CN104401483B - 一种机电伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机电伺服系统，属于机电领域，用于解决现有的机电伺服系统不能满足安装空间狭小、结构适应性差等问题，本发明提供的系统包括一台控制驱动器和三台机电伺服作动器；所述控制驱动器的输入端通过RS422总线与当前机电伺服系统的上位机控制系统连接，输出端和所述三台机电伺服作动器分别连接；所述控制驱动器用于接收当前机电伺服系统的上位机控制系统发来的控制指令，并根据采集的各机电伺服动作器的直线运动位移信号、以及各机电伺服动作器的伺服电机的相电流和转动角位置，实现对所述三台机电伺服作动器的闭环控制。该机电伺服系统采用1台控制驱动器控制3台机电伺服作动器，具有高度集成性，体积小，重量轻的优点。

Description

一种机电伺服系统

技术领域

本发明涉及机电技术领域，特别是指一种机电伺服系统。

背景技术

机电伺服机构是飞行器控制系统的执行机构，通过接收控制系统的指令，产生直线或者是旋转运动，推动飞行器的舵面产生操纵力矩，实现飞行器的推力矢量控制。机电伺服系统具有结构简单、动态特性好、装配维护性好的特点，在舵面操纵控制领域得到广泛的应用。

但是，现有的液压伺服系统存在漏油和结构适应性差，难于维护等诸多问题。且现有的机电伺服系统结构复杂、安装空间狭小、重量大可靠性不够高，以及其中驱动控制多采用“一拖一”方案，不利于系统小型化和轻量化，很难满足伺服系统的安装和动态特性要求。因此，急需一种能够满足狭小安装空间舵面操纵的安装和动态特性要求的伺服系统。

发明内容

为了解决现有机电伺服系统结构复杂、安装空间狭小、重量大，驱动控制只能一拖一，不利于系统小型化和轻量化的问题，本发明提供一种机电伺服系统，本发明提供的机电伺服系统采用1台控制驱动器控制3台机电伺服作动器，具有高度集成性，解决了现有技术存在的上述问题。

本发明提供的一种机电伺服系统，包括一台控制驱动器和三台机电伺服作动器；所述控制驱动器的输入端通过RS422总线与当前机电伺服系统的上位机控制系统连接，输出端和所述三台机电伺服作动器分别连接；所述控制驱动器用于接收当前机电伺服系统的上位机控制系统发来的控制指令，采集各机电伺服动作器的直线运动位移信号以及各机电伺服动作器的伺服电机的相电流、伺服电机转动角位置，实现对所述三台机电伺服作动器的闭环控制。

其中，每个所述机电伺服作动器包括伺服电机、滚珠丝杠、导向机构、线位移传感器、旋转变压器、壳体、螺栓组件、支耳组件、限摆机构；所述伺服电机的一边轴端与所述滚珠丝杠连接，另一边轴端安装有所述旋转变压器；所述支耳组件、限摆机构均安装于所述旋转变压器的外侧，且所述限摆机构和支耳组件在机电伺服作动器的径向上对齐；所述导向机构具有一圆柱形导向槽，所述滚珠丝杠的一侧轴设置于所述导向机构的导向槽内，在所述伺服电机旋转时，所述滚珠丝杠在所述导向机构的导向槽内运动；所述螺栓组件安装于所述导向机构的外侧轴端；所述线位移传感器与所述滚珠丝杠固定连接；所述伺服电机、滚珠丝杠、导向机构、线位移传感器、旋转变压器、螺栓组件、支耳组件均设置于所述壳体内；所述控制驱动器通过所述旋转变压器采集所述伺服电机的转动角位置，并通过所述线位移传感器采集所述机电伺服作动器的直线运动位移信号。

