扭矩，并使输出轴(213)、内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)轴线重新共线，恢复至原平衡状态。
本发明运行包括如下工况：
工况一：锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动过程中无内力时，输入轴(208A)、(208B)转动方向相反，转速相同，框架(212)无转动，输出轴(213)、内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)轴线共线，驱动舵叶转轴(217)转动，实现舵机转动。
工况二：锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动过程中有内力时，输入轴(208A)、(208B)转动方向相反，转速相同，框架(212)转动，内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)存在相互运动，补偿框架(212)转动，并驱动舵叶转轴(217)转动。微控制器(108)依据基座惯性测量单元(109)和框架惯性测量单元(110)输出的信息计算框架(212)转动的角度、角速度和角加速度信息，依据交叉滚子轴承(205A)、(205B)、(205C)、圆锥滚子轴承盖(206A)、(206B)、(206C)、圆锥滚子轴承(207A)、(207B)、(207C)、输入轴(208A)、(208B)、锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)、滚针轴承(210A)、(210B)、(210C)、保持架(211)、框架(212)、输出轴(213)和内球笼连接件(214)的质量计算出锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动内力大小，并将内力值反馈至主控制器(104)，主控制器(104)依据内力大小，调整伺服电机(201A)、(201B)转速，消除锥齿轮(209A)、(209B)、(209C)传动内力，增大有效驱动扭矩，并使输出轴(213)、内球笼三叉轴(215A)、(215B)、内球笼钟形壳(216)轴线重新共线。

Claims (5)

1.一种舵机驱动装置，其特征在于，它包括EtherCAT总线接口电路一(101A)、EtherCAT总线接口电路二(101B)、CAN总线接口电路一(102A)、CAN总线接口电路二(102B)、串口接口电路一(103A)、串口接口电路二(103B)、主控制器(104)、无线装置一(105A)、无线装置二(105B)，伺服电机驱动器一(106)、伺服电机驱动器二(107)、微控制器(108)、基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)、伺服电机一(201A)、伺服电机二(201B)、联轴器一(202A)、联轴器二(202B)、转接板一(203A)、转接板二(203B)、基座一(204A)、基座二(204B)、交叉滚子轴承一(205A)、交叉滚子轴承二(205B)、交叉滚子轴承三(205C)、圆锥滚子轴承盖一(206A)、圆锥滚子轴承盖二(206B)、圆锥滚子轴承盖三(206C)、圆锥滚子轴承一(207A)、圆锥滚子轴承二(207B)、圆锥滚子轴承三(207C)、输入轴一(208A)、输入轴二(208B)、锥齿轮一(209A)、锥齿轮二(209B)、锥齿轮三(209C)、滚针轴承一(210A)、滚针轴承二(210B)、滚针轴承三(210C)、保持架(211)、框架(212)、输出轴(213)、内球笼连接件(214)、内球笼三叉轴一(215A)、内球笼三叉轴二(215B)、内球笼钟形壳(216)、舵叶转轴(217)；
所述主控制器(104)与EtherCAT总线接口电路一(101A)、CAN总线接口电路一(102A)、串口接口电路一(103A)、无线装置一(105A)、伺服电机驱动器一(106)、伺服电机驱动器二(107)连接；所述伺服电机驱动器一(106)与伺服电机一(201A)连接，所述伺服电机驱动器二(107)与伺服电机二(201B)连接；
所述基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)输出端与微控制器(108)输入端连接，所述微控制器(108)与EtherCAT总线接口电路二(101B)、CAN总线接口电路二(102B)、串口接口电路二(103B)、无线装置二(105B)连接；
所述伺服电机一(201A)通过螺栓与转接板一(203A)连接，所述转接板一(203A)通过螺栓与基座一(204A)连接，所述基座一(204A)通过螺栓与交叉滚子轴承一(205A)内圈连接，所述交叉滚子轴承一(205A)外圈通过螺栓与框架(212)连接；
所述伺服电机一(201A)输出轴通过联轴器一(202A)与输入轴一(208A)连接；所述输入轴一(208A)轴颈分别与圆锥滚子轴承一(207A)内圈、锥齿轮一(209A)、滚针轴承一(210A)内圈连接，所述圆锥滚子轴承一(207A)外圈与框架(212)连接；圆锥滚子轴承一(207A)通过输入轴一(208A)和圆锥滚子轴承盖一(206A)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖一(206A)通过螺钉与框架(212)连接，所述滚针轴承一(210A)外圈与保持架(211)连接；
所述伺服电机二(201B)通过螺栓与转接板二(203B)连接，所述转接板二(203B)通过螺栓与基座二(204B)连接，所述基座二(204B)通过螺栓与交叉滚子轴承二(205B)内圈连接，所述交叉滚子轴承二(205B)外圈通过螺栓与框架(212)连接；
所述伺服电机二(201B)输出轴通过联轴器二(202B)与输入轴二(208B)连接；所述输入轴二(208B)轴颈分别与圆锥滚子轴承二(207B)内圈、锥齿轮二(209B)、滚针轴承二(210B)内圈连接，所述圆锥滚子轴承二(207B)外圈与框架(212)连接；圆锥滚子轴承二(207B)通过输入轴二(208B)和圆锥滚子轴承盖二(206B)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖二(206B)通过螺钉与框架(212)连接，所述滚针轴承二(210B)外圈与保持架(211)连接；
所述输出轴(213)轴颈分别与圆锥滚子轴承三(207C)内圈、锥齿轮三(209C)、滚针轴承三(210C)内圈连接，圆锥滚子轴承三(207C)外圈与框架(212)连接，圆锥滚子轴承三(207C)通过输出轴(213)和圆锥滚子轴承盖三(206C)实现轴向定位，所述圆锥滚子轴承盖三(206C)通过螺钉与框架(212)连接，所述框架(212)通过螺栓与交叉滚子轴承三(205C)外圈连接，所述交叉滚子轴承三(205C)内圈通过螺钉与内球笼连接件(214)连接，所述滚针轴承三(210C)外圈与保持架(211)连接；
所述内球笼连接件(214)与内球笼三叉轴一(215A)一端通过花键连接，所述内球笼三叉轴一(215A)另一端与内球笼钟形壳(216)连接，所述内球笼钟形壳(216)另一端与内球笼三叉轴二(215B)一端连接，所述内球笼三叉轴二(215B)另一端通过花键与舵叶转轴(217)连接；
所述基座惯性测量单元(109)通过螺栓与基座一(204A)连接，所述框架惯性测量单元(110)通过螺栓与框架(212)连接；
所述主控制器(104)为PLC，所述微控制器(108)为PC机、浮点型DSP、单片机、ARM、FPGA中的一种；
所述基座惯性测量单元(109)、框架惯性测量单元(110)能够检测笛卡尔坐标系下的三轴角速度、三轴加速度信息；
所述内球笼三叉轴一(215A)、内球笼三叉轴二(215B)与内球笼钟形壳(216)组成万向节，且可相互移动。
2.根据权利要求1所述的一种舵机驱动装置，其特征在于通过三个锥齿轮实现驱动扭矩的合成和传递。
3.根据权利要求1所述的一种舵机驱动装置，其特征在于两伺服电机可同时动作，亦可独立动作。
4.根据权利要求1所述的一种舵机驱动装置，其特征在于利用惯性测量单元测量框架的相对基座的角度、角速度和角加速度，并能够计算内力值。
5.根据权利要求1所述的一种舵机驱动装置，其特征在于舵机利用内球笼结构进行内力自适应调节，并通过主控制器控制电机转角消除内力。
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