CN114408150B - 一种基于双电机驱动的电动舵机及其控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双电机驱动的电动舵机及其同步控制系统和控制方法，其中控制系统包括计算模块、检测传感器、误差补偿模块和电机控制器；检测传感器包括直线位移传感器、角度传感器Ⅰ、角度传感器Ⅱ；电机控制器包括电机控制器Ⅰ和电机控制器Ⅱ；误差补偿模块包括误差补偿模块Ⅰ和误差补偿模块Ⅱ；误差补偿模块Ⅰ用于将直线位移传感器采集的螺母座实际位置与其理论位置对比后进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅰ；误差补偿模块Ⅱ用于将角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ采集的两丝杠之间的角度对比进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅱ。本发明通过多个传感器检测误差并进行误差补偿，实现双电机的同步控制，满足电动舵机的性能需求。

Description

一种基于双电机驱动的电动舵机及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种基于双电机驱动的电动舵机同步控制系统及控制方法。

背景技术

电动舵机系统作为一个船舶、舰艇、潜艇和水下航行器等海洋装备的位置伺服系统，其通过控制舵面转动，实现海洋装备姿态的调整。快速、稳定可靠的控制方法是实现海洋装备高机动性能的关键所在。面对外界洋流、浪涌冲击、激励等不良因素的影响，采用基于双电机驱动的电动舵机能够提高舵机系统的抗冲击性能和稳定性，以提高海洋装备的姿态调整能力和机动性能。然而，采用基于双电机的电动舵机存在双电机运行不同步导致舵机系统内部零部件损坏以及外部输出振动等问题，严重会影响装备的整体性能。因此，采用稳定可靠的双电机同步控制方法，是实现基于双电机驱动的电动舵机稳定工作的关键。

因此，需要一种针对目前基于双电机驱动的电动舵机存在的问题，提出一种基于双电机驱动的电动舵机同步控制系统及控制方法。

发明内容

本发明的目的是针对采用基于双电机驱动的电动舵机由于双电机运行不同步存在的问题，提出一种通过多个不同类型的传感器检测误差，进行误差补偿，实现双电机的同步控制，以满足电动舵机的性能需求的舵机控制系统及控制方法。

本发明的基于双电机驱动的电动舵机，包括舵机壳体、两个驱动电机、双滚珠丝杠机构、曲柄滑块机构和舵机输出轴；所述双滚珠丝杠机构包括与两驱动电机的转轴一一对应传动连接的两根丝杠以及与两根丝杠一一对应配合的两个丝杠螺母；所述曲柄滑块机构包括同时固定于两丝杠螺母并作为滑块使用的螺母座、连接于舵机输出轴的摇臂和铰接于摇臂与螺母座之间的连杆；两所述驱动电机均为直流无刷伺服电机。两所述丝杠对称设置并通过圆锥滚子轴承支承于舵机壳体；所述连杆为两根且分设在螺母座上下两侧，所述摇臂的顶端为叉形结构并通过两分叉分别与两连杆铰接。所述舵机壳体上设有用于获取舵机输出轴旋转角度的电位计。所述摇臂的运转范围两侧各设置一机械限位。所述舵机壳体包含舵机底座和舵机上盖；所述轴承座和机械限位一体成型于壳体内。

本发明的基于双电机驱动的电动舵机同步控制系统，包括计算模块、检测传感器、误差补偿模块和电机控制器；

所述计算模块用于根据舵机输出轴期望位置与实际位置计算舵机中的驱动电机所需的驱动量；

所述检测传感器包括用于检测舵机中丝杠螺母座的直线位移的直线位移传感器和用于分别检测舵机中两丝杠旋转角度的角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ；

所述电机控制器包括分别用于控制舵机中两驱动电机的电机控制器Ⅰ和电机控制器Ⅱ；其中，电机控制器Ⅰ的输出端作为电机控制器Ⅱ的输入端；

所述误差补偿模块包括误差补偿模块Ⅰ和误差补偿模块Ⅱ；所述误差补偿模块Ⅰ用于将直线位移传感器采集的螺母座实际位置与其理论位置对比后进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅰ；所述误差补偿模块Ⅱ用于将角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ采集的两丝杠之间的角度对比进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅱ。

