CN206099663U - 一种使用电容编码原理检测位置的伺服电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种伺服电机，其利用电容编码原理检测伺服电机的位置，将位置编码电容的一个极板直接制作在控制电路印制电路板上，第二个极板也通过印制电路板实现，位置编码电容的容值变化通过改变电容极板之间的重叠面积或者是改变电容极板间介质的介电常数实现，位置编码电路所需要的载波产生电路和解调电路集成在控制电路中，通过此方法，伺服电机不再需要独立的旋转编码器，可以大幅度降低成本，节省安装空间，改善可制造性。
Description
技术领域
本实用新型属于伺服电机技术领域，尤其是涉及一种使用电容编码原理检测位置的伺服电机。
背景技术
在机器人和数控机床等自动化领域，核心的运动零件为伺服电机，伺服电机接收位置信息后，可以精确运动至指定的目标位置，带动机器人或自动流水线手臂完成动作，伺服电机比其他运动零件，比如步进电机，精度要高很多，其原因在于伺服电机内部包含了一个反馈环路，实时检测伺服电机力矩输出装置的当前位置，和指定目标位置进行差值，根据差值的大小和正负，调整电机的运动方向，速度和力矩。
目前，伺服电机的构造包括，位置检测装置，电机控制电路，电机，力矩输出装置，其中位置检测装置的精度决定了伺服电机精度。
伺服电机所用的位置检测装置有两种，旋转编码器和电位器，旋转编码器可以实时检测转动轴所在的角度，角度范围为0-360度，而电位器虽然也可以实时检测转动轴所在的角度，但角度范围无法达到0-360度，常见的为0-300度，0-270度等等。鉴于此，要求360度全程检测的伺服电机无一例外都使用旋转编码器。
目前在设计和制作基于旋转编码器的伺服电机时，都需要在伺服电机的力矩输出装置上安装一个独立的旋转编码器，这个独立的旋转编码器内部包含了定子和动子，定子和伺服电机的固定部分连接，动子和伺服电机的力矩输出装置连接，旋转编码器直接输出位置信息，输出至电机控制电路。
对于亟需要降低成本的低端伺服电机领域，使用独立旋转编码器会带来成本的大幅度上升，而且独立的旋转编码器占用了大量空间，给伺服电机的小型化带来了困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种使用电容编码原理检测位置的伺服电机，降低伺服电机的物料和制造成本，同时节省掉安装独立的旋转编码器的空间，为伺服电机的小型化带来更佳的可能性。
电容式的旋转编码器其原理是：将电容的一个极板相对于另一个极板的位置或者是将电容极板相对于绝缘介质层的位置编码为电容容值的变化，然后检测这个容值的变化，即可得到两个极板的相对位置。相比其他的旋转编码器，比如光电编码器，磁电编码器，电容编码器的优点是其动子和转子都可以使用标准且廉价的工业生产设备来加工，常见的是在印制电路板上绘制特定形状的花纹来形成电容的极板，或者是利用注塑工艺做出特定形状的花纹来形成电容的绝缘介质。
考虑到电容编码器的转子和动子的制作特点，在伺服电机的控制电路板上直接加工特定形状的花纹来形成电容的极板，同时将电容编码信号的检测电路集成到伺服电机的控制电路中，使得伺服电机不再需要独立的旋转编码器，大幅度降低伺服电机的成本，同时可以节省出原有的独立旋转编码器所占用的空间，伺服电机制造商可以自行确定编码器的规格并容易的制造出来，不再受限于独立旋转编码器提供商提供的编码器种类有限的现状。
本实用新型的核心思想是：利用电容编码原理，将原有的独立电容编码器分解，将位置编码用的电容，融合到伺服电机控制电路板的印制电路板载体，利用成熟的印制电路板加工技术来实现零成本位置编码电容，同时将独立电容编码器的载波产生电路，解调电路和伺服控制电路集成在一起，达到降低成本，节省空间，提高可制造性的目的。
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种使用电容编码原理检测位置的伺服电机，将位置编码用的电容融合到伺服电机控制电路板。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种伺服电机，包括如下内容：
第一电路板，同时包含控制电路和至少一个构成位置编码电容的第一极板；
第二电路板，与第一电路板平行设置，包含至少一个构成位置编码电容的第二极板；且所述第二极板直接或间接耦合到控制电路的输入端；
