CN201293933Y - 一种数字式集成化机电作动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字式集成化机电作动器，包括壳体、电动机、转角电位器、减速轮系、单片机、H桥驱动芯片和通信接口元件。其中，电动机通过减速轮系连接输出转盘及转角电位器，转角电位器连接单片机；单片机连接H桥驱动芯片，H桥驱动芯片连接电动机；单片机通过通信接口元件接收外部的控制命令并反馈信息。本作动器在结构上实现了各部件的完全集成化；同时，使用基于单片机系统和PID控制算法的数字控制方式，可以实现优于采用同档次电机的RC servo的动力性能，并实现RC servo等产品不具备的一些辅助功能。本作动器尤其适合应用在小型机器人的关节驱动等场合。

Description

一种数字式集成化机电作动器

技术领域

本实用新型涉及一种作动器，尤其涉及一种将电动机、减速器、控制电路等集成为一体，并利用控制电路中的单片机进行数字化控制的作动器，属于机电一体化技术领域。

背景技术

作动器(Actuator)，有时也称为执行器等，是对机电系统中运动伺服子系统的统称，参见图1所示，其输入为载有期望运动效果的指令信号，输出为和期望相符的执行机构的实际运动。目前，作动器的概念越来越强调将机电系统中涉及运动伺服任务的各装置(包括动力装置、传动装置、运动控制器)作为一个相对独立的子系统进行设计制造，以便为使用作动器的整个机电系统提供简单有效的运动伺服解决方案。

作动器的概念最早在20世纪50年代被提出。早期作动器采用电动液压结构，称作电液作动器(Electro Hydraulic Actuator)。随着现代制造技术的发展，作动器越来越多地使用以齿轮减速器为主的机械传动装置代替液压装置，进而出现了所谓机电作动器(Electro MechanicalActuator)。目前，在大多数应用场合中，机电作动器已成为应用的主流。20世纪90年代之后，随着人类对生产/生活自动化的需求不断提高，作动器的应用领域越来越广，逐渐涵盖了日用电器、医疗器械、交通工具等诸方面。例如在公开号为CN101247061的中国发明专利申请中，公开了一种汽车用电动式作动器，该作动器包括马达、驱动被驱动件转动的传动机构和反馈感应装置，采用非接触式的光学检测方式检测由马达回转引起的角度和位置的变化情况，以解决现有作动器反馈控制方式出现的误差过大、反馈检测装置易磨损的技术问题。另外，在公开号为CN101216701的中国发明专利申请中，公开了一种基于1553B总线的三余度数字式作动器控制器。该数字式作动器控制器在硬件上主要包括DSP处理器、复杂可编程器件、A/D转换器，D/A转换器、通道隔离模块和1553B总线通信模块。该作动器控制器相比传统的模拟式控制器，可以实现更先进复杂的控制算法，有利于作动器向模块化、集成化、智能化和高可靠性方向发展。

随着技术的发展，作动器的集成度不断提高。首先是电动机和传动装置的一体化，之后是以PLC、电机驱动器等设备的出现为代表的控制系统集成化。而未来作动器的发展更强调把作动器的所有元件在物理结构上集成封装为一个整体，实现真正意义上的“黑箱”。这样做的意义在于可以使整个机电系统的其它层面如整体结构、决策控制的开发不必再涉及具体的运动控制与执行机构，进而提高开发效率。同时，集成化的作动器具有好的可移植性，与其它组件相对独立的形式也使升级、替换、维修更加容易。

近几年来，在小型机电作动器领域越来越多的开始一种被称作RCservo的作动装置。RC servo具有比较出色的动力性能，而且集成度和标准化程度也较高，已经成为某些专业领域的主流作动器选择之一。但是，RC servo也存在明显的局限性：首先是目前几乎所有RC servo都采用脉宽调制信号作为输入控制信号，在使用时必须依赖另外设置的脉宽调制信号发生电路对上位机发出的数字指令进行调制，从而增加了系统的硬件规模；其次是RC servo内部的运动控制电路大都是模拟形式，控制效果比较有限，也无法实现向外部提供反馈信息等辅助功能。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于小型机电设备的数字式集成化机电作动器。该机电作动器具有部件集成化、数字式控制、性能优越的特点，可以很好满足微型飞行器舵面驱动、小型机器人关节驱动等领域的实际需求。

