RU210305U1

RU210305U1 - Servo controller for controlling brushless motor with gear

Info

Publication number: RU210305U1
Application number: RU2021139628U
Authority: RU
Inventors: Роман Александрович Горбачев; Владимир Николаевич Герасимов; Андрей Евгеньевич Ефременко; Андрей Владимирович Новиков
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-04-06

Abstract

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована в качестве контроллера сервопривода для управления бесколлекторным электродвигателем с редуктором, в том числе с червячной, гипоидной, волновой, циклоидальной, цилиндрической и конической передачей, с обратной связью по току, скорости, положению, крутящему моменту. Сущность полезной модели состоит в том, что контроллер сервопривода, размещаемый на печатной плате, изготовленной из материалов на основе стеклотканей и выполняющей функцию размещения компонентов, содержит микроконтроллер, реализующий алгоритм векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, три силовых транзисторных полумоста для импульсной коммутации обмоток электродвигателя к питанию, стабилизатор питания, комбинированный с драйвером силовых транзисторов, выполняющий стабилизацию питающего напряжения и осуществляющий коммутацию силовых транзисторов, фильтр питания, улучшающий качество питания стабилизатора питания, датчики тока в цепи обмоток электродвигателя, интерфейсные микросхемы связи для обмена данными, например через CAN, интерфейс для подключения абсолютных энкодеров: датчика положения ротора электродвигателя и датчика положения выходного вала редуктора, участвующих в обратной связи, интерфейс датчика крутящего момента для реализации сервопривода с управлением по крутящему моменту и вход стопора редуктора для фиксации редуктора, например соленоидом, на момент отключения питания электродвигателя. 1 ил.The utility model relates to robotics and can be used as a servo controller for controlling a brushless electric motor with a gearbox, including a worm, hypoid, wave, cycloidal, cylindrical and bevel gear, with current, speed, position, torque feedback. The essence of the utility model is that the servo drive controller, placed on a printed circuit board made of materials based on glass fabrics and performing the function of placing components, contains a microcontroller that implements a vector control algorithm for a synchronous electric motor with permanent magnets, three power transistor half-bridges for pulse switching of the electric motor windings to power, a power stabilizer combined with a power transistor driver that stabilizes the supply voltage and switches power transistors, a power filter that improves the power quality of the power stabilizer, current sensors in the motor winding circuit, communication interface chips for data exchange, for example, via CAN, interface for connecting absolute encoders: a position sensor of the motor rotor and a position sensor of the output shaft of the gearbox participating in the feedback, a torque sensor interface for implementing a servo drive with torque control and gearbox stopper input for fixing the gearbox, for example with a solenoid, at the moment of turning off the power to the electric motor. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована в качестве контроллера сервопривода для управления бесколлекторным электродвигателем с редуктором, в том числе с червячной, гипоидной, волновой, планетарной, циклоидальной, цилиндрической и конической передачей, с обратной связью по току, скорости, положению, крутящему моменту.The utility model relates to robotics and can be used as a servo controller for controlling a brushless electric motor with a gearbox, including a worm, hypoid, wave, planetary, cycloidal, spur and bevel gears, with feedback on current, speed, position, torque moment.

Известны варианты контроллеров сервоприводов, позволяющие обрабатывать информацию, поступающую с датчиков об объекте и передавать управляющее воздействие на объект, в том числе - на синхронный электродвигатель с постоянными магнитами. Для определения параметров объекта используются различные виды датчиков, например: датчик углового положения и датчик конечного положения. Информация с датчиков поступает на контроллер, в котором согласно алгоритму управления рассчитывается управляющее воздействие, далее контроллер передает по линиям связи управляющие сигналы на объект.Variants of servo controllers are known that allow processing information coming from sensors about an object and transmitting a control action to an object, including a synchronous electric motor with permanent magnets. To determine the parameters of an object, various types of sensors are used, for example: an angular position sensor and an end position sensor. Information from the sensors is sent to the controller, in which, according to the control algorithm, the control action is calculated, then the controller transmits control signals to the object via communication lines.

Известен цифровой сервопривод (патент РФ на изобретение RU 2643179 C1). Сервопривод, содержащий датчик входного сигнала, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого подсоединен через аналого-цифровой преобразователь к выходу датчика положения, а выход - ко входу цифрового компаратора, соединенного через драйвер электродвигателя и механический редуктор с исполнительным органом, на котором установлен датчик положения.Known digital servo (RF patent for the invention RU 2643179 C1). A servo drive containing an input signal sensor, the output of which is connected to the first input of the error meter, the second input of which is connected via an analog-to-digital converter to the output of the position sensor, and the output is connected to the input of a digital comparator connected via an electric motor driver and a mechanical gearbox to the executive body, on in which the position sensor is installed.

