一种应用机械臂的具有空心轴电机的无刷直流伺服系统

摘要

本发明公开一种应用机械臂的具有空心轴电机的无刷直流伺服系统，采用空心轴电机，同时将双增量式编码器定位方式引入到无刷直流伺服系统之中，突破了传统的采用绝对式编码器进行位置定位的方式；将速度和位置增量编码器分别与空心轴电机的空心轴和输出轴同轴固定；使速度编码器Z相停止位与无刷直流电机中电机转子的一相对齐；驱动电路板设置于速度增量编码器与位置增量编码器之间，驱动电路板的两侧面上分别安装有速度增量编码器读头与位置增量编码器读头，分别实时读取速度增量编码器与位置增量编码器产生的差分信号。本发明的优点为：节省空间，成本低廉，整体结构更加紧凑，有较强的环境适应性和可拓展性。

说明书

技术领域

本发明涉及无刷直流伺服定位系统，具体来说，是一种应用机械臂的具有空心轴电机的无刷直流伺服系统，采用空心轴电机，并通过两个增量式码盘唯一确定空心轴电机所处的绝对位置。

背景技术

无刷直流伺服系统中采用无刷直流电机，具有良好的机械特性和调节特性。具有机电常数小，启动电压低的特点。无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷直流电机以电子换向取代机械换向，无机械摩擦，无磨损，无电火花，且具有低电压特性好，转矩过载特性强，启动转矩大，启动电流小的特点。无刷直流电机伺服系统广泛应用在汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等方面。

机械臂中的无刷直流伺服系统，通常采用实心轴电机，其绝对位置通过直流伺服定位系统进行确定。目前，无刷直流电机的绝对位置确定通常采用一个绝对编码器和一个增量式编码器的组合，增量式编码器一般与电机输出轴同轴连接；而对于绝对编码器，由于常见的绝对编码器无法直接安装在电机输出轴上，通常采用一级齿轮传动将电机输出轴的转角连接在绝对编码器上，这样的结构增加了系统结构的复杂性，齿轮传动带来的误差也影响了绝对位置的确定。且由于绝对式编码器受到其自身结构的限制，无法适应具有空心轴无刷直流电机的无刷直流伺服系统中，以及空间受限的环境和任务中。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种应用机械臂的具有空心轴电机的无刷直流伺服系统，采用空心轴电机，并通过双增量码盘的设计，通过双码盘配合确定具有空心轴的无刷直流电机的位置、转速等信息，实现电机的PID控制。

一种应用机械臂的具有空心轴电机的无刷直流伺服系统，包括输出法兰轴、空心轴电机、谐波减速器、双码盘定位机构与驱动电路板。

所述输出法兰轴为输出法兰和输出轴两部分构成的一体结构；输出法兰与输出轴前端同轴相接；其中，输出轴采用空心结构，方便内部走线；输出轴上由前至后依次同轴套有谐波减速器、空心轴电机与双码盘定位机构。

上述谐波减速器固定于输出法兰上；空心轴电机通过热套配合与外壳固定，电机定子前后两端通过外壳内壁周向上设计的轴肩定位；空心轴前端连接谐波减速器的输入端；空心轴的前后两端上分别套有前端盖与后端盖；前端盖、谐波减速器与外壳三者间固定；后端盖与外壳固定；前端盖和后端盖上分别通过深沟球轴承与空心轴前端和后端相连。

所述双码盘定位机构包括速度增量编码器与位置增量编码器；速度增量编码器与位置增量编码器均为中空结构的光栅编码器；速度增量编码器具有一个停止位，输出信号为A、B、Z三相差分信号。速度编码器的中空部分周向上具有三个中心角不同的扇形槽，分别与空心轴电机的空心轴上周向设计的三个扇形键配合定位后，通过螺钉同轴固定于空心轴后端部；且在速度编码器安装完毕后，需保证速度增量编码器Z相停止位与无刷直流电机中电机转子的一相对齐。

位置增量编码器通过周向上设计非均布安装孔，由螺钉将位置增量编码器同轴固定于编码器连接座上；编码器连接座同轴固定在输出轴自由端端部。

驱动电路板设置于速度增量编码器与位置增量编码器之间，驱动电路板的两侧面上分别安装有速度增量编码器读头与位置增量编码器读头，分别实时读取速度增量编码器与位置增量编码器产生的差分信号。

