CN104991442B - 基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统 - Google Patents
基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统 Download PDFInfo
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Abstract
基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统，系统包括舵机减速器、驱动电机、位置检测及伺服驱动控制器。舵机减速器具有较高的强度和刚性，能承受一定的冲击和负载，可直接作为输出关节安装。二级锥齿轮组减速器采用石墨润滑铜轴套作为滑动轴承支承齿轮轴，在低速运动下，其较普通的滚子轴承能承受更大的载荷，且其具有更小的径向尺寸，减小了减速器壳体的尺寸。驱动电机采用两极内转子无刷直流电机。本电动舵机具有较大的结构强度和输出功率，可作为直接驱动装置安装于关节，并满足一般中型机器人关节的输出力矩要求，且运动精度上与一般的伺服电机系统接近，而成本则较低，具有更广的适用性和推广意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种大输出力矩的角位移伺服系统，具体涉及机械设计、电机驱动、伺服控制等技术，属于机电一体化技术领域。
背景技术
电动舵机是一种电机驱动的角位移伺服系统。广泛应用于自动化系统、汽车和模型玩具。小型电动舵机常作为性价比较高的位置伺服控制系统，来驱动小型关节型的机器人。高性能的大中型电动舵机则作为舵面控制系统在无人驾驶飞机，导弹等航天器中得到广泛应用。
目前，在大中型的关节型机器人中，其各关节处常采用直流伺服电机配高精度减速器加旋转编码器构成位置伺服系统。而上述三类产品的市场价格普遍较高，常使得单独一个关节处的造价便达到上万元，大大增加关节型机器人的制造成本。而民用市场常见的电动舵机因其结构强度及驱动电机功率所限，皆为轻载，输出力矩一般难以超过10N.m以上，不能满足大中型机器人关节的驱动功率要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大力矩的电动舵机作为机器人关节及一些角位移控制场合的直接驱动装置，装置主要包括舵机减速器、驱动电机、位置检测及伺服驱动控制器。
舵机减速器具有较高的强度和刚性，能承受一定的冲击和负载，可直接作为输出关节安装。减速器具有较大的减速比，约为i＝224。其分为两部分，初级减速为速比i＝56的行星齿轮组减速，次级为i＝4的二级锥齿轮组减速。
初级减速采用3Z(Ⅱ)型少齿差行星齿轮组减速，具有较紧凑的体积和较大的传动比。
二级锥齿轮组减速器采用石墨润滑铜轴套作为滑动轴承支承齿轮轴，在低速运动下，其较普通的滚子轴承能承受更大的载荷，且其具有更小的径向尺寸，减小了减速器壳体的尺寸。
驱动电机采用最大功率200W的两极内转子无刷直流电机，其具有低电阻、低电感、大工作电流的特点，外形尺寸约φ38x50mm。
伺服驱动控制器与电机机身分离设置，仅通过电缆及数据传输线连接，便于将其布置在较方便的位置，灵活控制整个舵机系统占用的空间体积。
舵机系统具有位置伺服功能，可在不同负载的情况下，根据控制信号线输入的位置信息使输出轴维持在固定角位移位置。采用具有电流滞环控制转矩波动抑制和位置环参数自整定模糊PID控制的伺服控制算法。
本电动舵机具有较大的结构强度和输出功率，可作为直接驱动装置安装于关节，并满足一般中型机器人关节的输出力矩要求，且运动精度上与一般的伺服电机系统接近，而成本则较低，具有更广的适用性和推广意义。
附图说明
图1舵机系统整体三维图；
图2驱动电机及减速器局部图；
图3减速器壳体半剖图；
图4减速器二级锥齿轮组内部装配图；
图5行星减速器输出轴部结构图；
图6行星减速器内部装配图a；
图7行星减速器内部装配图b；
图8电机及舵机驱动器局部图；
