CN204203771U - 一种电动伺服机构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电动伺服机构，包括依次连接的控制模块、驱动模块和电动舵机；控制模块包括电源变换分配电路、主控单元、信号采集电路、逻辑译码电路、电流保护电路和隔离保护电路；驱动模块包括功率驱动电路和电流检测电路；所述功率驱动电路的输入端与所述隔离保护电路的输出端连接，所述功率驱动电路第一输出端连接所述电动舵机；所述电流检测电路的输入端与所述功率驱动电路的第二输出端连接，所述电流检测电路的输出端与所述电流保护电路的输入端连接。本实用新型具有驱动电路简单，体积小、成本低、运行可靠等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于电机驱动控制领域，更具体地，涉及一种电动伺服机构。
背景技术
电动伺服机构是一种航天伺服机构，它是导弹姿态控制系统中的执行机构，又称舵系统，主要功能是接收弹上综合控制计算机发出的舵控制信号，通过安装于舵轴的位置传感器敏感舵面偏转角度送入控制器，控制器按照一定的控制规律输出控制信号，经功率驱动电路放大、输出带动舵轴偏转，实现对导弹的姿态控制。传统的伺服机构驱动电路通常采用功率MOSFET或IGBT等功率器件来实现功率电流的转换，通过选择不同耐压及耐电流等级的器件实现预定的驱动。在这种方式下，驱动电路往往需要占用较大的印制板布板空间，进而造成控制器的尺寸变大，影响安装，同时采用这些分立器件或驱动桥模块后，其驱动方案都需要进行优化设计以达到预定的驱动效果。智能功率模块将驱动桥及其门极驱动方案进行了集成，使驱动电路的设计变得简单方便。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种电动伺服机构，其目的在于减小伺服机构的体积，增强小范围安装空间的环境适应性，降低成本。
本实用新型提供了一种电动伺服机构，包括依次连接的控制模块、驱动模块和电动舵机；所述控制模块包括电源变换分配电路、主控单元、信号采集电路、逻辑译码电路、电流保护电路和隔离保护电路；所述电源变换分配电路的输出端分别与所述主控单元、所述信号采集电路、所述逻辑译码电路、所述电流保护电路和所述隔离保护电路的供电端相连；所述信号采集电路的输出端与所述主控单元的输入端相连；所述逻辑译码电路的第一输入端与所述主控单元的输出端相连，所述逻辑译码电路的第一输出端与所述信号采集电路的第一输入端相连，所述信号采集电路的第二输入端连接至所述电动舵机的输出端，所述电流保护电路的输出端与所述逻辑译码电路的第二输入端相连；所述隔离保护电路的输入端与逻辑译码电路的第二输出端连接；所述驱动模块包括功率驱动电路和电流检测电路；所述功率驱动电路的输入端与所述隔离保护电路的输出端连接，所述功率驱动电路第一输出端连接所述电动舵机的输入端；所述电流检测电路的输入端与所述功率驱动电路的第二输出端连接，所述电流检测电路的输出端与所述电流保护电路的输入端连接。
更进一步地，所述主控单元包括第一时钟发生电路和数字信号处理器；所述数字信号处理器的输入端作为所述主控单元的输入端，所述数字信号处理器的输出端作为所述主控单元的输出端，所述数字信号处理器的时钟输入端与所述第一时钟发生电路连接。
更进一步地，所述逻辑译码电路包括第二时钟发生电路和可编程器件单元电路；所述可编程器件单元电路的第一、第二输入端分别作为所述逻辑译码电路的第一、第二输入端，所述可编程器件单元电路的第一、第二输出端分别作为所述逻辑译码电路的第一、第二输出端，所述可编程器件单元电路的时钟输入端与所述第二时钟发生电路连接。
更进一步地，所述功率驱动电路包括带内部自举功能的智能功率模块，用于接受所述控制模块的驱动控制PWM信号，并输出U、V、W三相电机控制信号，实现电动舵机的偏转控制。
更进一步地，所述功率驱动电路采用型号为MSK4322HU的智能功率模块。
更进一步地，所述电流检测电路包括电流检测传感器，用于通过检测功率母线电流，将其转换成对应的电压信号并反馈给所述电流保护电路。
更进一步地，所述电动舵机包括直流无刷电机、二级齿轮减速机构和位置传感器；所述直流无刷电机的旋转通过所述二级齿轮减速机构转换为舵轴的角度输出，所述位置传感器用于检测舵轴转动的角度。