本发明还公开了一种采用所述基于双电机驱动的电动舵机同步控制系统的舵机控制方法，包括以下步骤：

s1.所述计算模块根据舵机输出轴期望位置与其实际位置，通过舵机传动链所确定的数学模型计算出驱动电机所需的驱动量，并将该驱动量发送至电机控制器Ⅰ；

s2.电机控制器Ⅰ根据计算模块发出的驱动量信息控制电动舵机中的驱动电机Ⅰ转动；电机控制器Ⅰ输出的信号同时发送至电机控制器Ⅱ，以通过电机控制器Ⅱ控制电动舵机中的驱动电机Ⅱ转动；

s3.所述直线位移传感器实时检测螺母座的实际位置，并将螺母座的实际位置信息发送至误差补偿模块Ⅰ；所述误差补偿模块Ⅰ将计算出的补偿信息发送至电机控制器Ⅰ，以修正其发出的驱动信息；

s4.所述角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ分别实时检测电机Ⅰ和电机Ⅱ的转角，并将该转角信息发送至误差补偿模块Ⅱ；所述误差补偿模块Ⅱ将计算出的补偿信息发送至电机控制器Ⅱ，以修正其发出的驱动信息。

本发明的有益效果：

1.本发明的控制方法采用双误差补偿模块，对直线位移和两个丝杠旋转角度误差进行补偿，能够进一步提高控制系统的控制精度。

2.本发明的控制方法，采用全闭环控制系统，能够有效对舵机系统的传动机构引起误差进行补偿。

3.本发明的控制方法中，电机控制器Ⅰ的输出作为电机控制器Ⅱ的输入，同时通过误差补偿，可以在外界出现冲击、激励等情况，有效实现双电机的同步控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明所控制的双电机驱动电动舵机的结构示意图；

图2为本发明的基于双电机驱动的电动舵机同步控制系统示意图；

图3为本发明的基于双电机驱动的电动舵机同步控制方法流程图。

附图标记：驱动电机Ⅰ-1、电机安装座-2、圆锥滚子轴承-3、滚珠丝杠-4、丝杠螺母座-5、丝杆螺母-6、连杆-7、舵机上盖-8、电位计-9、电位计安装座-10、圆锥滚子轴承-11、摇臂-12、圆锥滚子轴承-13、舵机输出轴-14、圆锥滚子轴承-15、舵机底座-16、驱动电机Ⅱ-17。

具体实施方式

如图1所示为本发明的控制系统和方法所控制的双电机驱动电动舵机结构，其包括舵机壳体、两个驱动电机、双滚珠丝杠机构、曲柄滑块机构和舵机输出轴14；两个所述驱动电机分别为驱动电机Ⅰ1和驱动电机Ⅱ17，二者均为直流无刷伺服电机，其通过电机安装座2固定安装于舵机壳体上；所述双滚珠丝杠机构包括与两驱动电机的转轴通过联轴器一一对应传动连接的两根丝杠4以及与两根丝杠4一一对应配合的两个丝杠螺母6；两丝杠4对称布置并通过背靠背设置的圆锥滚子轴承3和圆锥滚子轴承13支承在舵机壳体内。所述曲柄滑块机构包括同时固定于两丝杠螺母6并作为滑块使用的螺母座5、连接于舵机输出轴14的摇臂12和铰接于摇臂12与螺母座5之间的连杆7；所述连杆7为两根且分设在螺母座5上下两侧，所述摇臂12的顶端为叉形结构；所述连杆7的一端通过对称设置于螺母座5顶面和底面的铰轴与螺母座5铰接，连杆7的另一端通过设置于叉形摇臂12两个分叉上的销轴与摇臂12铰接。所述舵机输出轴14通过花键与摇臂12连接，并由圆锥滚子轴承11和圆锥滚子轴承15支承于舵机上盖8和底座16上的轴承座内，舵机上盖8内通过电位计安装座10固定安装有电位计9，该电位计9可以读取舵机输出轴14的旋转角度。