图中：1.舵机减速器，2.驱动电机，3.位置检测及伺服驱动控制器，4.输出轴，5.锥齿轮组减速器壳体，6.舵机减速器盖体，7.角位置检测传感器电路，8.圆柱大齿轮，9.套筒，10.石墨润滑铜轴套，11.磁体，12.圆柱小齿轮，13.圆锥大齿轮，14.圆锥小齿轮，15.角接触球轴承，16.行星减速器壳体，17.球轴承，18.输出内齿轮，19.微型球轴承，20.输入齿轮轴，21.行星架，22.行星齿轮，23.固定内齿轮，24.角位移信号线，25.霍尔信号线，26.无刷电机驱动线，27.舵机驱动控制器，28.信号灯，29.电源线正，30.电源线负，31.舵机控制信号线。
具体实施方式
下面结合附图说明下具体实施方式，但本发明并不限于以下实施例。
整体装置如图1，基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统，该系统包括舵机减速器(1)、驱动电机(2)、位置检测及伺服驱动控制器(3)；位置检测及伺服驱动控制器(3)的舵机伺服驱动控制器(27)控制驱动电机(2)经舵机减速器(1)带动输出轴(4)转动。
舵机机身主体如图2，锥齿轮组减速器壳体(5)及舵机减速器盖体(6)采用铝合金铸造加工，其整体尺寸为：130×58×58mm；锥齿轮组减速器壳体(5)与舵机减速器盖体(6)之间由三个普通内六角螺钉及六个高强度铰接螺钉连接，承受较大的切向力；锥齿轮组减速器壳体(5)和舵机减速器盖体(6)上开有螺纹孔以便于安装。
角位置检测传感器(7)固定于舵机减速器盖体(6)上，角位置检测传感器(7)为无接触式磁旋转编码器芯片，以检测360度内的角度；输出轴(4)末端固定有一块与输出轴(4)同轴的小型圆柱形磁体(11)，磁体(11)正对着无接触式磁旋转编码器芯片以触发其中的霍尔检测元件，无接触式磁旋转编码器芯片经过内部信号处理直接输出输出轴(4)的角位置数字信号。
二级锥齿减速器壳体内部如图3，其内部两轴装配关系如图4；驱动电机(2)的输出轴与行星减速器相连；行星减速器的转轴端部与圆锥小齿轮(14)相连，行星减速器安装在行星减速器壳体(16)内；驱动电机(2)的转轴经行星减速器初级减速后由圆锥小齿轮(14)输出，圆锥小齿轮(14)与圆锥大齿轮(13)啮合，进而圆锥小齿轮(14)带动圆锥大齿轮(13)转动；圆锥大齿轮(13)与圆柱小齿轮(12)通过平键连接于同一齿轮轴上，圆柱大齿轮(8)与圆柱小齿轮(12)啮合，圆柱大齿轮(8)以平键连接于输出轴(4)上，由圆锥小齿轮(14)输出的转动经圆柱小齿轮(12)传递到圆柱大齿轮(8)，并由输出轴(4)输出；圆锥小齿轮(14)、圆锥大齿轮(13)组成的锥齿轮组与圆柱大齿轮(8)、圆柱小齿轮(12)组成的直齿轮组减速比均为i＝2；
输出轴(4)为表面淬火的钢轴，输出轴(4)两端以带法兰的石墨润滑铜轴套(10)作为滑动轴承固定于减速器壳体(5)上；套筒(9)以间隙配合套于输出轴(4)上，套筒(9)设置在石墨润滑铜轴套(10)的法兰与圆柱大齿轮(8)之间以阻止输出轴(4)沿轴向滑动；圆锥大齿轮(13)与圆柱小齿轮(12)两端与两铜轴套(10)的法兰顶紧，以阻止两齿轮沿轴向滑动；圆锥小齿轮(14)通过与角接触球轴承(15)配合，固定于减速器壳体(5)上；角接触球轴承(15)的一端紧顶行星减速器壳体(16)，以承受圆锥小齿轮(14)啮合所受到的轴向力与径向力。
行星减速器采用3Z(Ⅱ)型少齿差行星齿轮组，内部结构图5、图6、图7；行星减速器的输出内齿轮(18)通过球轴承(17)安装在行星减速器壳体(16)上，圆锥小齿轮(14)通过平键连接在输出内齿轮(18)的转轴上，如图5。