本实用新型中，由于驱动模块中的功率驱动电路采用了带内部自举驱动的智能功率模块，使该伺服机构具有集成度高、体积小、驱动简单、运行速度快等显著特点。
附图说明
图1为本实用新型提供的电动伺服机构模块框图；
图2为本实用新型提供的电动伺服机构中电源变换分配电路的结构示意图；
图3为本实用新型提供的电动伺服机构中主控单元的结构示意图；
图4为本实用新型提供的电动伺服机构中信号采集电路的结构示意图；
图5为本实用新型提供的电动伺服机构中逻辑译码电路的结构示意图；
图6为本实用新型提供的电动伺服机构中电流保护电路的结构示意图；
图7为本实用新型提供的电动伺服机构中隔离保护电路的结构示意图；
图8为本实用新型提供的电动伺服机构中功率驱动电路的结构示意图；
图9为本实用新型提供的电动伺服机构中电流检测电路的结构示意图；
图10为本实用新型提供的电动伺服机构中电动舵机电路的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实用新型提供的电动伺服机构是一种采用内部自举驱动智能功率模块的电动伺服机构，包括依次连接的控制模块1、驱动模块2和电动舵机3；
控制模块1包括电源变换分配电路11、主控单元12、信号采集电路13、逻辑译码电路14、电流保护电路15和隔离保护电路16；电源变换分配电路11的输出端分别与主控单元12、信号采集电路13、逻辑译码电路14、电流保护电路15和隔离保护电路16的供电端相连；信号采集电路13的输出端与主控单元12的输入端相连；逻辑译码电路14的第一输入端与所述主控单元12的输出端相连，所述逻辑译码电路14的第一输出端与所述信号采集电路13的第一输入端相连，信号采集电路13的第二输入端连接至所述电动舵机(3)的输出端，电流保护电路15的输出端与所述逻辑译码电路14的第二输入端相连；隔离保护电路16的输入端与逻辑译码电路14的第二输出端连接。
驱动模块2包括功率驱动电路21和电流检测电路22，功率驱动电路21的输出端与电动舵机3的输入端相连，电流检测电路22的输入端与功率驱动电路21的输出端相连；电流检测电路22的输出端与控制模块1中电流保护电路15相连。
其中，功率驱动电路21采用了带内部自举驱动方式的智能功率模块。
电动舵机3包括依次连接的直流无刷电机31、二级齿轮减速机构32和位置传感器33。
本实用新型提供的电动伺服机构原理如下：主控单元12接收经由信号采集电路13获取的与电动舵机同轴安装的位置传感器的输出反馈信号后通过内部控制算法生成具有一定占空比的PWM信号,该PWM信号送入逻辑译码电路14经运算后产生六路功率驱动信号送入驱动模块2。驱动模块2将直流母线电压调制后施加于电动舵机3，实现伺服机构的闭环控制。其中，驱动模块2的驱动电路部分采用了带内部自举驱动的智能功率模块，使该伺服机构具有集成度高、体积小、驱动简单、运行速度快等显著特点。
本实用新型公开了一种采用内部自举驱动智能功率模块的电动伺服机构。其主要包括控制模块1，驱动模块2及电动舵机3。控制模块1包括电源变换分配电路11，主控单元12，信号采集电路13，逻辑译码电路14，电流保护电路15，隔离保护电路16。
驱动模块2包括功率驱动电路21，电流检测电路22。控制模块1是伺服机构接收综合控制计算机舵控指令，并结合舵机反馈信号进行运算处理的部分。
其中电源变换分配电路11将弹上电气系统提供的电源进行二次变换，提供控制模块其余部分电路工作所需电压。主控单元12采用了高精度高运算速率的数字信号处理器用于根据舵控制电压及反馈信号生成一定占空比的PWM波。信号采集电路13用于采集位置传感器经过无源滤波后的舵反馈信号，提供给主控单元12进行处理。逻辑译码电路14在接受主控单元的PWM信号后，根据一定的规则生成电动舵机所需的驱动信号提供给后级驱动模块2。此外逻辑译码电路14还承担了信号采集电路地址译码及片选信号的发出功能。电流保护电路15接受来自后级驱动模块2中电流检测电路22给出的电流采样信号，根据电路设定的保护值输出电流保护触发信号。隔离保护电路16提供了控制模块1与驱动模块2之间的电气隔离，避免驱动模块中干扰信号对控制模块造成负面影响。
驱动模块2主要包括功率驱动电路21及电流检测电路22。其中功率驱动电路21采用了带内部自举驱动的智能功率模块，驱动简单，使用方便。电流检测电路22使用传感器对功率母线电流进行采样提供给前级电路处理。