所述双电机驱动电动舵机工作时，两个驱动电机1同方向转动，通过带动各自相连的两个滚珠丝杠4旋转运动，并同时将两个滚珠丝杠运动副的旋转运动转换为丝杠螺母座5的直线运动，从而使两个连杆7带动摇臂12转动，与摇臂12通过花键连接的舵机输出轴14相应发生转动。当两个电机同时反向转动，使舵机输出轴14反向转动，最后实现输出轴在一定范围内的转动。

如图2所示，本实施例的电动舵机控制系统包括包括计算模块、检测传感器、误差补偿模块和电机控制器；

所述计算模块可接受外部输入的舵机输出轴期望位置，根据该期望位置和舵机输出轴实际位置，利用电动舵机传动链所确定的数学模型计算舵机中的驱动电机所需的驱动量；

所述电机控制器包括分别用于控制舵机中两驱动电机的电机控制器Ⅰ和电机控制器Ⅱ；其中，电机控制器Ⅰ的输出端作为电机控制器Ⅱ的输入端；本控制系统中，电机控制器Ⅰ的输入端与计算模块输出端信号连接，以接收计算模块输出的驱动信息；电机控制器Ⅰ的输出端同时信号连接于驱动电机Ⅰ的电机驱动器以及电机控制器Ⅱ的信号输入端；

所述检测传感器包括用于检测舵机中丝杠螺母座的直线位移的直线位移传感器和用于分别检测舵机中两丝杠旋转角度的角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ；

所述误差补偿模块包括误差补偿模块Ⅰ和误差补偿模块Ⅱ；其中，直线位移传感器的信号输出端连接于误差补偿模块Ⅰ的信号输入端，而误差补偿模块Ⅱ的信号输出端连接于电机控制器Ⅱ的信号输入端；所述误差补偿模块Ⅰ用于将直线位移传感器采集的螺母座实际位置与其理论位置对比后进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅰ，通过上述误差补偿可确保螺母座能够精确的处于其理论位置，保证舵机输出轴的位置精度；而所述误差补偿模块Ⅱ用于将角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ采集的两丝杠之间的角度对比进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅱ；由于双电机驱动电动舵机中的两丝杠要求较高的同步精度，两丝杠运行不同步将导致舵机系统内部零部件损坏以及外部输出振动等问题。通过误差补偿模块Ⅱ可有效提高两丝杠的同步精度。

如图3所示，采用本实施例的基于双电机驱动的电动舵机同步控制系统的舵机控制方法，包括以下步骤；

s1.根据航行任务需求，外界人为或自动将舵机输出轴希望达到的设定角度位置信息发送至所述计算模块，计算模块根据舵机输出轴期望位置与其实际位置，通过舵机传动链所确定的数学模型计算出驱动电机所需的驱动量，并将该驱动量发送至电机控制器Ⅰ；

s2.电机控制器Ⅰ根据计算模块发出的驱动量信息控制电动舵机中的驱动电机Ⅰ转动；电机控制器Ⅰ输出的信号同时发送至电机控制器Ⅱ，以通过电机控制器Ⅱ控制电动舵机中的驱动电机Ⅱ转动；

s3.所述直线位移传感器实时检测螺母座的实际位置，并将螺母座的实际位置信息发送至误差补偿模块Ⅰ；所述误差补偿模块Ⅰ对比螺母座的理论位置和实际位置后计算出的补偿信息，并将该补偿信息发送至电机控制器Ⅰ，以修正其发出的驱动信息，确保螺母座的位置精度，从而提高舵机输出轴的位置精度。