其中，所述滚珠丝杠为单螺母固定式内循环滚珠丝杠，且通过增大钢球直径预紧。

其中，所述线位移传感器采用直线、双联、接触式、带中心抽头的合成膜电位计；所述电位计的电刷组件固定于所述滚珠丝杠的螺母上，两个电阻板片安装在所述壳体的两侧。

其中，所述伺服电机和滚珠丝杠之间通过小余量过盈配合方式平键直连。

其中，所述限摆机构为关节轴承限摆装置，包括小支耳；所述限摆机构的小支耳和所述支耳组件的大支耳平行设置。

其中，所述控制驱动器包括通讯模块和三个电机控制驱动模块，每个所述电机控制驱动模块的输入端与所述通讯模块连接，输出端与一台机电伺服动作器连接；所述通讯模块通过RS422总线实现与当前机电伺服系统的上位机控制系统的通讯连接，并通过CAN总线实现与所述电机控制驱动模块的数据交换；每个所述电机控制驱动模块用于在当前机电伺服系统的上位机控制系统的控制下，采集与自身连接的机电伺服动作器的伺服电机的相电流、转动角位置以及机电伺服作动器的直线运动位移信号，通过SVPWM空间矢量控制方法得到6路PWM控制信号，并将所述6路PWM控制信号输出至与自身连接的机电伺服动作器，以实现对该机电伺服动作器的位置以及伺服电机的电流、速度的闭环控制。

其中，所述电机控制驱动模块包括：CAN总线接口电路、DSP及外围电路、电流传感器、存储器电路、信号处理电路、A/D变换电路、旋变解码电路、开关电源变换电路；所述DSP及外围电路通过所述CAN总线接口电路与所述通讯模块连接；所述存储器电路与所述DSP及外围电路连接；所述DSP及外围电路的输出端连接待控制的机电伺服动作器；所述电流传感器用于采集与所述DSP及外围电路连接的机电伺服动作器的伺服电机的2相电流；所述电流传感器的输出端、与所述DSP及外围电路连接的机电伺服动作器的线位移传感器的输出端均与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路用于对当前接收的伺服电机的相电流及机电伺服动作器的直线运动位移信号进行信号处理后提供给所述A/D变换电路进行A/D变换；所述A/D变换电路的输出端连接所述DSP及外围电路；所述旋变解码电路的输入端连接与所述DSP及外围电路连接的机电伺服动作器的旋转变压器输出端，所述旋变解码电路的输出端与所述DSP及外围电路连接；所述DSP及外围电路根据上位机控制系统发来的控制指令以及收到的与自身连接的机电伺服动作器的直线运动位移信号、伺服电机的相电流、伺服电机的转动角位置，通过SVPWM空间矢量控制方法得到6路PWM控制信号并输出至与自身连接的机电伺服动作器；所述开关电源变换电路分别与当前电机控制驱动模块中需供电的所有部件连接，为它们提供电源。

其中，所述DSP及外围电路中的DSP为TMS320F2407A芯片。

其中，所述电机控制驱动模块还包括：采用LM339四路比较器的过流保护电路；所述过流保护电路的输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述过流保护电路的输出端与所述DSP及外围电路连接；所述过流保护电路用于比较判定所述电流传感器采集的伺服电机的2相电流中是否至少有一相电流超过对应的预定阈值，若是，则输出低电平，所述DSP及外围电路在所述过流保护电路输出低电平时切断6路PWM控制信号的输出。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明提供的上述机电伺服系统采用1台控制驱动器控制3台机电伺服作动器，集成化程度高，而且通过合理选用机电伺服作动器中各组成部件以及优化设计部件之间的位置关系，有效减小了整个伺服系统的体积，提高了可靠性，该机电伺服系统相对于现有的伺服系统结构简单，维护容易，体积小、重量比现有的系统减少20％，且可靠性高，能够实现1拖3的高集成性要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种机电伺服系统结构示意图；

图2为机电伺服作动器的俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图1中控制驱动器1的优选实时结构示意图；

图5为图4中的电机控制驱动模块14的优选实时结构示意图；

图6为本发明提供的机电伺服系统中控制驱动器对机电伺服作动器的控制原理图；

图7为电机控制驱动模块14的另一种优选实时结构示意图。

[附图标记说明]

