CN207071945U - 一种应用于机械臂关节中的伺服驱动系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业驱动装置技术领域，尤其涉及一种应用于机械臂关节中的伺服驱动系统。该伺服驱动系统包括中空轴电机、驱动电路板、编码器电路板、多圈绝对值编码器和光栅编码器，并通过多圈绝对值编码器和光栅编码器配合使用，在保证机械臂关节整体精度的同时，大大减化了多圈绝对值编码器的结构，与现有的多圈绝对值编码器相对比，无需复杂的齿轮组结构，使多圈绝对值编码器的结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高，并且多圈绝对值编码器和光栅编码器的各部都分布安装在中空输入轴、驱动电路板和编码器电路板上，使整个伺服驱动系统结构紧凑，减少其占用空间。

Description

一种应用于机械臂关节中的伺服驱动系统

技术领域

本实用新型涉及工业驱动装置技术领域，尤其涉及一种应用于机械臂关节中的伺服驱动系统。

背景技术

一般机械臂多采用实心轴的永磁同步电机，而伺服驱动部分多通过总线放置于机械臂本体以外。而轻型机械臂(柔性臂)需要较高的负载自重比、紧凑的关节结构，多采用中空轴内部走线，但是电机及减速器尺寸结构限制了中空走线的数量以及线径，所以多在关节中直接放置伺服驱动系统以减少走线复杂度。

目前轻型机械臂关节中的伺服驱动系统，其各部分结构不够紧凑，且结构较为复杂。以常见的机械臂关节的伺服驱动系统为例，为保护精度，其编码器常采用以下几方案：1)高速轴与低速轴各放置一个中空轴结构的编码器，这种方法增加了结构复杂度及轴向尺寸。2)高速轴放置实心轴多圈绝对值式编码器，需要在狭小空间中增加齿轮传动，结构复杂，定位精度也受到影响。同时也不能保证整体关节尺寸紧凑小巧。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种高度集成的应用于机械臂关节的伺服驱动系统，以解决现有机械臂关节的伺服驱动系统结构不紧凑，占空间较大的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种应用于机械臂关节中的伺服驱动系统，包括中空轴电机、驱动电路板、编码器电路板、多圈绝对值编码器和光栅编码器；

所述驱动电路板和所述编码器电路板均固定在关节外壳，且所述驱动电路板和所述编码器电路板间隔设置；

所述多圈绝对值编码器包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器；

所述永磁体安装于所述中空轴电机的中空输入轴并随所述中空输入轴转动；

所述至少一个磁角传感器集成在所述编码器电路板上，且位于所述永磁体的周围，以检测所述中空输入轴的单圈绝对角度值；

标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内，所述单片机集成在所述编码器电路板上；

所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接，以供所述单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述中空输入轴的多圈绝对角度值。

所述光栅编码器包括光栅盘片和光栅读头，所述光栅盘片安装在所述中空输入轴，并随所述中空输入轴转动；所述光栅读头固定在驱动电路板上，用于读取所述光栅盘片。

优选地，所述编码器板设有异型缺口，用于容纳所述光栅读头。

优选地，所述多圈绝对值编码器还设有备用电池，在主电源断电时为所述磁角传感器和单片机供电。

优选地，所述驱动电路板上还设有用于选择所述主电源或所述备用电池向所述单片机和磁角传感器供电的电源选择电路。

优选地，所述备用电池设置在所述驱动电路板上；

所述驱动电路上设用于容纳所述备用电池的缺口。

优选地，所述永磁体为N极与S极对称设置的环状永磁体。

优选地，所述编码器电路板的外侧设置不安装元器件的非安装区，制动器紧贴所述非安装区安装。

优选地，所述驱动电路板上还设有具有宽电压输入范围的电源芯片。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型提供的伺服驱动系统，通过多圈绝对值编码器和光栅编码器配合使用，在保证机械臂关节整体精度的同时，大大减化了多圈绝对值编码器的结构，与现有的多圈绝对值编码器相对比，无需复杂的齿轮组结构，使多圈绝对值编码器的结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高，并且多圈绝对值编码器和光栅编码器的各部都分布安装在中空输入轴、驱动电路板和编码器电路板上，使整个伺服驱动系统结构紧凑，减少其占用空间。