为实现上述目的，本实用新型采用下述的技术方案：

一种数字式集成化机电作动器，包括壳体、电动机、减速轮系、输出转盘、转角电位器和控制电路，所述电动机、减速轮系、转角电位器和控制电路都集成在所述壳体内，其特征在于：

所述控制电路包括单片机、H桥驱动芯片和通信接口元件；

所述电动机通过所述减速轮系连接所述输出转盘及所述转角电位器，所述转角电位器连接所述单片机；

所述单片机连接所述H桥驱动芯片，所述H桥驱动芯片连接所述电动机；

所述单片机通过所述通信接口元件接收外部对作动器的控制命令，或向外部反馈信息。

其中，所述壳体由上壳体、中壳体和下壳体组成，构成两个室，其中所述中壳体的上表面和所述上壳体的内腔组成减速器室，用于容纳所述减速轮系；所述中壳体的内腔和所述下壳体的内腔组成电机及控制室，用于容纳电动机、转角电位器及控制电路。

所述减速轮系为多级固定轴直齿轮减速器。

所述电动机为RF130型高速直流电机。

所述单片机为ATMEL mega128芯片。

所述H桥驱动芯片为L6201芯片。

所述通信接口元件为RS485通信接口芯片MAX485CSA。

本实用新型所提供的数字式集成化机电作动器在结构上将包括电动机、减速器、控制电路等在内的作动器系统集成化。同时，本作动器突破了RC servo的模拟控制与通信形式，使用基于单片机系统和PID调节的数字控制，可以实现优于采用同档次电机的RC servo的动力性能。另外，基于单片机的数控方式也使本作动器能够依靠单片机程序实现RCservo所不具备的一些辅助功能，如向外部提供反馈信息、关闭作动器输出力矩等。这些优点使得本作动器尤其适合应用在小型机器人的关节驱动等高端机电领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。

图1为作为一个相对独立子系统的作动器的典型结构示意图；

图2为本实用新型所提供的数字式集成化机电作动器的外观图；

图3为本实用新型所提供的数字式集成化机电作动器的装配图；

图4为本作动器中，减速齿轮系的总体机构简图；

图5为本作动器中，控制电路的工作原理框图；

图6为控制电路的主要元件的详细电路原理图；

图7为本作动器的控制原理示意图；

图8为本作动器中控制器的单片机控制框架示意图；

图9为本作动器与外界进行通信的方式示意图。

具体实施方式

本实用新型所提供的数字式集成化机电作动器是一种转角输出型的小型机电作动器。这种小型机电作动器的外形尺寸线度优选为41mm(长)×20mm(宽)×40mm(高)，采用8V直流供电，输出功率不超过10W，最大输出保持力矩为1N·m，特别适合应用在微型飞行器舵面驱动、小型机器人关节驱动等领域。

参见图2及图3所示，本数字式集成化机电作动器采用“三壳两腔”结构，即壳体由上壳体12、中壳体13和下壳体15三部分组成，构成两个室。其中中壳体13的上表面和上壳体12的内腔组成作动器的减速器室，容纳减速轮系；而中壳体13的内腔和下壳体15的内腔则组成作动器的电机及控制室，容纳电动机01、转角电位器14和控制电路16。上述的三部分壳体靠螺栓(图中未示)装配为一体。

在本数字式集成化机电作动器中，出于反向效率高、成本低廉等多方面的考虑，减速器设计采用多级固定轴直齿轮减速器的形式。根据本作动器的最大输出保持力矩的设计目标和所用电动机的输出力矩，减速器的减速比设计为240，采用4级减速。参见图3及图4所示，为了使减速器结构尽量紧凑，采用类似“塔式”传动路径的布局布置各级齿轮。具体而言，齿轮03以过盈配合方式固定安装在电动机01转轴上，并与双联齿轮02啮合。双联齿轮04也与双联齿轮02啮合在一起。双联齿轮04通过光轴06和轴承05安装在上壳体12及中壳体13上，其小齿轮与双联齿轮07啮合。双联齿轮07和双联齿轮02的中心孔穿有光轴08，它们都位于上述的减速器室之中。双联齿轮07的小齿轮与齿轮轴11啮合。齿轮轴11通过轴承10安装在上壳体12及中壳体13上。输出转盘09设置在整个作动器的最上端，与齿轮轴11固定连接。转角电位器14的转轴靠胶粘方式与齿轮轴11固定连接。该转角电位器14用来测量作动器的输出转角。输出转盘09、齿轮轴11、转角电位器14位于同一轴线上。通过上述的安装方式，电动机01的旋转运动通过由双联齿轮和轴承等组成的减速轮系传递给输出转盘09，从而实现运动输出。转角电位器14随齿轮轴11及输出转盘09同步转动，实现将作动器的实际输出转角转换成与之成正比的电压值，供控制电路16进行闭环位置伺服控制。