本实用新型采用带内部自举驱动功能的智能功率模块作为驱动部件，减小了驱动电路体积，降低了电路成本，具有工作可靠，稳定性高等显著特点。
如附图2所示电源变换分配电路11包括第一隔离DC-DC变换器111、第二隔离DC-DC变换器112、三端稳压器114及低差压稳压器113组成。电源变换分配电路11通过弹上电气系统引入28V直流电源，通过第一隔离DC-DC变换器111变换后得到±15V电压。第一隔离DC-DC变换器111输出端与三端稳压器114输入端相连，通过三端稳压器114变换输出±12V电压供外部位置传感器供电。第二隔离DC-DC变换器112变换输出+5V电压，其输出端与低差压稳压器113的输入端相连，低差压稳压器113变换输出+3.3V、+1.8V电压用于主控单元12、逻辑译码电路14供电。
如附图3所示主控单元12包括第一时钟发生电路121、数字信号处理器122。第一时钟发生电路121的输出端与给数字信号处理器122的时钟输入端相连，用于给其提供基准时钟源，使其正常工作。数字信号处理器122接受来自信号采集电路的位置传感器的反馈信号，并与来自综合控制计算机的舵控制信号比较，根据一定的控制规律输出驱动PWM信号。
如附图4所示信号采集电路13包括低通滤波器电路131与AD采样电路132。其中低通滤波电路131用于对来自位置传感器的原始输入信号进行低通滤波，增强舵系统控制的平稳性、准确性。AD采样电路132是信号采集电路的核心部分，它将采集的位置反馈电压值进行模数转换，通过数据线发送至主控单元用于电动舵机的数字控制。
如附图5所示逻辑译码电路14包括第二时钟发生电路141与可编程器件单元电路142。第二时钟发生电路141输出端与可编程逻辑单元电路的时钟输入端相连，用于提供其正常工作的基准时钟源。可编程逻辑单元电路142接收来自主控单元的PWM信号及外设控制信号，并根据舵机驱动电路拓朴形式输出对应的桥臂驱动信号及外设片选信号，使各部分电路协同工作。
如附图6所示电流保护电路15包括电流保护阈值设定电路151及比较单元电路152。其中电流保护阈值设定电路151通过适当的电阻分压电路设定电流保护阈值。比较单元电路152用于将来自后级电流检测电路的母线电流信号与基准电压比较，当功率母线电流超过保护阈值时关断桥臂驱动信号，实现过电流保护功能。
如附图7所示隔离保护电路16由光电隔离电路161构成，其主要功能是实现控制模块与后级驱动模块的电气隔离，避免驱动模块中高频信号对控制模块形成回路干扰，保障电路的可靠工作。
如附图8所示功率驱动电路21由带内部自举功能的智能功率模块211构成，其主要功能是接受来自前级控制模块的驱动控制PWM信号，输出U、V、W三相电机控制信号，实现电动舵机的偏转。
如附图9所示电流检测电路22由电流检测传感器221构成，其主要功能是通过检测功率母线电流，将其转换成对应的电压信号供前级控制模块中电流保护电路使用。
如附图10所示为电动舵机3由直流无刷电机31、二级齿轮减速机构32和位置传感器33构成；直流无刷电机31的旋转通过所述二级齿轮减速机构32转换为舵轴的角度输出，位置传感器32用于检测舵轴转动的角度；用于位置闭环。
为了更进一步地说明本实用新型提供的采用内部自举驱动智能功率模块的电动伺服机构，现结合具体实例详述如下：
控制模块中电源变换分配电路11可以采用DC－DC变换器LSA2815D、DC－DC变换器LHF+2805S、三端稳压器SG7812AT、三端稳压器SG7912AT及低压差稳压器TPS70451PWP构成，通过以上器件提供电路工作所需电压。主控单元12可采用晶体振荡器ZPB-26-30-V3.3-A5-C3-A、数字信号处理器TMS320F2812PGFA构成。信号采集电路13由电阻RMK2012MB391JM、电容CT41L-0805-2C1-50V-472K构成的无源低通滤波电路及AD转换器AD7656BSTZ组成，实现对位置传感器信号的采集处理。逻辑译码电路14可由晶振ZPB-26-30-V3.3-A5-C3-A、CPLD芯片EPM240T100I5N构成，实现对主控单元信号的逻辑译码处理。电流保护单元电路15可由双比较器MAX924EPE构成比较单元电路对检测到的功率母线电流信号与由分压电路设定的保护阈值进行比较，输出保护触发信号。隔离保护电路16可由光电耦合器HCPL-2631-500E构成，用于对驱动信号及电机的霍尔信号进行光电隔离，提高电路工作的可靠性。