1、控制驱动器；

2、机电伺服作动器；

3、上位机控制系统；

4、伺服电机；

5、滚珠丝杠；

6、导向机构；

7、线位移传感器；

8、旋转变压器；

9、舵机壳体；

10、螺栓组件；

11、支耳组件；

12、限摆机构；

13、通讯模块；

14、电机控制驱动模块；

15、CAN总线接口电路；

16、DSP及外围电路；

17、电流传感器；

18、存储器电路；

19、信号处理电路；

20、A/D变换电路；

21、旋变解码电路；

22、开关电源变换电路；

23、过流保护电路。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1为本发明实施例提供的一种机电伺服系统结构示意图，如图1中所示，该系统包括一台控制驱动器1和三台机电伺服作动器2。其中，控制驱动器1的输入端通过RS422总线与当前机电伺服系统的上位机控制系统3连接，控制驱动器1的输出端和三台机电伺服作动器2分别连接；控制驱动器1用于接收当前机电伺服系统的上位机控制系统3发来的控制指令，采集各机电伺服动作器2的直线运动位移信号以及各机电伺服动作器2的伺服电机的相电流、伺服电机的转动角位置，实现对三台机电伺服作动器2的闭环控制。

图2所示为机电伺服作动器的俯视图，图3为图2的A-A剖视图。如图2和图3所示，优选地，机电伺服作动器包括伺服电机4、滚珠丝杠5、导向机构6、线位移传感器7、旋转变压器8、舵机壳体9、螺栓组件10、支耳组件11、限摆机构12。

其中，如图2-3中所示，伺服电机4的一边轴端与滚珠丝杠5连接，另一边轴端安装有旋转变压器8；支耳组件11、限摆机构12安装于旋转变压器8的外侧，且限摆机构12和支耳组件11在机电伺服作动器的径向上对齐；导向机构6具有一圆柱形导向槽，滚珠丝杠5的左侧轴设置于导向机构6的导向槽内，在伺服电机4旋转时，滚珠丝杠5在导向机构6的导向槽内运动；螺栓组件10安装于导向机构6的外侧轴端，即如图中所示的螺栓组件10安装于导向机构6的左侧轴端；线位移传感器7与滚珠丝杠5固定连接；伺服电机4、滚珠丝杠5、导向机构6、线位移传感器7、旋转变压器8、螺栓组件10、支耳组件11均设置于舵机壳体9内。当采用图2-3所示的优选机电伺服作动器时，本发明提供的机电伺服系统中的控制驱动器1通过旋转变压器8采集伺服电机4的转动角位置，并通过线位移传感器7采集机电伺服作动器2的直线运动位移信号，此时，控制驱动器1中还设置有用于采集与伺服电机4的相电流的电流传感器。

由于伺服电机4转动引起自身的旋转，因此需要设计导向机构，在充分消化吸收现有产品的经验基础上，设计了基于滚动轴承的导向机构，即前面所述的导向机构6具有一圆柱形导向槽，滚珠丝杠5的这一侧轴设置于导向机构6的导向槽内，此种导向机构原理在于通过滚动导向减小摩擦力，同时由于是轴承外圈圆柱面与导向槽端面接触，力学性能好，结构简单，有效解决滚动摩擦等方面的问题。

优选地，滚珠丝杠5为单螺母固定式内循环滚珠丝杠，通过增大刚球直径预紧。滚珠丝杠传动具有传动效率高、工作寿命长、传动精度高等特点。小型化精密传动滚珠丝杠的研制难点在于有限安装空间内轴向间隙调整、滚珠丝杠材料的选取、材料热处理工艺技术、滚道加工技术。

优选地，线位移传感器7采用直线、双联、接触式、带中心抽头的合成膜电位计；电位计的电刷组件固定于滚珠丝杠5的螺母上，两个电阻板片安装在舵机壳体9的两侧。线位移传感器的上述内置方式相对于现有的机电伺服系统中的外置相比大大提高了可靠性、且有效降低了整机体积，并且将传感器刷握固定在滚珠丝杠螺母上，简化了安装结构。