电机，包含固定部分和转动部分，其控制信号来自于控制电路，且所述转动部分直接或间接带动第二电路板转动，所述第一极板和第二极板的重叠面积会随着所述第二极板的运动而改变，位置编码电容的容值会随之改变；
力矩输出装置，连接到所述转动部分，将电机的转动转换为力矩输出。
进一步的，所述第一电路板连接到所述固定部分，所述第二电路板与所述力矩输出装置同轴安装，当所述力矩输出装置旋转时，所述第二个极板和所述力矩输出装置同轴运动。
进一步的，所述控制电路可根据所述第二极板直接或间接耦合至控制电路的信号，计算出所述力矩输出装置的位置，调整输出至所述电机的信号。
进一步的，所述控制电路会输出正弦波载波至所述第一极板，所述位置编码电容会对所述正弦波载波进行调制，得到调制波，所述调制波可以是相位调制波，也可以是幅度调制波，或者两者兼有。
本实用新型的另一目的在于提出另一种使用电容编码原理检测位置的伺服电机。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种伺服电机，包括如下内容：
第一电路板，同时包含控制电路和至少一个构成位置编码电容的第一极板；
第二电路板，与第一电路板平行设置，包含至少一个构成位置编码电容的第二极板，且所述第二极板直接或间接耦合到控制电路的输入端；
电机，包含固定部分和转动部分，其控制信号来自于控制电路；
旋转部件，设置在第一极板和第二极板之间，由所述转动部分直接或者间接带动旋转，当所述旋转部件进行旋转时，所述第一极板和第二极板之间的介电常数会随之改变，从而位置编码电容的容值会随之改变；
力矩输出装置，连接到所述转动部分，将电机的转动转换为力矩输出。
进一步的，所述旋转部件为位置编码运动部件，由介电常数不同于空气的材料所制成。
进一步的，所述旋转部件包括第三电路板，所述第三电路板上设有用于编码的导电部分，导电部分与第一极板相对。
进一步的，所述第一电路板和第二电路板均连接到所述固定部分，所述旋转部件与所述力矩输出装置同轴安装，当所述力矩输出装置运动时，所述旋转部件随之运动。
进一步的，所述控制电路可根据所述第二极板耦合至控制电路的信号，计算出所述力矩输出装置的位置，调整输出至所述电机的信号。
进一步的，所述控制电路会输出正弦波载波至所述第一极板，所述位置编码电容会对所述正弦波载波进行调制，得到调制波，所述调制波可以是相位调制波，也可以是幅度调制波，或者两者兼有。
相对于现有技术，本实用新型所述的伺服电机具有以下优势：
(1)不再需要独立的旋转编码器，成本大幅度降低，伺服电机的体积减少；
(2)不再依赖于独立的旋转编码器，改善了可制造性，设计简单，容易实现。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型实施例一中控制电路所在的第一印制电路板的正面透视图。
图2为本实用新型实施例一的第二印制电路板的正面图。
图3为本实用新型实施例一中控制电路所在第一印制电路板的电学连接示意图。
图4为本实用新型实施例中位置编码电容的2个极板的纵剖面图。
图5为本实用新型实施例一的位置编码电容部分的等效电路图。
图6为本实用新型实施例一中电机的正视图。
图7为本实用新型实施例一中伺服电机的正面透视图。
图8为本实用新型实施例一中伺服电机的纵剖面图。
图9为本实用新型实施例二中控制电路所在第一印制电路板的正面透视图。
图10为本实用新型实施例二的第二印制电路板的正面图。
图11为本实用新型实施例二的位置编码运动部件的结构示意图。
图12为本实用新型实施例二中位置编码原理的电学连接示意图。
图13为本实用新型实施例二中位置编码电容的2个极板的纵剖面图。
图14为本实用新型实施例二的位置编码电容部分的等效电路图。
图15为本实用新型实施例二中伺服电机的正面透视图。
图16为本实用新型实施例二的伺服电机的纵剖面图。
图17为本实用新型实施例三的第三印制电路板的正面图。
图18为本实用新型实施例三的控制电路所在的第一印制电路板的电学连接示意图。
图19为本实用新型实施例三的位置编码原理的电学连接示意图。
图20为本实用新型实施例三的伺服电机的正面透视图。
图21为本实用新型实施例三的伺服电机的纵剖面图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
本实用新型一实施例，伺服电机包含第一印制电路板10，第二印制电路板20，电机30和力矩输出装置40；
所述第一印制电路板10被分为两块区域，分别为位置编码电容区域11和控制电路区域12。