Недостатком известного устройства является управление сервоприводом по положению вала, без подчиненного контура скорости и тока.The disadvantage of the known device is the control of the servo by the position of the shaft, without a slave circuit speed and current.

В качестве ближайшего аналога заявленному техническому решению выбрана плата управления сервоприводом (патент РФ на полезную модель RU 203739 U1). Плата управления сервоприводом, содержащая микроконтроллер, выполненный с возможностью соединения с управляющим устройством посредством расположенной на плате клеммы для подключения к шине связи, и расположенную на плате клемму для соединения микроконтроллера с двигателем сервопривода.The servo drive control board (RF patent for utility model RU 203739 U1) was chosen as the closest analogue to the claimed technical solution. A servo drive control board containing a microcontroller configured to be connected to a control device via a terminal located on the board for connecting to a communication bus, and a terminal located on the board for connecting the microcontroller to the servo motor.

Недостатком известного устройства является отсутствие контура регулирования по крутящему моменту с обратной связью от датчика крутящего момента.A disadvantage of the known device is the absence of a torque control loop with feedback from a torque sensor.

Решаемая техническая проблема: реализация компактного, мощного сервопривода с возможностью управления по крутящему моменту и функцией остановки редуктора при отсутствии питания электродвигателя.Solved technical problem: the implementation of a compact, powerful servo drive with the ability to control the torque and the function of stopping the gearbox in the absence of power to the electric motor.

Достигаемый технический результат: заключается в повышении энергоэффективности и динамических характеристик сервопривода с одновременным уменьшением габаритных размеров контроллера при возможности коммутации высоких токов электродвигателя, что особенно важно при использовании данной полезной модели в автономных мобильных и манипуляционных роботах.Technical result achieved: it consists in increasing the energy efficiency and dynamic characteristics of the servo drive while reducing the overall dimensions of the controller with the possibility of switching high currents of the electric motor, which is especially important when using this utility model in autonomous mobile and handling robots.

Сущность полезной модели: состоит в том, что контроллер сервопривода, размещаемый на печатной плате, изготовленной из материалов на основе стеклотканей и выполняющей функцию размещения компонентов, содержит микроконтроллер, реализующий алгоритм векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, 3 силовых транзисторных полумоста для импульсной коммутации обмоток электродвигателя к питанию, стабилизатор питания, комбинированный с драйвером силовых транзисторов, выполняющий стабилизацию питающего напряжения и осуществляющий коммутацию силовых транзисторов, фильтр питания, улучшающий качество питания стабилизатора питания, датчики тока в цепи обмоток электродвигателя, интерфейсные микросхемы связи для обмена данными, например через CAN, интерфейс для подключения абсолютных энкодеров: датчика положения ротора электродвигателя и датчика положения выходного вала редуктора, участвующих в обратной связи, интерфейс датчика крутящего момента, для реализации сервопривода с управлением по крутящему моменту и вход стопора редуктора для фиксации редуктора, например соленоидом, на момент отключения питания электродвигателя (фиг. 1).The essence of the utility model is that the servo drive controller, placed on a printed circuit board made of materials based on glass fabrics and performing the function of placing components, contains a microcontroller that implements a vector control algorithm for a synchronous electric motor with permanent magnets, 3 power transistor half-bridges for pulsed switching of windings electric motor to power supply, a power stabilizer combined with a power transistor driver that stabilizes the supply voltage and switches power transistors, a power filter that improves the power quality of the power stabilizer, current sensors in the motor winding circuit, communication interface chips for data exchange, for example via CAN, interface for connecting absolute encoders: electric motor rotor position sensor and reducer output shaft position sensor participating in the feedback, torque sensor interface for implementing a servo drive with torque control and the gearbox stopper input for fixing the gearbox, for example, with a solenoid, at the moment the electric motor power is turned off (Fig. one).

Описание работы: на фигуре 1 представлена структура контроллера сервопривода в виде основных компонентов, размещаемых на печатной плате, осуществляющих управление сервоприводом.Description of work: figure 1 shows the structure of the servo controller in the form of the main components placed on the printed circuit board that control the servo.