伺服电机4和滚珠丝杠5之间的连接要求无间隙、传递扭矩，实现的技术途径有螺纹连接、键连接、热装等方式，本发明对二者的连接方式从装配性、可靠性等方面进行比较分析，选用伺服电机4和滚珠丝杠5之间通过小余量过盈配合方式平键直连这种优选实施方式。

由于伺服电机4的旋转带动机电伺服作动器2的舵机壳体9发生旋转，因此需要设计防止滚转机构即限摆机构。通常可以采用直接固联、关节轴承限摆、万向铰连接。由于直接固连方式不利于横向发生位移时的力平衡，万向铰联接占用的尺寸空间较大，不利于安装，优选地，本发明提供的系统中限摆机构12为关节轴承限摆装置，包括小支耳；限摆机构12的小支耳和支耳组件11的大支耳平行设置，起到防扭转的作用。

图4为图1中控制驱动器1的优选实时结构示意图，控制驱动器采用1拖3的方式，由1台控制驱动器驱动3台机电伺服动作器2，如图4中所示，控制控制驱动器1包括通讯模块13和三个电机控制驱动模块14，每个电机控制驱动模块14的输入端与通讯模块13连接，输出端与一台机电伺服动作器2连接。

其中，通讯模块13通过RS422总线实现与当前机电伺服系统的上位机控制系统3的通讯连接，并通过CAN总线实现与电机控制驱动模块14的数据交换。每个电机控制驱动模块14用于在当前机电伺服系统的上位机控制系统3的控制下，采集与自身连接的机电伺服动作器2的伺服电机4的相电流、伺服电机4的转动角位置以及该机电伺服作动器2的直线运动位移信号，通过SVPWM空间矢量控制方法得到6路PWM控制信号，并将6路PWM控制信号后输出至与自身连接的机电伺服动作器2，以实现对该机电伺服动作器2的位置以及伺服电机的电流、速度的闭环控制。

图5为图4中的电机控制驱动模块14的优选实时结构示意图，如图5中所示，电机控制驱动模块14包括：CAN总线接口电路15、DSP及外围电路16、电流传感器17、存储器电路18、信号处理电路19、A/D变换电路20、旋变解码电路21、开关电源变换电路22等。

其中，DSP及外围电路16通过CAN总线接口电路15与通讯模块13连接；存储器电路18与DSP及外围电路16连接；DSP及外围电路16的输出端连接待控制的机电伺服动作器。开关电源变换电路22分别与当前电机控制驱动模块14中需供电的所有部件连接，为它们提供电源。

如前面所述，控制驱动器1中设置有电流传感器，电流传感器17与DSP及外围电路16所连接的机电伺服动作器的伺服电机4连接，用于采集该伺服电机4的2相电流。电流传感器17的输出端、与DSP及外围电路16连接的机电伺服动作器的线位移传感器7的输出端均与信号处理电路19的输入端连接，信号处理电路19用于对当前接收的伺服电机4的相电流及机电伺服动作器2的直线运动位移信号进行信号处理后提供给A/D变换电路20进行A/D变换；A/D变换电路20的输出端连接DSP及外围电路16。

旋变解码电路21的输入端连接与DSP及外围电路16连接的机电伺服动作器的旋转变压器8的输出端，旋变解码电路21的输出端与DSP及外围电路16连接。旋变解码电路21用于通过旋转变压器8采集该机电伺服动作器的伺服电机4的转动角位置参数。

DSP及外围电路16根据上位机控制系统发来的控制指令以及收到的与自身连接的机电伺服动作器的直线运动位移信号、伺服电机的相电流、伺服电机的转动角位置，通过SVPWM空间矢量控制方法得到6路PWM控制信号并输出至与自身连接的机电伺服动作器以实现对该机电伺服动作器的闭环控制。

