CN115864893A - 取消光栅编码器的超声电机驱动系统及测绘系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种取消光栅编码器的超声电机驱动系统及测绘系统，驱动系统包括超声电机及其控制单元，电机配置有用于检测温度信号的温度传感器，控制单元被配置为输出幅值指令和方向指令，以及向频率发生器发送频率指令；根据幅值指令、方向指令以及频率发生器输出的驱动频率信号，得到电机控制信号并将其发送至超声电机；控制单元被配置为接收温度传感器检测到的温度信号，并根据温度信号中的温度值、频率指令中的频率值、幅值指令中的驱动电压的幅值计算电机的单步角度变化值；将频率发生器输出的驱动频率信号，结合单步角度变化值的计算结果，作为角度同步信号以发送至超声电机外部的挂载设备，实现在取消光栅编码器的前提下的角度信号同步。

Description

取消光栅编码器的超声电机驱动系统及测绘系统

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其涉及一种取消光栅编码器的超声电机驱动系统及测绘系统。

背景技术

目前直驱型光电测绘仪器采用的是微型直流力矩电机作为的驱动装置，电机直接驱动光电测绘仪器旋转；测角系统采用混合编码技术。其中光电测绘仪器绝对编码角度作为电机的位置反馈，实现角度的精确定位。光栅编码器角度信号作为电机的速度反馈，实现旋转速度的精确控制。微型直流力矩电机的转子由磁极交替的永磁体径向环绕布置构成，定子内有多个线圈，也按照径向环绕布置。

该技术存在以下缺点：微型直流力矩电机定子与转子不接触，结构上无法实现自锁，需要高速光栅编码器及软件辅助；电机需要电磁绕组和磁路，通过电磁相互作用来转换能力，外部环境会影响电磁作用，且电机转子内部为永磁体，存在调速及转向的问题；伺服反馈为混合编码，包括绝对编码和高速光栅编码，成本较高。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，也不必然会给出技术教导；在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的是提供一种取消光栅编码器后依然能够实现信号同步的超声电机驱动系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种取消光栅编码器的超声电机驱动系统，包括超声电机及其控制单元，驱动系统在取消光栅编码器的前提下，将超声电机角度信号同步至超声电机外部的挂载设备，所述超声电机配置有用于检测温度信号的温度传感器，所述控制单元被配置为输出幅值指令和方向指令，以及向频率发生器发送频率指令；

根据所述幅值指令、方向指令以及所述频率发生器输出的驱动频率信号，得到电机控制信号并将其发送至超声电机；

所述控制单元被配置为接收所述温度传感器检测到的温度信号，并根据所述温度信号中的温度值、所述频率指令中的频率值、所述幅值指令中的驱动电压的幅值计算电机的单步角度变化值；

将所述频率发生器输出的驱动频率信号，结合所述单步角度变化值的计算结果，作为角度同步信号以发送至所述超声电机外部的挂载设备。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，通过以下公式计算所述电机的单步角度变化值：

θ_ste＝n_max·t₀，其中，θ_step为单步角度变化值，t₀为单步时间，n_max为转子角速度，即电机转速，其通过以下公式计算得到：

w＝-0.01T+38.6299，

其中，V为转子线速度，r为定子环的平均半径，A_max为定子的共振振幅，h为定子厚度的一半，w为定子频率，n为定子环振动模态阶数，T为温度，d₃₁为压电常数，U为电压，Q_p为超声电机的压电陶瓷的机械品质因数，s为压电陶瓷的面积，f₀为超声电机的驱动频率，h_p为电陶瓷的弹性模量系数，c_p为压电陶瓷的弹性模量，h_m为定子金属体的弹性模量系数，c_m为定子金属体的弹性模量。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述电机控制信号为相差90°的正交编码信号，进而向所述超声电机的A、B两相提供的相差为90°的正弦驱动电压；

通过调节所述驱动频率的大小来调节超声电机的旋转速度，及通过改变两路正交编码信号的相位关系来改变超声电机的旋转方向。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述控制单元配置有数模转换器，其中，所述温度传感器检测到的温度信号先经过一温度信号转换电路转换，并利用所述数模转换器完成数模转换，得到温度信号的模拟量；