Плата с размещенными компонентами, получающая внешнее питание и имеющая подключение к линии данных, соединяется со следующими элементами сервопривода: электродвигатель, датчик положения выходного вала редуктора, датчик положения ротора электродвигателя, датчик крутящего момента, фиксатор редуктора, при этом такие элементы как датчик крутящего момента и фиксатор редуктора могут быть не установлены в конструкции сервопривода.The board with placed components, receiving external power and connected to the data line, is connected with the following elements of the servo drive: electric motor, gearbox output shaft position sensor, motor rotor position sensor, torque sensor, gearbox clamp, while elements such as torque sensor and the gearbox lock may not be installed in the servo design.

Питающее напряжение подается на фильтр питания, который частично устраняет противоЭДС во время вращения ротора электродвигателя, поступает на интегрированную микросхему стабилизатора питания с драйвером силовых транзисторов, далее расходится на потребители и вторичные преобразователи напряжения (на схеме не указаны).The supply voltage is supplied to the power filter, which partially eliminates the back-emf during rotation of the motor rotor, goes to the integrated power stabilizer microcircuit with a power transistor driver, then diverges to consumers and secondary voltage converters (not shown in the diagram).

Предлагаемый контроллер сервопривода для управления бесколлекторным электродвигателем с редуктором работает следующим образом. Информация об установке задания поступает по линии данных на интерфейсную микросхему, которая, реализуя физический интерфейс, передает данные микроконтроллеру. Также посредством этого же интерфейса задается режим работы следящего привода, параметры и коэффициенты регуляторов. Микроконтроллер реализует схему подчиненного управления с использованием ПИД-регулятора в каждом контуре управления. Для управления по току реализован алгоритм векторного управления, который, используя данные с датчиков тока, отслеживает задание компоненты вектора тока, участвующей в выработке крутящего момента, и обнуляет другую компоненту вектора тока, расходующую энергию на диссипативные потери, таким образом, повышая КПД сервопривода в целом. С контура тока управляющий сигнал выдается на генератор ШИМ, который подает исполнительные импульсные сигналы на драйвер силовых транзисторов, который усиливает сигналы и выдает их на управляющие входы силовых транзисторных полумостов, которые выполняют коммутацию обмоток электродвигателя к цепи питания. Если установлен датчик крутящего момента, микроконтроллер периодически выполняет опрос датчика и использует считанное значение в контуре обратной связи по крутящему моменту. В случае если установлен фиксатор редуктора, подключенный к входу стопора редуктора, микроконтроллер перед началом вращения ротора электродвигателя отключает фиксацию ротора.The proposed servo controller for controlling a brushless electric motor with a gearbox operates as follows. Information about the setting of the task comes through the data line to the interface chip, which, realizing the physical interface, transmits data to the microcontroller. Also, through the same interface, the operating mode of the servo drive, the parameters and coefficients of the regulators are set. The microcontroller implements a slave control scheme using a PID controller in each control loop. For current control, a vector control algorithm is implemented, which, using data from current sensors, monitors the setting of the current vector component involved in torque generation, and resets the other current vector component that consumes energy for dissipative losses, thus increasing the efficiency of the servo drive as a whole . From the current circuit, the control signal is given to the PWM generator, which supplies executive pulse signals to the power transistor driver, which amplifies the signals and outputs them to the control inputs of the power transistor half-bridges, which switch the motor windings to the power circuit. If a torque sensor is installed, the microcontroller periodically polls the sensor and uses the read value in a torque feedback loop. If a reducer lock is installed, connected to the reducer stopper input, the microcontroller turns off the rotor lock before the start of rotation of the motor rotor.

Claims

Servo controller for controlling a brushless electric motor with a gearbox, containing a microcontroller, three power transistor half-bridges for pulse switching of the motor windings to power supply, a power stabilizer combined with a power transistor driver that stabilizes the supply voltage and switches power transistors, a power filter that improves the power quality of the stabilizer voltage, current sensors in the motor winding circuit, interface communication chips for data exchange, for example, via CAN, an interface for connecting absolute encoders: a motor rotor position sensor and a gearbox output shaft position sensor participating in the feedback, characterized in that the microcontroller implements a vector permanent magnet synchronous motor control and contains a torque sensor interface for realizing a torque controlled servo drive and a gear stop input to fix the gearbox, for example, with a solenoid, at the time of turning off the power to the electric motor.