优选地，DSP及外围电路16中的DSP为TMS320F2407A芯片。

图6为本发明提供的机电伺服系统中控制驱动器对机电伺服作动器的控制原理图。其中，通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流i_a、i_b，经过A/D转换转换成数字量i_A和i_B，并利用式i_C＝-(i_A+i_B)计算出i_C。再依次通过Clarke变换和Park变换将电流i_A、i_B、i_C变换成旋转坐标系中的直流分量i_sq、i_sd，i_sq、i_sd作为电流环的负反馈量。利用旋转变压器测量电动机的机械转角位移θ_m，并将其转换成电角度θ_e和转速n。其中，电角度θ_e用于参与Park变换和逆变换的计算。给定角度n_ref与线位移传感器采集位移信号经位置调节器调节后输出给定转速n_ref，n_ref与转速反馈量n的偏差经过速度调节器，其输出作为用于转矩控制的电流q轴参考分量i_sqref。i_sqref和i_sdref(等于零)与电流反馈量i_sq、i_sd的偏差经过电流调节器后，分别输出Odq旋转坐标系的相电压分量V_sqref和V_sdref。V_sqref和V_sdref再通过Park逆变换转换式Oαβ直角坐标系的定子相电压矢量的分量V_sαref和V_sβref。当定子相电压矢量的分量V_sαref、V_sβref和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。

优选地，如图7所示，电机控制驱动模块14还包括：采用LM339四路比较器的过流保护电路23；过流保护电路23的输入端与电流传感器17的输出端连接，过流保护电路23的输出端与DSP及外围电路16连接；过流保护电路23用于比较判定电流传感器17采集的伺服电机4的2相电流中是否至少有一相电流超过对应的预定阈值，若是，则输出低电平，DSP及外围电路16在过流保护电路23输出低电平时切断6路PWM控制信号的输出。经过试验验证，硬件保护设计可行、可靠，没有出现烧坏电路中的管子的现象。

上述方案中机电伺服系统采用1台控制驱动器控制3台机电伺服作动器，集成化程度高，而且通过合理选用机电伺服作动器中各组成部件以及优化设计部件之间的位置关系，有效减小了整个伺服系统的体积，提高了可靠性。该机电伺服系统相对于现有的伺服系统结构简单，维护容易，体积小、重量比现有的系统减少20％，可靠性高，能够实现1拖3的高集成性要求，因此，比现有的机电伺服系统具有优势，实用性强。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机电伺服系统，其特征在于，包括一台控制驱动器和三台机电伺服作动器；

所述控制驱动器的输入端通过RS422总线与当前机电伺服系统的上位机控制系统连接，输出端和所述三台机电伺服作动器分别连接；所述控制驱动器用于接收当前机电伺服系统的上位机控制系统发来的控制指令，采集各机电伺服动作器的直线运动位移信号以及各机电伺服动作器的伺服电机的相电流、伺服电机的转动角位置，实现对所述三台机电伺服作动器的闭环控制；

每个所述机电伺服作动器包括伺服电机、滚珠丝杠、导向机构、线位移传感器、旋转变压器、壳体、螺栓组件、支耳组件、限摆机构；

所述伺服电机的一边轴端与所述滚珠丝杠连接，另一边轴端安装有所述旋转变压器；所述支耳组件、限摆机构均安装于所述旋转变压器的外侧，且所述限摆机构和支耳组件在机电伺服作动器的径向上对齐；所述导向机构具有一圆柱形导向槽，所述滚珠丝杠的一侧轴设置于所述导向机构的导向槽内，在所述伺服电机旋转时，所述滚珠丝杠在所述导向机构的导向槽内运动；所述螺栓组件安装于所述导向机构的外侧轴端；所述线位移传感器与所述滚珠丝杠固定连接；所述伺服电机、滚珠丝杠、导向机构、线位移传感器、旋转变压器、螺栓组件、支耳组件均设置于所述壳体内；