所述控制单元还配置有模数转换器，其用于输出包含驱动电压幅值的幅值指令。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述控制单元输出的方向指令与所述频率发生器输出的驱动频率信号生成电机驱动信号，再经过一信号转换电路对所生成的电机驱动信号及控制单元输出的幅值指令进行转换，得到相差为90°的正弦驱动电压。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，取消光栅编码器的超声电机驱动系统还包括一绝对编码测角系统，其被配置为接收所述超声电机反馈的角度变化信号，以及将其转换为位置信号并将其反馈至所述控制单元。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述超声电机包括竖轴、竖轴套、度盘罩、绝对码盘、定子、转子及下盘连接件，其中，所述竖轴套设在所述竖轴的外周，并采用滚动轴承相互连接；

所述定子设置在度盘罩上，所述转子固定在所述下盘连接件上，所述下盘连接件与所述竖轴套连接而使所述定子与转子接触，所述超声电机通过定转子界面的摩擦耦合将定子的振动转变为转子的旋转运动。

根据本发明的另一方面，提供了一种能够实现对外同步的测绘系统，包括测绘仪、挂载设备及如上所述的超声电机驱动系统，其中，所述测绘仪设置在所述超声电机驱动系统的超声电机的输出轴上；

所述挂载设备与所述测绘仪联动，且所述挂载设备不与所述超声电机的输出轴连接。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述挂载设备为雷达装置或追踪装置。

进一步地，承前所述的任一技术方案或多个技术方案的组合，所述挂载设备为雷达装置，所述雷达装置根据自身雷达探测信号及接收到的角度同步信号，为所述测绘仪构建空间地图。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.采用超声电机，完全可以替代直流力矩电机，可以极大地提高电机驱动的灵活性和可靠性，以加快高精度自动化测绘仪器的响应速度，同时简化装配工艺、减轻仪器重量、降低驱动成本；

b.利用超声电机的工作原理，通过温度、驱动电压幅值、驱动频率的参数可以计算出当前驱动信号所对应的步距，实现与外部挂载设备角度同步，即在伺服控制上无需高速光栅编码器及软件辅助，就能够实现电机速度及位置的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个示例性实施例提供的取消光栅编码器的超声电机驱动系统的结构框图；

图2为本发明的一个示例性实施例提供的超声电机的结构示意图；

其中，附图标记包括：1-竖轴套，2-度盘罩，3-绝对码盘，4-滚动轴承，5-竖轴，6-定子，7-转子，8-下盘连接件，9-拉紧螺母。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种取消光栅编码器的超声电机驱动系统，如图1所示，所述驱动系统包括超声电机及其控制单元，驱动系统在取消光栅编码器的前提下，将超声电机角度信号同步至超声电机外部的挂载设备，所述超声电机配置有用于检测温度信号的温度传感器，所述控制单元被配置为输出幅值指令和方向指令，以及向频率发生器发送频率指令；

根据所述幅值指令、方向指令以及所述频率发生器输出的驱动频率信号，得到电机控制信号并将其发送至超声电机；

所述控制单元被配置为接收所述温度传感器检测到的温度信号，并根据所述温度信号中的温度值、所述频率指令中的频率值、所述幅值指令中的驱动电压的幅值计算电机的单步角度变化值；具体地，采用以下公式计算所述电机的单步角度变化值：

θ_step＝n_max·t₀，其中，θ_step为单步角度变化值，t₀为单步时间，n_max为转子角速度，即电机转速，其通过以下公式计算得到：

w＝-0.01T+38.6299，

其中，V为转子线速度，r为定子环的平均半径，A_max为定子的共振振幅，h为定子厚度的一半，w为定子频率，n为定子环振动模态阶数，T为温度，d₃₁为压电常数，U为电压，Q_p为超声电机的压电陶瓷的机械品质因数，s为压电陶瓷的面积，f₀为超声电机的驱动频率，h_p为电陶瓷的弹性模量系数，c_p为压电陶瓷的弹性模量，h_m为定子金属体的弹性模量系数，c_m为定子金属体的弹性模量。