所述位置编码电容区域11上包含了32个发射电极片14，32个发射电极片以圆周方式均匀分布，由导电材料制成；其中以4个发射电极片为一组，构成8组，各组之间相互连接在一起，最终形成4个电极，这4个电极即为构成位置编码电容的第一极板，4个电极分别接收4路载波信号，4路载波信号来自于控制电路区域12的控制电路13；
所述第二印制电路板20上包含了特定形状的电极片21，即为构成位置编码电容的第二极板，由导电材料制成，其形状的外观如图2所示。
所述第一印制电路板10和所述第二印制电路板20共轴，且平行放置，所述第一印制电路板10的4个电极和所述特定形状的电极片21共同构成了容值随着位置编码电容的机体运动而变化的可变电容，其电路表示为4个可变电容并联，分别为第一可变电容22、第二可变电容23、第三可变电容24和第四可变电容25，所述第二印制电路板20转动时，4个可变电容的两个极板的重叠面积会变化，因此4个可变电容的容值都会变化，且可变电容的容值和所述第二印制电路板20所处的角度有一一映射的关系，所述第一印制电路板10和所述第二印制电路板20的正面透视图如图3所示。
同时，所述位置编码电容区域11上还包含了一个第一接收电极片16，第一接收电极片16为圆环形状，由导电材料制成，连接到控制电路13，如图1所示。所述特定形状的电极片21和所述第一接收电极片16也是重叠的，两个电极片之间会形成一个固定容值的电容26，将所述特定形状的电极片21上的信号耦合到所述第一接收电极片16上，等效的电路如图5所示。
如图4所示，由于使用印制电路板上的导电铜箔做电极片，因此，发射电极片14,第一接收电极片16,电极片21都会超出印制电路板平面。
所述电机30包含固定部分31，转动部分32,电力输入端子36，如图6所示。
所述第一印制电路板10刚性连接到所述电机30的固定部分31，所述控制电路13连接到所述电机30的所述电力输入端子36。
所述力矩输出装置40，通过齿轮啮合的方式连接到所述电机30的转动部分32，实现将所述电机30的力矩输出传递到所述力矩输出装置40；具体的，力矩输出装置40通过力矩传动部分37连接转动部分32。
所述第二印制电路板20以共轴的方式连接到所述力矩输出装置40，如图7、8所示。
本实用新型实施例二，伺服电机包含第一印制电路板10，第二印制电路板20，位置编码运动部件50，电机30，力矩输出装置40；
所述第一印制电路板10的结构与实施例一的结构相似，只是没有第一接收电极片16，不在赘述，如图9所示。
所述第二印制电路板20包含第二接收电极片121，此第二接收电极片121为圆环形状，由导电材料制成，连接到控制电路13，如图10所示。
所述位置编码运动部件50由特定形状的介电常数不等于空气介电常数的材料制成，其形状的外观如图11所示。
所述第一印制电路板10，所述位置编码运动部件50，和所述第二印制电路板20共轴，且平行放置，所述第一印制电路板10的4个电极和所述第二接收电极片121共同构成了容值随着位置编码运动部件50运动而变化的可变电容，其电路表示为4个可变电容并联；所述位置编码运动部件50转动时，4个可变电容的两个极板间的介电常数会变化，因此4个可变电容的容值都会变化，且可变电容的容值和所述位置编码运动部件50所处的角度有一一映射的关系，所述第一印制电路板10，所述位置编码运动部件50，和所述第二印制电路板20的正面透视图如图12所示。其侧剖面图如图13所示，由于使用印制电路板上的导电铜箔做电极片，同样的，所述第二接收电极片121也会超出印制电路板平面，等效的电路如图14所示。
所述电机30和所述力矩传动及输出装置40的结构与实施例一的结构相同，不在赘述，如图6所示。
不同的是，所述第一印制电路板10和所述第二印制电路板20刚性连接到所述电机30的固定部分31；所述位置编码运动部件50以共轴的方式连接到所述力矩输出装置40，如图15所示。图16为伺服电机的侧剖面示意图。
实施例三，伺服电机包含第一印制电路板10，第二印制电路板20，第三印制电路板250，电机30，力矩输出装置40；
所述第一印制电路板10、第二印制电路板20、电机30和力矩输出装置40的结构与实施例二相同，不在赘述，如图9、10所示。
所述第三印制电路板250包含用于编码的特定形状的导电部分251，其外观如图17所示。