附图说明

图1是本实用新型实施例中伺服驱动系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中驱动电路板和编码器电路板的示意图；

图3是本实用新型实施例中驱动电路板和光栅编码器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中磁角传感器放置在永磁体侧面的结构示意图；

图5是本实用新型另一实施例中磁角传感器放置在永磁体端面的结构示意图。

图中：1：驱动电路板；2：编码器电路板；3：光栅读头；4：光栅盘片；5：备用电池；6：永磁体；7：磁角传感器；100：中空输入轴；200：制动器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-图5所示，本实用新型实施例提供的应用于机械臂关节的伺服驱动系统，包括中空轴电机、驱动电路板1、编码器电路板2、多圈绝对值编码器和光栅编码器，驱动电路板1和编码器电路板2均固定在关节外壳，且驱动电路板1和编码器电路板2间隔设置。优选地，多圈绝对值编码器和光栅编码器均位于驱动电路板1和编码器电路板2之间。并且多圈绝对值编码器和光栅编码器均至少有部分安装在中空轴电机的中空输入轴100上。

本实用新型的实施例中，多圈绝对值编码器包括单片机(图中未示出)、永磁体6和至少一个磁角传感器7。其中，永磁体安装于所述中空轴电机的中空输入轴100上并随中空输入轴100转动，且永磁体1的几何中心位于中空输入轴100的轴线上。

磁角传感器7集成在编码器电路板2上，且位于永磁体1的侧面通过周期变化的磁场给中空输入轴100的单圈绝对角度值。

通过一个标定过程把中空输入轴的单圈绝对角度值的零位标记在单片机中，当单片机检测到单圈绝对角度值的零位时，即可判定中空输入轴100旋转跨圈，而磁角传感器7的输出端与单片机连接，磁角传感器7将检测的信息传送给单片机，单片机根据检测到的单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定中空输入轴100多圈绝对角度值。

多圈绝对值编码器的对外数据接口是一个SPI接口，由单片机提供，配置为SPI从模式。

本实施例的伺服驱动系统还包括光栅编码器，在关节上电并检测到光栅编码器的Z相后，光栅编码器以当前多圈绝对编码器的多圈绝对角度值为基点进行位置信息的累计，进而实现中空输入轴100高精度的多圈绝对角度值的检测。

此后，以光栅编码的检测的位置信息为准，多圈绝对值编码器的多圈绝对角度值信息储存在单片机上，并以光栅编码的检测的位置信息修正多圈绝对值编码器的多圈信息，多圈绝对值编码器在关节掉电状态下采用动态间隔时间采样的策略以保证整机处于较低的功耗水平，并记录储存位置信息。当正常上电并检测到光栅编码器Z相时，再切换到经过标定的光栅编码器绝对位置值。

如图1和图3所示，光栅编码器包括光栅盘片4和光栅读头4，其中，光栅盘片4安装在所述中空输入轴100上，并随中空输入轴100转动，光栅读头3安装在驱动电路板1上，用于读取光栅盘片4，从而得到中空输入轴100的多圈绝对角度值、速度等信息。

优选地，光栅编码器为增量式光栅编码器。

具体地，上电时，集成在驱动电路板上的主控单片机通过SPI通信读取多圈绝对值编码器的位置信息，该单圈绝对位置信息单圈内具有正负2度误差，可满足电流环中电机磁角度检测输入误差要求。经减速器后在低速侧误差小于正负0.02度，满足位置环检测输入误差要求，而速度环的速度检测输入使用分辨率和实时性较高的光栅编码器信号。当用户启动机械臂时，主控单片机控制制动器打开，因主控单片机已具备闭环控制的全部输入信号(通过多圈绝对值编码器获得的位置环和电流环的输入信号，通过光栅编码器获得速度环的信号输入)，可立即进行位置环、速度环和电流环的闭环控制。而在现有技术方案中，或需开环拖动寻找光栅编码器的Z相(高速侧仅使用光栅Z相，低速侧加入绝对值编码器，且结构复杂成本高，宏观上启动时出现自主运动)；或在高速侧直接使用高精度多圈绝对值编码器(现有产品体积较大，且成本很高，不能满足应用要求)。