驱动模块中功率驱动电路21由带有内部自举驱动功能的智能功率模块MSK4322HU构成，该模块为三相桥驱动电路，输入信号为六路驱动信号，输出即为电机U、V、W三相控制信号。电流检测电路22由电流传感器ACS714LLCTR-30A-T构成，实现功率母线电流的采样。
电动舵机中直流伺服电机可以采用无刷直流电机J40ZWX02，传动机构可以采用二级齿轮减速机构，位置传感器可以采用直滑式传感器WDL25-1。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电动伺服机构，其特征在于，包括依次连接的控制模块(1)、驱动模块(2)和电动舵机(3)；
所述控制模块(1)包括电源变换分配电路(11)、主控单元(12)、信号采集电路(13)、逻辑译码电路(14)、电流保护电路(15)和隔离保护电路(16)；所述电源变换分配电路(11)的输出端分别与所述主控单元(12)、所述信号采集电路(13)、所述逻辑译码电路(14)、所述电流保护电路(15)和所述隔离保护电路(16)的供电端相连；所述信号采集电路(13)的输出端与所述主控单元(12)的输入端相连；所述逻辑译码电路(14)的第一输入端与所述主控单元(12)的输出端相连，所述逻辑译码电路(14)的第一输出端与所述信号采集电路(13)的第一输入端相连，所述信号采集电路(13)的第二输入端连接至所述电动舵机(3)的输出端，所述电流保护电路(15)的输出端与所述逻辑译码电路(14)的第二输入端相连；所述隔离保护电路(16)的输入端与逻辑译码电路(14)的第二输出端连接；
所述驱动模块(2)包括功率驱动电路(21)和电流检测电路(22)；所述功率驱动电路(21)的输入端与所述隔离保护电路(16)的输出端连接，所述功率驱动电路(21)第一输出端连接所述电动舵机(3)的输入端；所述电流检测电路(22)的输入端与所述功率驱动电路(21)的第二输出端连接，所述电流检测电路(22)的输出端与所述电流保护电路(15)的输入端连接。
2.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述主控单元(12)包括第一时钟发生电路(121)和数字信号处理器(122)；
所述数字信号处理器(122)的输入端作为所述主控单元(12)的输入端，所述数字信号处理器(122)的输出端作为所述主控单元(12)的输出端，所述数字信号处理器(122)的时钟输入端与所述第一时钟发生电路(121)连接。
3.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述逻辑译码电路(14)包括第二时钟发生电路(141)和可编程器件单元电路(142)；
所述可编程器件单元电路(142)的第一、第二输入端分别作为所述逻辑译码电路(14)的第一、第二输入端，所述可编程器件单元电路(142)的第一、第二输出端分别作为所述逻辑译码电路(14)的第一、第二输出端，所述可编程器件单元电路(142)的时钟输入端与所述第二时钟发生电路(141)连接。
4.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述功率驱动电路(21)包括带内部自举功能的智能功率模块(211)，用于接受所述控制模块(1)的驱动控制PWM信号，并输出U、V、W三相电机控制信号，实现电动舵机的偏转控制。
5.如权利要求4所述的电动伺服机构，其特征在于，所述功率驱动电路(21)采用型号为MSK4322HU的智能功率模块。
6.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述电流检测电路(22)包括电流检测传感器(221)，用于通过检测功率母线电流，将其转换成对应的电压信号并反馈给所述电流保护电路(15)。
7.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述电动舵机(3)包括直流无刷电机(31)、二级齿轮减速机构(32)和位置传感器(33)；
所述直流无刷电机(31)的旋转通过所述二级齿轮减速机构(32)转换为舵轴的角度输出，所述位置传感器(32)用于检测舵轴转动的角度。
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