所述控制驱动器通过所述旋转变压器采集所述伺服电机的转动角位置，并通过所述线位移传感器采集所述机电伺服作动器的直线运动位移信号。

2.如权利要求1所述的机电伺服系统，其特征在于，所述滚珠丝杠为单螺母固定式内循环滚珠丝杠，且通过增大钢球直径预紧。

3.如权利要求1所述的机电伺服系统，其特征在于，所述线位移传感器采用直线、双联、接触式、带中心抽头的合成膜电位计；所述电位计的电刷组件固定于所述滚珠丝杠的螺母上，两个电阻板片安装在所述壳体的两侧。

4.如权利要求1所述的机电伺服系统，其特征在于，所述伺服电机和滚珠丝杠之间通过小余量过盈配合方式平键直连。

5.如权利要求1所述的机电伺服系统，其特征在于，所述限摆机构为关节轴承限摆装置，包括小支耳；所述限摆机构的小支耳和所述支耳组件的大支耳平行设置。

6.如权利要求1至5任一项所述的机电伺服系统，其特征在于，所述控制驱动器包括通讯模块和三个电机控制驱动模块，每个所述电机控制驱动模块的输入端与所述通讯模块连接，输出端与一台机电伺服动作器连接；

所述通讯模块通过RS422总线实现与当前机电伺服系统的上位机控制系统的通讯连接，并通过CAN总线实现与所述电机控制驱动模块的数据交换；

每个所述电机控制驱动模块用于在当前机电伺服系统的上位机控制系统的控制下，采集与自身连接的机电伺服动作器的伺服电机的相电流、伺服电机的转动角位置以及机电伺服作动器的直线运动位移信号，通过SVPWM空间矢量控制方法得到6路PWM控制信号，并将所述6路PWM控制信号输出至与自身连接的机电伺服动作器，以实现对该机电伺服动作器的位置以及伺服电机的电流、速度的闭环控制。

7.如权利要求6所述的机电伺服系统，其特征在于，所述电机控制驱动模块包括：CAN总线接口电路、DSP及外围电路、电流传感器、存储器电路、信号处理电路、A/D变换电路、旋变解码电路、开关电源变换电路；

所述DSP及外围电路通过所述CAN总线接口电路与所述通讯模块连接；所述存储器电路与所述DSP及外围电路连接；所述DSP及外围电路的输出端连接待控制的机电伺服动作器；

所述电流传感器用于采集与所述DSP及外围电路连接的机电伺服动作器的伺服电机的2相电流；所述电流传感器的输出端、与所述DSP及外围电路连接的机电伺服动作器的线位移传感器的输出端均与所述信号处理电路的输入端连接，所述信号处理电路用于对当前接收的伺服电机的相电流及机电伺服动作器的直线运动位移信号进行信号处理后提供给所述A/D变换电路进行A/D变换；所述A/D变换电路的输出端连接所述DSP及外围电路；

所述旋变解码电路的输入端连接与所述DSP及外围电路连接的机电伺服动作器的旋转变压器输出端，所述旋变解码电路的输出端与所述DSP及外围电路连接；

所述DSP及外围电路根据上位机控制系统发来的控制指令以及收到的与自身连接的机电伺服动作器的直线运动位移信号、伺服电机的相电流、伺服电机的转动角位置，通过SVPWM空间矢量控制方法得到6路PWM控制信号并输出至所述与自身连接的机电伺服动作器；

所述开关电源变换电路分别与当前电机控制驱动模块中需供电的所有部件连接，为它们提供电源。

8.如权利要求7所述的机电伺服系统，其特征在于，所述DSP及外围电路中的DSP为TMS320F2407A芯片。

9.如权利要求7所述的机电伺服系统，其特征在于，所述电机控制驱动模块还包括：采用LM339四路比较器的过流保护电路；所述过流保护电路的输入端与所述电流传感器的输出端连接，所述过流保护电路的输出端与所述DSP及外围电路连接；所述过流保护电路用于比较判定所述电流传感器采集的伺服电机的2相电流中是否至少有一相电流超过对应的预定阈值，若是，则输出低电平，所述DSP及外围电路在所述过流保护电路输出低电平时切断6路PWM控制信号的输出。