将所述频率发生器输出的驱动频率信号(决定单步时间t₀)，结合所述单步角度变化值的计算结果，作为角度同步信号以发送至所述超声电机外部的挂载设备。

超声电机的结构参见图2：其包括竖轴5、竖轴套1、度盘罩2、绝对码盘3、定子6、转子7及下盘连接件8，其中，所述竖轴套1设在所述竖轴5的外周，并采用滚动轴承4相互连接；所述竖轴5的下端与拉紧螺母9连接。

所述定子6设置在度盘罩2上，所述转子7固定在所述下盘连接件8上，所述下盘连接件8与所述竖轴套1连接而使所述定子6与转子7接触，所述超声电机通过定转子界面的摩擦耦合将定子的振动转变为转子的旋转运动。

超声电机的定子6与转子7在结构上紧密配合，在实现自锁的前提下同时具备了响应速度快，结构简单，使用寿命长的特点，完全可以替代直流力矩电机。超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。避免电磁感干扰，可断电自锁。

超声电机以压电陶瓷换能片作为核心部件，利用压电陶瓷的逆压电效应直接将电能转换为动能，通过定转子界面的摩擦耦合将定子的振动转变为转子的旋转运动。采用超声电机，可以极大地提高电机驱动的灵活性和可靠性，以加快高精度自动化测绘仪器的响应速度，同时简化装配工艺、减轻仪器重量、降低驱动成本。

根据超声电机的工作原理可知，电机通过定转子界面的摩擦耦合将定子的振动转变为转子的旋转运动，相同振幅下的旋转步距是相同的，定子振动频率由电机驱动控制信号控制，两者同步。定子振幅由电机本身特性、温度、驱动电压幅值、驱动频率决定。其中，电机温度可以通过传感器测量，驱动电压幅值可以通过数模转换器控制，驱动频率由程序主动控制。

因此，能够通过温度、驱动电压幅值、驱动频率的参数，计算出当前驱动信号所对应的步距，实现与外部挂载设备角度同步，即在伺服控制上无需高速光栅编码器及软件辅助，就能够实现电机速度及位置的精确控制。在技术上取消高速光栅编码器，可以降低控制程序的复杂度、成本以及对国外器件的依赖。

在本实施例中，所述电机控制信号为相差90°的正交编码信号(与高速光栅编码器的输出信号形式相同)，进而向所述超声电机的A、B两相提供的相差为90°的正弦驱动电压；

输出驱动电压，则电机启动；撤销该驱动电压，则电机停止。超声电机采用调频调速模式，即通过调节所述驱动频率的大小来调节超声电机的旋转速度，及通过改变两路正交编码信号的相位关系来改变超声电机的旋转方向。驱动电源部分通过限幅反馈电路及单片机的数模转换器主动控制相结合的方式，调整不同温度下驱动信号的幅值。

如图1所示，所述控制单元配置有数模转换器，其中，所述温度传感器检测到的温度信号先经过一温度信号转换电路转换，并利用所述数模转换器完成数模转换，得到温度信号的模拟量；

所述控制单元还配置有模数转换器，其用于输出包含驱动电压幅值的幅值指令。

所述控制单元输出的方向指令与所述频率发生器输出的驱动频率信号生成电机驱动信号，再经过一信号转换电路对所生成的电机驱动信号及控制单元输出的幅值指令进行转换，得到相差为90°的正弦驱动电压，即电机控制信号。

在本发明的一个实施例中，取消光栅编码器的超声电机驱动系统还包括一绝对编码测角系统，其被配置为接收所述超声电机反馈的角度变化信号，以及将其转换为位置信号并将其反馈至所述控制单元。

本发明实施例还提供了一种能够实现对外同步的测绘系统，包括测绘仪、挂载设备及如上所述的超声电机驱动系统，其中，所述测绘仪设置在所述超声电机驱动系统的超声电机的输出轴上；

所述挂载设备与所述测绘仪联动，且所述挂载设备不与所述超声电机的输出轴连接，所述挂载设备为雷达装置或追踪装置。

以雷达装置为例，所述雷达装置根据自身雷达探测信号(距离信号)及接收到的角度同步信号，为所述测绘仪构建周向上的空间地图。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种取消光栅编码器的超声电机驱动系统，包括超声电机及其控制单元，其特征在于，驱动系统在取消光栅编码器的前提下，将超声电机角度信号同步至超声电机外部的挂载设备，所述超声电机配置有用于检测温度信号的温度传感器，所述控制单元被配置为输出幅值指令和方向指令，以及向频率发生器发送频率指令；