行星减速器齿轮组如图6、图7；驱动电机(2)以扁轴输出，插入输入齿轮轴(20)的内孔中并以紧定螺钉固定，输入齿轮轴(20)另一端通过微型球轴承(19)安装于输出内齿轮(18)上的轴承座中；输入齿轮轴(20)与三个行星齿轮(22)啮合，三个行星齿轮(22)以120度均布于行星架(21)上，行星架(21)仅用于保持三个行星齿轮(22)，不与齿轮轴(20)的轴部配合；三个行星齿轮(22)具有相同的变位系数，齿面同时与输出内齿轮(18)和固定内齿轮(23)相啮合；输出内齿轮(18)和固定内齿轮(23)的齿数相差为3，具有不同的变位系数，由齿数差而产生较大的减速比；固定内齿轮(23)与行星减速器壳体(16)为一体式结构，行星减速器壳体(16)的内侧开有六个沉头螺钉孔，用以固定连接驱动电机(2)。
打开舵机减速器盖体(6)后，锥齿轮减速器即行星减速器的内部齿轮便会露出，以方便清理减速器内部及添加润滑脂。
驱动电机(2)与位置检测及伺服驱动控制器(3)的舵机驱动控制器连接方式如图8，其中舵机驱动控制器(27)为铝合金外壳，内部为舵机控制驱动电路，舵机驱动控制器(27)的外壳上设有散热孔，舵机驱动控制器(27)的外壳内部有两个微型直流电机驱动风扇散热；驱动电机(2)为带霍尔元件位置检测的两极内转子无刷直流电机，三根无刷电机驱动线(26)输入三相电流以驱动驱动电机(2)；驱动电机(2)的转子位置信号经霍尔信号线(25)输入舵机驱动控制器(27)，输出轴位置检测信号通过角位移信号线(24)输入舵机驱动控制器(27)；电源线正(29)和电源线负(30)连接锂电池组，以给整个系统供电；信号灯(28)用以指示系统是否通电及舵机控制器(27)是否处于工作状态；舵机控制信号线(31)连接上位机，输入控制信号以控制输出轴(4)的角位移。
本电动舵机系统位置环采用模糊PID控制来实现闭环控制，以角位移的偏差量及其变化率为参数输入模糊控制器，解得PID控制器三个环节参数Kp、Ki、Kd，实时调节三个参数的大小，对PID控制参数进行在线修正；模糊PID控制器输出电机电流给定值到滞环控制器。
驱动电机(2)为二二方式导通的无刷电机，系统以电流滞环控制来抑制驱动电机(2)三相的最大电流，消除驱动电机(2)在换向过程中引起的转矩波动；电机三相电流的矩形波的瞬时值电流检测后结合电机转子霍尔位置信号，经过查表变换后，将电枢非换向相电流值输入滞环控制器，与电流给定值比较，滞环控制器通过控制驱动电机的六个mosfet管通的断顺序，使非换向相电流跟随电流给定值，以限制电枢电流的最大值，消除驱动电机(2)换相引起的转矩波动。
上述控制算法以STM8单片机为硬件来实现。
Claims (3)
1.基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统，其特征在于：该系统包括舵机减速器(1)、驱动电机(2)、位置检测及伺服驱动控制器(3)；位置检测及伺服驱动控制器(3)的舵机伺服驱动控制器(27)控制驱动电机(2)经舵机减速器(1)带动输出轴(4)转动；
锥齿轮组减速器壳体(5)与舵机减速器盖体(6)之间由三个普通内六角螺钉及六个高强度铰接螺钉连接，承受较大的切向力；锥齿轮组减速器壳体(5)和舵机减速器盖体(6)上开有螺纹孔以便于安装；
角位置检测传感器(7)固定于舵机减速器盖体(6)上，角位置检测传感器(7)为无接触式磁旋转编码器芯片，以检测360度内的角度；输出轴(4)末端固定有一块与输出轴(4)同轴的小型圆柱形磁体(11)，磁体(11)正对着无接触式磁旋转编码器芯片以触发其中的霍尔检测元件，无接触式磁旋转编码器芯片经过内部信号处理直接输出输出轴(4)的角位置数字信号；
二级锥齿减速器壳体内部中，驱动电机(2)的输出轴与行星减速器相连；行星减速器的转轴端部与圆锥小齿轮(14)相连，行星减速器安装在行星减速器壳体(16)内；驱动电机(2)的转轴经行星减速器初级减速后由圆锥小齿轮(14)输出，圆锥小齿轮(14)与圆锥大齿轮(13)啮合，进而圆锥小齿轮(14)带动圆锥大齿轮(13)转动；圆锥大齿轮(13)与圆柱小齿轮(12)通过平键连接于同一齿轮轴上，圆柱大齿轮(8)与圆柱小齿轮(12)啮合，圆柱大齿轮(8)以平键连接于输出轴(4)上，由圆锥小齿轮(14)输出的转动经圆柱小齿轮(12)传递到圆柱大齿轮(8)，并由输出轴(4)输出；圆锥小齿轮(14)、圆锥大齿轮(13)组成的锥齿轮组与圆柱大齿轮(8)、圆柱小齿轮(12)组成的直齿轮组减速比均为i＝2；