中空轴电机运行后，当检测发现光栅编码器Z相时，切换至经过准确标定的单圈绝对位置信息，使用该增量式光栅编码器信号，进行位置信息的累计，并同时修正多圈位置信息，使用该标定后的位置信息可具有更高、更准确的检测分辨率，进一步提高控制性能。在不同控制环路融合使用最佳检测信号，使整体控制效果达到最佳。

可选的，当使用较多对极电机时，例如12对极电机，电流环所需提前90度磁通角度对应的单圈绝对角度值是360/12/4＝7.5度，单圈2度误差可能在极低概率运动状态下(一直未检测到光栅编码器的Z相)，出现电机Q轴电流很大的状态，对应会出现电机发热量很大的现象，针对此缺点，在启动时可使用扫描法，针对该角度正负2度范围内扫描检测出电机Q轴电流最小的位置点，用于精确修正该初始位置信息。

本实施例提供的伺服驱动系统，通过多圈绝对值编码器和光栅编码器配合使用，在保证机械臂关节整体精度的同时，大大减化了多圈绝对值编码器的结构，与现有的多圈绝对值编码器相对比，无需复杂的齿轮组结构，使多圈绝对值编码器的结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高。而且，机械臂关节上电后，光栅编码器能够读取多圈绝对值编码器的单圈绝对位置，使关节无需开环转动到光栅编码器的Z相，就能够确定单圈旋转的初始位置，在不漏记圈数的情况下，使机械臂关节启动柔和，无寻零抖动现象发生。

另外，多圈绝对值编码器和光栅编码器的各部都分布安装在中空输入轴100、驱动电路板1和编码器电路板2上，使整个伺服驱动系统结构紧凑，减少其占用空间。

如图1和图2所示，为了进一步地减少伺服驱动系统的轴向尺寸，编码器电路板2设有用于容纳光栅读头3的异型缺口，能够有效减少驱动电路板1和编码器电路板2的轴向间隔距离。

为了能够一直稳定的记录中空输入轴的多圈绝对角度值信息，多编绝对值编码器还设有一个备用电池5，在主电源(外部供电)断电时，备用电池5启动，并为磁角传感器7和单片机供电，使磁角传感器7和单片机时刻保持工作状态。

进一步地，驱动电路板1上设有用于选择主电源或备用电池5向单片机和磁角传感器7供电的电源选择电路。

主电源由外部供电实现，电源选择电路由电源选择芯片实现。具体的，外部供电和备用电池供电通过电源选择芯片切换，可有效去除干扰，避免切换过程中的电源抖动。

在一个具体实施例中，电源选择芯片为MAX6326芯片。其中，备用电池5可选择一个小封装的支持充电功能的锂离子电池，充电控制可以选用专门的锂电池充电管理芯片，也可以通过单片机实现，通过单片机实现时，有外部供电时，单片机通过集成的ADC功能电路检测电池的电压，当电压低于预设门限电压时通过IO控制充电开关电路打开，对电池充电，充电过程中监测电压，电压达到一定值时认为已充满，关断充电电路。其中，充电开关电路可通过三极管实现。

本实用新型实施例中，当所述电源选择电路选择所述备用电池供电且且在预设时间内，所述单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对，当角度变化始终小于阈值时，单片机进入待机，即单片机处于超低功耗的休眠模式，只消耗备用电源很小的电流，用于维持单片机和磁角传感器7的基本工作，防止记圈错误。

此处，单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对的预设时间为0.5S-1.5S，优选为1S，当然该预设时间可以根据中空输入轴的转速、检测精度等因素进行选择。