所述第一印制电路板10，所述第三印制电路板250，和所述第二印制电路板20共轴，且平行放置，所述第一印制电路板10的4个电极和所述第二接收电极片121共同构成了容值随着第三印制电路板250运动而变化的可变电容，其电路表示为4个可变电容并联，所述第三印制电路板250转动时，4个可变电容的两个极板间的介电常数会变化，因此4个可变电容的容值都会变化，且可变电容的容值和所述第二印制电路板20所处的角度有一一映射的关系，所述第一印制电路板10，所述第三印制电路板250，和所述第二印制电路板20的正面透视图如图18所示，其侧剖面图如图19所示，等效的电路如图14所示。
所述第三印制电路板250以共轴的方式连接到所述力矩输出装置40，如图20所示，图21为伺服电机的侧剖面示意图。
三个实施例中所指的特定形状为正弦曲线在极坐标系中的形状。
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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种伺服电机，其特征在于包括如下内容：
第一电路板，同时包含控制电路和至少一个构成位置编码电容的第一极板；
第二电路板，与第一电路板平行设置，包含至少一个构成位置编码电容的第二极板；且所述第二极板直接或间接耦合到控制电路的输入端；
电机，包含固定部分和转动部分，其控制信号来自于控制电路，且所述转动部分直接或间接带动第二电路板转动，所述第一极板和第二极板的重叠面积会随着所述第二极板的运动而改变，位置编码电容的容值会随之改变；
力矩输出装置，连接到所述转动部分，将电机的转动转换为力矩输出。
2.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于：所述第一电路板连接到所述固定部分，所述第二电路板与所述力矩输出装置同轴安装，当所述力矩输出装置旋转时，所述第二个极板和所述力矩输出装置同轴运动。
3.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于：所述控制电路可根据所述第二极板直接或间接耦合至控制电路的信号，计算出所述力矩输出装置的位置，调整输出至所述电机的信号。
4.根据权利要求1所述的伺服电机，其特征在于：所述控制电路会输出正弦波载波至所述第一极板，所述位置编码电容会对所述正弦波载波进行调制，得到调制波，所述调制波可以是相位调制波，也可以是幅度调制波，或者两者兼有。
5.一种伺服电机，其特征在于包括如下内容：
第一电路板，同时包含控制电路和至少一个构成位置编码电容的第一极板；
第二电路板，与第一电路板平行设置，包含至少一个构成位置编码电容的第二极板，且所述第二极板直接或间接耦合到控制电路的输入端；
电机，包含固定部分和转动部分，其控制信号来自于控制电路；
旋转部件，设置在第一极板和第二极板之间，由所述转动部分直接或者间接带动旋转，当所述旋转部件进行旋转时，所述第一极板和第二极板之间的介电常数会随之改变，从而位置编码电容的容值会随之改变；
力矩输出装置，连接到所述转动部分，将电机的转动转换为力矩输出。
6.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于：所述旋转部件为位置编码运动部件，由介电常数不同于空气的材料所制成。
7.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于：所述旋转部件包括第三电路板，所述第三电路板上设有用于编码的导电部分，导电部分与第一极板相对。
8.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于：所述第一电路板和第二电路板均连接到所述固定部分，所述旋转部件与所述力矩输出装置同轴安装，当所述力矩输出装置运动时，所述旋转部件随之运动。
9.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于：所述控制电路可根据所述第二极板耦合至控制电路的信号，计算出所述力矩输出装置的位置，调整输出至所述电机的信号。
10.根据权利要求5所述的伺服电机，其特征在于：所述控制电路会输出正弦波载波至所述第一极板，所述位置编码电容会对所述正弦波载波进行调制，得到调制波，所述调制波可以是相位调制波，也可以是幅度调制波，或者两者兼有。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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