本作动器中的电动机可以采用日本MABUCHI公司RF130型高速直流电机。这款电机性能可靠，功率、转速、工作电压等都很适合用于本作动器。当然，采用其它近似型号的高速直流电机也是可以的。这是本领域一般技术人员都能做出的常规选择，在此不予赘述。

在本作动器中，控制电路16主要包括以下几个部分：

1)可编程逻辑元件：单片机；

2)电机驱动元件：H桥驱动芯片，用于接受来自单片机的低功率控制信号，输出高功率驱动信号；

3)模数转换元件：单片机内置的A/D模块，用于获取输出位置等反馈量；

4)与外部的通信接口元件：RS485通信接口芯片；

5)输出转角测量元件(即反馈元件)：转角电位器。

上述各部分的连接关系如图5所示。其中电动机通过减速轮系连接转角电位器14。转角电位器14提供位置反馈信息。该位置反馈信息送入单片机中。该单片机为ATMEL mega128芯片。单片机将低功率PWM信号送入H桥驱动芯片。该H桥驱动芯片为L6201芯片，利用作动器总电源直接供电。H桥驱动芯片一方面向电动机01提供高功率PWM控制信号，另一方面向单片机提供电流反馈信号，供其监视电机是否过载。单片机、RS485通信接口芯片的供电以及转角电位器14的输入电压由5V稳压管L7805提供。在基本控制过程中，单片机通过RS485通信接口接收外部的控制命令如目标位置值等，根据反馈量和PID控制算法计算合适的电机电压，并通过H桥驱动芯片控制电机驱动电压，以此控制电机的正反转动，保证作动器的输出转角与外部输入指令中的目标值一致。

图6为控制电路的详细电路原理图，图中具有相同标识的引线互相连通。在作为单片机的ATMEL mega128芯片中，串行通信端口PD0和PD1分别向/从RS485通信接口芯片发送和接收与外部通信的信息，PD2和PD3分别为RS485通信接口芯片的接收使能端和发送使能端。PB0～PB2为单片机用来输出低功率PWM信号的引脚，它们与L6201的输入端相连接。A/D端口PC0～PC3分别接入稳压管输出、总供电电压、转角电位器14输出电压(用于提供位置反馈信号)、L6201电流反馈采样电阻电压，以获取作动器实际输出转角的反馈量并监视系统工况。另外，在单片机的PB6和PB7端口还配置了外部16.000MHz无源晶振以提供系统时钟。H桥驱动芯片的SEN端口提供上述L6201电流反馈采样电阻电压信号，IN1和IN2端口分别连接单片机芯片mega128中的PB2和PB1端口，OUT1端口和OUT2端口分别连接电动机的电极1和电极2。RS485通信接口芯片为MAX485CSA。这是本领域一般技术人员都很熟悉的通用芯片，在此不予赘述。

依靠在单片机上运行的控制程序，本作动器的控制电路可以实现以下的控制任务：

1)分析从外部输入作动器的指令，从中提取输出转角的目标值或执行其中的一些辅助命令，如关闭作动器输出力矩或向外界反馈信息等；

2)通过单片机各A/D端口采集作动器的各反馈量，包括用于闭环位置伺服的输出转角实际值和用于系统状态监视的电机电流、系统供电电压等；

3)根据输出转角的实际反馈数据和外部输入指令中的输出转角目标值由PID算法计算需要的电机平均驱动电压；

4)根据需要的电机平均驱动电压，产生相应占空比的PWM信号输出至H桥芯片，进行功率放大后再加到电机电枢上，以此驱动电动机转动，使作动器输出转角与外部命令中的目标转角值保持一致(即实现闭环位置伺服)。