本发明的优点是：

(1)本发明无刷直流伺服系统，采用带有空心轴电机相比实心轴电机，具有结构简单，布局方便等特点，在轻型机械领域有很好的实用性；

(2)本发明无刷直流伺服系统，采用中空式的增量编码器，有利于与中空式的减速器和中空式的电机轴连接；

(3)本发明无刷直流伺服系统，采用单独设计的增量式编码器，而不采用绝对编码器，省去了一级齿轮传动，节省空间，结构更加紧凑；

(4)本发明无刷直流伺服系统，转速编码器除了用作电机的转速检测外，与电机输出轴唯一确定的位置关系，使得所述的转速编码器可以代替霍尔传感器，用作无刷直流电机的换向，省去了霍尔传感器，节省空间，降低成本；

(5)本发明无刷直流伺服系统，位置编码器采用增量式编码器，利用其与减速器输出轴唯一确定的位置关系和特别的编码器设计能够在系统上电时确定当前电机所在的位置；且采用增量式编码器可以降低成本，节省空间。

附图说明

图1为本发明无刷直流伺服系统整体结构示意图；

图2为本发明无刷直流伺服系统中输出法兰轴结构示意图；

图3为本发明无刷直流伺服系统中空心轴电机结构示意图；

图4为本发明无刷直流伺服系统中双码盘定位机构机构示意图；

图5为双码盘定位机构机构中速度增量传感器示意图；

图6为空心轴电机的空心轴端部扇形键示意图；

图7为本发明无刷直流伺服系统中位置增量传感器示意图；

图8为本发明无刷直流伺服系统驱动部分结构框图。

图中：

1-输出法兰轴        2-空心轴电机        3-谐波减速器

4-双码盘定位机构    5-驱动电路板        6-外壳

7-扇形槽            8-扇形键            101-输出法兰

102-输出轴          201-电机定子        202-电机转子

203-空心轴          204-前端盖          205-后端盖

401-速度增量编码器  402-位置增量编码器  403-编码器连接座

404-速度增量编码器Z相停止位   405-位置增量编码器Z相停止位

406-位置增量编码器读头        407-速度增量编码器读头

501-主控模块        502-信号转换模块    503-电机驱动模块

504-电源模块

具体实施方式

本发明无刷直流伺服双码盘定位系统，如图1所示，包括输出法兰轴1、空心轴电机2、谐波减速器3、双码盘定位机构4与驱动电路板5，如图1所示。

所述输出法兰轴为输出法兰101和输出轴102两部分构成的一体结构，如图2所示，输出法兰101与输出轴102前端同轴相接。其中，输出轴102输出轴采用空心结构，方便内部走线；输出轴102上由前至后依次同轴套有谐波减速器2、空心轴电机3与双码盘定位机构4。上述谐波减速器3、空心轴电机2、双码盘定位机构4均位于全铝合金的外壳6内，通过外壳6进行保护；为了便于双码盘定位机构5的更换与维护，将外壳6设计为具有后盖的结构。

上述谐波减速器3通过螺钉固定于输出法兰101上。空心轴电机2为空心轴无刷直流电机，如图3所示，具有电机定子201、电机转子202与空心轴203，如图2所示。空心轴电机2通过热套配合与外壳6固定，电机定子201前后两端通过外壳6内壁周向上设计的轴肩定位。空心轴203前端通过螺钉连接在谐波减速器3的输入端，实现空心轴电机2的轴向定位。空心轴203的前后两端上分别套有前端盖204与后端盖205；如图1所示，前端盖204、谐波减速器3与外壳6三者间通过螺钉固定；后端盖205直接通过螺钉与外壳6间固定；并使前端盖204与后端盖205分别和电机定子201前后两端间具有一定间隙，为电机定子201提供一个加工裕度。前端盖204和后端盖205上分别通过深沟球轴承与空心轴203前端和后端相连，保证空心轴203能够平稳顺畅的转动；同时在前端盖204与空心轴203间还安装有油封，防止谐波减速器2中的油液进入到其他部分中。通过上述结构，空心轴电机2工作，空心轴203转动，通过谐波减速器2减速后，带动输出法兰101转动。