根据所述幅值指令、方向指令以及所述频率发生器输出的驱动频率信号，得到电机控制信号并将其发送至超声电机；

所述控制单元被配置为接收所述温度传感器检测到的温度信号，并根据所述温度信号中的温度值、所述频率指令中的频率值、所述幅值指令中的驱动电压的幅值计算电机的单步角度变化值；

将所述频率发生器输出的驱动频率信号，结合所述单步角度变化值的计算结果，作为角度同步信号以发送至所述超声电机外部的挂载设备。

2.根据权利要求1所述的取消光栅编码器的超声电机驱动系统，其特征在于，通过以下公式计算所述电机的单步角度变化值：

θ_step＝n_max·t₀，其中，θ_step为单步角度变化值，t₀为单步时间，n_max为转子角速度，即电机转速，其通过以下公式计算得到：

w＝-0.01T+38.6299，

其中，V为转子线速度，r为定子环的平均半径，A_max为定子的共振振幅，h为定子厚度的一半，w为定子频率，n为定子环振动模态阶数，T为温度，d₃₁为压电常数，U为电压，Q_p为超声电机的压电陶瓷的机械品质因数，s为压电陶瓷的面积，f₀为超声电机的驱动频率，h_p为电陶瓷的弹性模量系数，c_p为压电陶瓷的弹性模量，h_m为定子金属体的弹性模量系数，c_m为定子金属体的弹性模量。

3.根据权利要求1所述的取消光栅编码器的超声电机驱动系统，其特征在于，所述电机控制信号为相差90°的正交编码信号，进而向所述超声电机的A、B两相提供的相差为90°的正弦驱动电压；

通过调节所述驱动频率的大小来调节超声电机的旋转速度，及通过改变两路正交编码信号的相位关系来改变超声电机的旋转方向。

4.根据权利要求1所述的取消光栅编码器的超声电机驱动系统，其特征在于，所述控制单元配置有数模转换器，其中，所述温度传感器检测到的温度信号先经过一温度信号转换电路转换，并利用所述数模转换器完成数模转换，得到温度信号的模拟量；

所述控制单元还配置有模数转换器，其用于输出包含驱动电压幅值的幅值指令。

5.根据权利要求1所述的取消光栅编码器的超声电机驱动系统，其特征在于，所述控制单元输出的方向指令与所述频率发生器输出的驱动频率信号生成电机驱动信号，再经过一信号转换电路对所生成的电机驱动信号及控制单元输出的幅值指令进行转换，得到相差为90°的正弦驱动电压。

6.根据权利要求1所述的取消光栅编码器的超声电机驱动系统，其特征在于，还包括一绝对编码测角系统，其被配置为接收所述超声电机反馈的角度变化信号，以及将其转换为位置信号并将其反馈至所述控制单元。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的取消光栅编码器的超声电机驱动系统，其特征在于，所述超声电机包括竖轴(5)、竖轴套(1)、度盘罩(2)、绝对码盘(3)、定子(6)、转子(7)及下盘连接件(8)，其中，所述竖轴套(1)设在所述竖轴(5)的外周，并采用滚动轴承(4)相互连接；

所述定子(6)设置在度盘罩(2)上，所述转子(7)固定在所述下盘连接件(8)上，所述下盘连接件(8)与所述竖轴套(1)连接而使所述定子(6)与转子(7)接触，所述超声电机通过定转子界面的摩擦耦合将定子的振动转变为转子的旋转运动。

8.一种能够实现对外同步的测绘系统，其特征在于，包括测绘仪、挂载设备及如权利要求1至7中任一项所述的超声电机驱动系统，其中，所述测绘仪设置在所述超声电机驱动系统的超声电机的输出轴上；

所述挂载设备与所述测绘仪联动，且所述挂载设备不与所述超声电机的输出轴连接。

9.根据权利要求8所述的测绘系统，其特征在于，所述挂载设备为雷达装置或追踪装置。

10.根据权利要求8所述的测绘系统，其特征在于，所述挂载设备为雷达装置，所述雷达装置根据自身雷达探测信号及接收到的角度同步信号，为所述测绘仪构建空间地图。

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