在一个具体的实施例中，如图4所示，永磁体6采用环状磁铁，磁角传感器7采用模拟输出磁角度传感器集成芯片，位于环状磁铁的侧面，单片机选用低功耗型单片机，电池采用可充电的锂离子电池，。

当使用模拟输出磁角传感器放置在永磁体6的侧面时，需要标定，具体地，模拟输出磁角传感器提供正弦值，余弦值两路信号输出，相位差为45度，可在180度内提供唯一的正弦值和余弦值，以180度周期循环。通过正弦值和余弦值得到正切值，利用正切值查表，用一个高精度的编码器标定它，记录一张正切值与实际角度值的映射表格，并存储到单片机内，单片机根据模拟输出磁角传感器输出的信号即可以得到中空输入轴的实际的角度值。

如图5所示，在另一个实施例中，模拟输出磁角传感器放置在圆形磁铁的端面，在得到正切值后，求反正切就可以得到中空输入轴的实际的角度值。

在其它一些实施例中，还可以使用直接输出角度的磁角传感器，放在端面直接输出角度值，或者磁角传感器自带补偿算法，只需针对不同型号提供一些参数即可。

备用电池5可以安装在驱动电路板、编码器电路板等机械臂关节内的任意部位，优选地，安装在驱动电路板上，且在驱动电路板1上设有用于容纳备用电池5的缺口。

如图2所示，在编码器电路板2的外侧(远离驱动电路板的一侧)设置非安装区，此处的非安装区是指不设置元器件的区域，即编码器电路板2留白的区域，制动器200套设在中空输入轴上，并紧贴编码器电路板2，能够减少机械臂关节的轴向尺寸。

本实用新型实施例中，同时设置驱动电路板1和编码器电路板2，使元器件能够合理分布，进而使周边零部件能够合理分布，使包含制动器在内的整体轴向尺寸缩减至39.4mm，极大的拓展了机械臂关节的活动空间。

为了使机械臂关节适用的范围更广阔，优选地，在驱动电路板1设置具有宽电压输入范围的电源芯片，使其兼容了20-50V的宽电压输入，极大的拓展了机械臂关节的应用范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种应用于机械臂关节中的伺服驱动系统，其特征在于：包括中空轴电机、驱动电路板、编码器电路板、多圈绝对值编码器和光栅编码器；

所述驱动电路板和所述编码器电路板均固定在关节外壳，且所述驱动电路板和所述编码器电路板间隔设置；

所述多圈绝对值编码器包括、单片机、永磁体和至少一个磁角传感器；

所述永磁体安装于所述中空轴电机的中空输入轴并随所述中空输入轴转动；

所述至少一个磁角传感器集成在所述编码器电路板上，且位于所述永磁体的周围，以检测所述中空输入轴的单圈绝对角度值；

标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述、单片机内，所述、单片机集成在所述编码器电路板上；

所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述、单片机连接，以供所述、单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述中空输入轴的多圈绝对角度值；

所述光栅编码器包括光栅盘片和光栅读头，所述光栅盘片安装在所述中空输入轴，并随所述中空输入轴转动；所述光栅读头固定在驱动电路板上，用于读取所述光栅盘片。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述编码器板设有异型缺口，用于容纳所述光栅读头。

3.根据权利要求1所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述多圈绝对值编码器还设有备用电池，在主电源断电时为所述磁角传感器和单片机供电。

4.根据权利要求3所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述驱动电路板上还设有用于选择所述主电源或所述备用电池向所述单片机和磁角传感器供电的电源选择电路。

5.根据权利要求3所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述备用电池设置在所述驱动电路板上；

所述驱动电路上设用于容纳所述备用电池的缺口。

6.根据权利要求1所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述永磁体为N极与S极对称设置的环状永磁体。

7.根据权利要求1所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述编码器电路板的外侧设置不安装元器件的非安装区，制动器紧贴所述非安装区安装。

8.根据权利要求1所述的伺服驱动系统，其特征在于：所述驱动电路板上还设有具有宽电压输入范围的电源芯片。