所述双码盘定位机构4包括速度增量编码器401、位置增量编码器402与编码器连接座403，如图4所示。速度增量编码器401、位置增量编码器402均为中空结构的光栅编码器；速度增量编码器401用于空心轴电机2的转速检测和换向检测，具有一个速度增量编码器Z相停止位404，输出信号为A、B、Z三相差分信号，如图5所示。速度增量编码器401的中空部分周向上具有三个中心角不同的扇形槽7，分别与空心轴电机2的空心轴203上周向设计的三个扇形键8配合定位后，通过螺钉同轴固定于空心轴203后端部，使速度增量编码器401与空心轴203具有唯一确定的位置关系，如图5、图6所示，且在速度增量编码器401安装完毕后，需保证速度增量编码器Z相停止位404与电机转子202的一相对齐，此时，电机转子202相对于电机定子201的位置为速度增量编码器401的零位。由此，本发明中速度增量编码器401可代替霍尔传感器，当确定了电机转子202相对于电机定子201的初始位置时，速度增量编码器1上电复位，实时读取速度增量编码器401的差分信号，当速度增量编码器401每旋转60°时进行换向操作，从而实现和代替霍尔传感器的换向作用。

位置增量编码器402用于空心轴电机2的空心轴203内输出轴位置检测，通过周向上设计的四个非均布安装孔，由螺钉将位置增量编码器402同轴固定于编码器连接座403上，可使位置增量编码器402与编码器连接座403具有唯一确定的位置关系。编码器连接座404通过自身周向上开设的安装孔，由螺钉同轴固定在输出轴102自由端端部，使位置增量编码器2与输出轴102同轴定位，且可保证位置增量编码器2和输出轴102具有唯一的位置关系。通过读取位置增量编码器2输出的差分信号，来确定输出轴102相对于初始位置的旋转角度。如图5所示，本发明中将位置增量编码器402的光栅周向分为16个区域，每个区域的刻线数目均不相同，每个区之间具有一个位置增量编码器Z相停止位405的信号，即位置增量编码器读头406每经过一个区域时，都会接收到一个位置增量编码器Z相停止位405的信号。在位置增量编码器402安装时，使初始状态下位置编码器读头406在16个区中的一个区域内，记录位置增量编码器读头406初始的位置值。在上电时，空心轴电机2先按照固定的方向转动一定角度，通过位置增量编码器读头406读取到相邻两个区域内的刻线数目，以确定位置增量编码器402当前位置值，即输出轴102的当前位置值。根据当前位置和记录下的初始位置值，就可以转动空心轴电机2回零。

驱动电路板5设置于速度增量编码器401与位置增量编码器402之间，可通过铜柱支撑于后端盖上。如图4所示，驱动电路板5的两侧面上分别安装有速度增量编码器406读头与位置增量编码器407读头，分别实时读取速度增量编码器401与位置增量编码器402产生的差分信号。驱动电路板5上还设计有主控模块501、信号转换模块502、电机驱动模块503与电源模块504，如图6所示，各个模块间通过CAN总线物理连接建立通信。

其中，信号转换模块502为一块AM26LV32芯片，用来接收速度增量编码器407读头与位置增量编码器读头406读取的差分信号，并分别转换为3.3V电平的单相信号传输至主控模块501。主控模块501由一块ARM架构的处理器STM32 F303RCT6作为主控芯片，用来实现：对接收到的单相信号进行处理，得到空心轴的速度信息与输出轴的位置信息；并发送空心轴电机控制指令，通过电机驱动模块503实现对空心轴电机2的进行控制。所述电源模块504具有LM5576芯片、LM2674芯片与AMS1117芯片，分别用来将48V输入电压转转化成12V、5V、3.3V的电压；其中，12V电压供给电机驱动模块503；5V电压供给速度增量编码器读头407与位置增量编码器读头406；3.3V电压供给主控模块501的主控芯片。上述电机驱动模块503采用常用的H桥驱动电路，通过SVPWM算法实现对空心轴电机的控制。本发明中电机驱动采用的是SUM90N10型号MOS管，100V耐压，具有90A的过流能力，导通电阻6.7mΩ；MOS管驱动选用的是IR2181S，IR2181S是高电压、高速电源增强型场效应三极管MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动器，带有独立的高低端参考输出通道。上述驱动电路板5上还设计有温度传感器、霍尔电流传感器与输入电压检测模块；其中，温度传感器采用LM60型号，实时检测空心轴电机的温度信号，发送至主控芯片，通过主控芯片转化为温度信息。霍尔电流传感器采用ACS712型号，实时检测空心轴电机中三相绕组通过的电流，发送至主控芯片，通过主控芯片转化为电流信息。输入电压检测模块用来检测到输入电压是否存在错误。