其中，控制电路的最主要任务是实现对作动器输出转角的闭环位置伺服，整个系统的控制原理如图7所示。其中的控制算法由单片机程序实现，采用经典控制理论中的PID控制算法，根据作动器输出转角的目标值与实际值的偏差计算输出给H桥驱动芯片的PWM信号占空比(正比于等效电压)，单片机输出的PWM信号经过H桥驱动芯片放大功率后输出到电机电枢上。

根据对系统响应指标的分析，确定的各PID控制参数为：比例调节系数K_P＝4，积分调节系数K_I＝1/700，微分调节系数K_D＝0，采样频率＝200Hz，从而控制算法的频域传递函数为：

$\frac{\mathrm{OCR}\left(z\right)}{\mathrm{ERR}\left(z\right)}=K_P+K_I\frac{z}{z-1}---\left(1\right)$

其中，ERR为转角的目标值(输入指令)和实际值(反馈量)的模数转换结果的差值，OCR为单片机输出的PWM信号的脉宽(正比于电动机的平均驱动电压)。将式(1)进行反Z变换，得到PID的时域算法为：

OCR(kT)＝OCR(kT-T)+(K_P+K_I)·ERR(kT)-K_P·ERR(kT-T)    (2)

其中，T＝5ms为控制周期(采样周期)，k＝0，1，2，3...为控制周期序号。

以上述的PID控制算法为核心，组建的单片机控制框架如图8所示。该控制框架是本领域一般技术人员都能理解和实现的，在此就不详细说明了。

本作动器利用单片机中内置的串行通信模块配合RS485通信接口芯片与外界实现通信，以便从外界获取指令或向外界返回作动器工作状态等信息。如图9所示，受上位机管辖的所有作动器可以共用一条485串行总线进行通信，总线上的各作动器靠唯一的ID编号互相区分，上位机向作动器发送指令时需要首先发送目标作动器的ID编号进行寻址。这种总线通信方式比现有RC servo等产品所采用的“一对一”的通信方式更节省上位机硬件资源，且连线更简单。

综上所述，本数字式集成化机电作动器具有所有部件完全集成化、全数字化控制、性能优越的特点。该作动器采用紧凑的集成化构造，易于安装更换。数字化控制方式使得操纵十分方便，机电系统只需要向作动器提供电源和发出运动指令，不用关心作动器内部的具体控制过程。这种作动器设计方案对于当今普遍使用嵌入式计算机等数控设备进行全局控制的各种机电系统来说十分方便。

以上对本实用新型所述的数字式集成化机电作动器进行了详细的说明。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本实用新型所述技术方案的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字式集成化机电作动器，包括壳体、电动机、减速轮系、输出转盘、转角电位器和控制电路，所述电动机、减速轮系、转角电位器和控制电路集成在所述壳体内，其特征在于：

所述控制电路包括单片机、H桥驱动芯片和通信接口元件；

所述电动机通过所述减速轮系连接所述输出转盘及所述转角电位器，所述转角电位器连接所述单片机；

所述单片机连接所述H桥驱动芯片，所述H桥驱动芯片连接所述电动机；

所述单片机通过所述通信接口元件接收外部输入作动器的控制命令，或向外部反馈信息。

2.如权利要求1所述的数字式集成化机电作动器，其特征在于：

所述壳体由上壳体(12)、中壳体(13)和下壳体(15)组成，构成两个室，其中所述中壳体(13)的上表面和所述上壳体(12)的内腔组成减速器室，用于容纳所述减速轮系；所述中壳体(13)的内腔和所述下壳体(15)的内腔组成电机及控制室，用于容纳所述电动机(01)、所述转角电位器(14)及所述控制电路(16)。

3.如权利要求1所述的数字式集成化机电作动器，其特征在于：

所述减速轮系为多级固定轴直齿轮减速器。

4.如权利要求1所述的数字式集成化机电作动器，其特征在于：

所述电动机为RF130型高速直流电机。

5.如权利要求1所述的数字式集成化机电作动器，其特征在于：

所述单片机为ATMEL mega128芯片。

6.如权利要求1所述的数字式集成化机电作动器，其特征在于：

所述H桥驱动芯片为L6201芯片。

7.如权利要求1所述的数字式集成化机电作动器，其特征在于：

所述通信接口元件为RS485通信接口芯片MAX485CSA。

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