输出轴(4)为表面淬火的钢轴，输出轴(4)两端以带法兰的石墨润滑铜轴套(10)作为滑动轴承固定于减速器壳体(5)上；套筒(9)以间隙配合套于输出轴(4)上，套筒(9)设置在石墨润滑铜轴套(10)的法兰与圆柱大齿轮(8)之间以阻止输出轴(4)沿轴向滑动；圆锥大齿轮(13)与圆柱小齿轮(12)两端与两铜轴套(10)的法兰顶紧，以阻止两齿轮沿轴向滑动；圆锥小齿轮(14)通过与角接触球轴承(15)配合，固定于减速器壳体(5)上；角接触球轴承(15)的一端紧顶行星减速器壳体(16)，以承受圆锥小齿轮(14)啮合所受到的轴向力与径向力；
行星减速器采用3Z(Ⅱ)型少齿差行星齿轮组，行星减速器的输出内齿轮(18)通过球轴承(17)安装在行星减速器壳体(16)上，圆锥小齿轮(14)通过平键连接在输出内齿轮(18)的转轴上；
驱动电机(2)以扁轴输出，插入输入齿轮轴(20)的内孔中并以紧定螺钉固定，输入齿轮轴(20)另一端通过微型球轴承(19)安装于输出内齿轮(18)上的轴承座中；输入齿轮轴(20)与三个行星齿轮(22)啮合，三个行星齿轮(22)以120度均布于行星架(21)上，行星架(21)仅用于保持三个行星齿轮(22)，不与齿轮轴(20)的轴部配合；三个行星齿轮(22)具有相同的变位系数，齿面同时与输出内齿轮(18)和固定内齿轮(23)相啮合；输出内齿轮(18)和固定内齿轮(23)的齿数相差为3，具有不同的变位系数，由齿数差而产生较大的减速比；固定内齿轮(23)与行星减速器壳体(16)为一体式结构，行星减速器壳体(16)的内侧开有六个沉头螺钉孔，用以固定连接驱动电机(2)；
打开舵机减速器盖体(6)后，锥齿轮减速器即行星减速器的内部齿轮便会露出，以方便清理减速器内部及添加润滑脂；
驱动电机(2)与位置检测及伺服驱动控制器(3)的舵机驱动控制器连接方式中，其中舵机驱动控制器(27)为铝合金外壳，内部为舵机控制驱动电路，舵机驱动控制器(27)的外壳上设有散热孔，舵机驱动控制器(27)的外壳内部有两个微型直流电机驱动风扇散热；驱动电机(2)为带霍尔元件位置检测的两极内转子无刷直流电机，三根无刷电机驱动线(26)输入三相电流以驱动驱动电机(2)；驱动电机(2)的转子位置信号经霍尔信号线(25)输入舵机驱动控制器(27)，输出轴位置检测信号通过角位移信号线(24)输入舵机驱动控制器(27)；电源线正(29)和电源线负(30)连接锂电池组，以给整个系统供电；信号灯(28)用以指示系统是否通电及舵机控制器(27)是否处于工作状态；舵机控制信号线(31)连接上位机，输入控制信号以控制输出轴(4)的角位移；
本电动舵机系统位置环采用模糊PID控制来实现闭环控制，以角位移的偏差量及其变化率为参数输入模糊控制器，解得PID控制器三个环节参数Kp、Ki、Kd，实时调节三个参数的大小，对PID控制参数进行在线修正；模糊PID控制器输出电机电流给定值到滞环控制器；
驱动电机(2)为二二方式导通的无刷电机，系统以电流滞环控制来抑制驱动电机(2)三相的最大电流，消除驱动电机(2)在换向过程中引起的转矩波动；电机三相电流的矩形波的瞬时值电流检测后结合电机转子霍尔位置信号，经过查表变换后，将电枢非换向相电流值输入滞环控制器，与电流给定值比较，滞环控制器通过控制驱动电机的六个mosfet管通的断顺序，使非换向相电流跟随电流给定值，以限制电枢电流的最大值，消除驱动电机(2)换相引起的转矩波动。
2.根据权利要求1所述的基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统，其特征在于：控制算法以STM8单片机为硬件来实现。
3.根据权利要求1所述的基于无刷电机驱动的大力矩舵机伺服系统，其特征在于：锥齿轮组减速器壳体(5)及舵机减速器盖体(6)采用铝合金铸造加工，其整体尺寸为：130×58×58mm。
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