s4.所述角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ分别实时检测电机Ⅰ和电机Ⅱ的转角，并将该转角信息发送至误差补偿模块Ⅱ；所述误差补偿模块Ⅱ将计算出的补偿信息发送至电机控制器Ⅱ，电机控制器Ⅱ接收到的来自电机控制器Ⅰ输出的驱动信号经过误差补偿模块Ⅱ发出的补偿信息的修正后，向驱动电机Ⅱ的电机驱动器发出控制信号并控制驱动电机Ⅱ；通过误差补偿模块Ⅱ的补偿信号可以确保两丝杆的转角始终保持同步，避免双丝杠螺母机构中的零部件受损。通过上述控制流程，使电机Ⅰ和电机Ⅱ同步运动，带动丝杠螺母座直线运动，通过曲柄滑块机构带动舵机输出轴旋转。

本控制系统和控制方法可应用于实施例中如图1所示双电机布置结构的电动舵机，针对基于双电机驱动的舵机结构的不同电机布置(如同侧布置、异侧布置)等结构，本发明的控制系统和方法同样适用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于双电机驱动的电动舵机，其特征在于：包括舵机壳体、两个驱动电机、双滚珠丝杠机构、曲柄滑块机构和舵机输出轴；所述双滚珠丝杠机构包括与两驱动电机的转轴一一对应传动连接的两根丝杠以及与两根丝杠一一对应配合的两个丝杠螺母；所述曲柄滑块机构包括同时固定于两丝杠螺母并作为滑块使用的螺母座、连接于舵机输出轴的摇臂和铰接于摇臂与螺母座之间的连杆；

两所述驱动电机均为直流无刷伺服电机；两所述丝杠对称设置并通过圆锥滚子轴承支承于舵机壳体；所述连杆为两根且分设在螺母座上下两侧，所述摇臂的顶端为叉形结构并通过两分叉分别与两连杆铰接。

2.一种用于控制权利要求1所述的电动舵机的控制系统，其特征在于：包括计算模块、检测传感器、误差补偿模块和电机控制器；

所述计算模块用于根据舵机输出轴期望位置与实际位置计算舵机中的驱动电机所需的驱动量；

所述检测传感器包括用于检测舵机中丝杠螺母座的直线位移的直线位移传感器、用于分别检测舵机中两丝杠旋转角度的角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ；

所述电机控制器包括分别用于控制舵机中两驱动电机的电机控制器Ⅰ和电机控制器Ⅱ；其中，电机控制器Ⅰ的输出端作为电机控制器Ⅱ的输入端；

所述误差补偿模块包括误差补偿模块Ⅰ和误差补偿模块Ⅱ；所述误差补偿模块Ⅰ用于将直线位移传感器采集的螺母座实际位置与其理论位置对比后进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅰ；所述误差补偿模块Ⅱ用于将角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ采集的两丝杠之间的角度对比进行偏差补偿并将补偿信息发送至电机控制器Ⅱ。

3.一种采用权利要求2所述的控制系统的舵机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.所述计算模块根据舵机输出轴期望位置与其实际位置，通过舵机传动链所确定的数学模型计算出驱动电机所需的驱动量，并将该驱动量发送至电机控制器Ⅰ；

s2.电机控制器Ⅰ根据计算模块发出的驱动量信息控制电动舵机中的驱动电机Ⅰ转动；电机控制器Ⅰ输出的信号同时发送至电机控制器Ⅱ，以通过电机控制器Ⅱ控制电动舵机中的驱动电机Ⅱ转动；

s3.所述直线位移传感器实时检测螺母座的实际位置，并将螺母座的实际位置信息发送至误差补偿模块Ⅰ；所述误差补偿模块Ⅰ将计算出的补偿信息发送至电机控制器Ⅰ，以修正其发出的驱动信息；

s4.所述角度传感器Ⅰ和角度传感器Ⅱ分别实时检测电机Ⅰ和电机Ⅱ的转角，并将该转角信息发送至误差补偿模块Ⅱ；所述误差补偿模块Ⅱ将计算出的补偿信息发送至电机控制器Ⅱ，以修正其发出的驱动信息。