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CN109586538A - 一种自主可控的高精度高响应机电伺服组件 - Google Patents

一种自主可控的高精度高响应机电伺服组件 Download PDF

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CN109586538A CN201811487908.4A CN201811487908A CN109586538A CN 109586538 A CN109586538 A CN 109586538A CN 201811487908 A CN201811487908 A CN 201811487908A CN 109586538 A CN109586538 A CN 109586538A
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周阳
曾凡铨
王尧尧
胡翔宇
张登明
陈树恒
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Abstract

本发明的一种自主可控的高精度高响应机电伺服组件中，无刷永磁力矩电机模块转动后的当前位置由轴角传感器采集；无刷永磁力矩电机模块包含电机定子、电机转子，轴角传感器包含读头、码盘、盘套；电机定子固定在底座的内壁中部，电机转子固定在主轴外壁上部；读头的顶部与底座外壁中部相固定；码盘底部与盘套顶部相固定，盘套内壁与主轴底部相固定；读头作为静光栅，码盘作为动光栅，两块光栅具有形成莫尔条纹的间隙，读头内有光电转换装置，将两块光栅的相对转动转化为相应的电信号的变化，对电信号处理得到与转动位置所对应的数字信息。本发明可以满足较大质量光学装置持续准确地跟瞄高速飞行的各类飞行器的需求。

Description

一种自主可控的高精度高响应机电伺服组件
技术领域
本发明涉及旋转式机电伺服系统技术领域，特别涉及较大质量光学装置对伺服安装平台的定位精度和快速响应指标同时要求苛刻、且产品国产化率要求较高的场合。
背景技术
面对较大质量光学装置对高精度、快速跟踪、大转矩、频繁起停、频繁正反运行条件的需求，目前现有旋转式单轴机电伺服系统(例如转台)由于其转动惯量大，存在机械换向装置、转速较慢、在精度指标和快速性指标不能同时满足需求，且关键元器件/零件(如电机、传感器等)采用国外高端进口产品，存在随时可能被禁运的风险。鉴于此，在我国航空航天领域内，为确保较大质量光学装置能够持续准确地跟瞄高速飞行的各类飞行器，具有高精度高响应特征的旋转式机电伺服系统是不可或缺的核心机电类产品。
发明内容
为克服目前旋转式单轴机电伺服系统在精度指标和快速性指标不能同时满足较大质量光学装置的扫描、定位功能需求的问题，本发明提供一种自主可控的高精度高响应机电伺服组件，具有快速跟踪、大转矩、频繁起停、频繁正反运行功能，满足较大质量光学装置持续准确地跟瞄高速飞行的各类飞行器的需求。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种机电伺服组件，其中，无刷永磁力矩电机模块转动后的当前位置由轴角传感器采集；所述无刷永磁力矩电机模块包含电机定子、电机转子，所述轴角传感器包含读头、码盘、盘套；
所述机电伺服组件还包含底座、主轴；所述电机定子固定在底座的内壁中部，所述电机转子固定在主轴外壁上部；所述读头的顶部与底座外壁中部相固定；所述码盘底部与盘套顶部相固定，所述盘套内壁与主轴底部相固定；
所述读头作为静光栅，码盘作为动光栅，两块光栅具有形成莫尔条纹的间隙，读头内有光电转换装置，将两块光栅的相对转动转化为相应的电信号的变化，对电信号处理得到与转动位置所对应的数字信息。
可选地，所述机电伺服组件进一步包含台面盖板、角接触球轴承、深沟球轴承；所述上端盖板的中心安装所述主轴，所述主轴上端存在一处轴肩，与所述深沟球轴承内圈的底部和内壁相固定，所述上端盖板与所述深沟球轴承外圈的顶部相固定，所述角接触球轴承的外圈与底座内壁下部相固定。
可选地，所述码盘上的莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成；光栅相对移动一个光栅周期，莫尔条纹移动一个周期，电信号变化一个周期，是一一对应关系；所述码盘的直径为170mm，厚度为3.5mm，安装采用胶接加弹性压紧的方式，每个角位移有唯一的输出。
可选地，所述电机定子包含定子铁芯和定子铁芯上安装的定子绕组，定子铁芯由定子冲片叠压而成；所述电机转子包含安装在主轴上的转子铁芯，转子铁芯外围包覆有永磁体；所述电机定子和电机转子上各设有内外一圈均匀分布的通孔，用于与底座和主轴安装。
可选地，所述电机转子采用表贴式40极48槽磁钢结构；所述定子绕组采用三相Y型连接，分数槽集中绕组。
可选地，所述主轴是中空的轻质合金结构。
可选地，控制模块接收上位机发送的指令位置后，经计算得到无刷永磁力矩电机模块的当前位置与指令位置的误差值，由控制模块的功率放大后，驱动无刷永磁力矩电机模块转动。
可选地，所述控制模块包括外置的伺服控制器，所述伺服控制器具有以DSP、FPGA为核心的主从式微处理器架构，具备电流、速度、位置三闭环控制功能，并通过RS422串口与轴角传感器连接实现转动位置实时采集。
可选地，所述伺服控制器设有驱动电路板、数字控制板；驱动电路板将经过放大滤波后的无刷永磁力矩电机相电流送入数字控制板的A/D采样芯片，同时数字控制板通过RS422接口芯片读取轴角传感器的角度信息，量化后的电流值和角度信息在FPGA时序控制下送入DSP，DSP完成控制算法，输出六路PWM波信号给驱动电路板，PWM信号经过光耦隔离后送入逆变电路和三相桥驱动控制器，用于驱动指向无刷永磁力矩电机。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)控制精度高，经光学方法标定，重复定位精度达可达到2”。
2)响应速度快，经试验验证，速度指令频率响应闭环带宽可达到350Hz(-3dB)。
3)关键元器件/原材料/零件均采用国产化设计(如电机、传感器等)，设计过程自主可控，不存在被禁运的风险。
4)可以控制和驱动光学装置在360゜范围任意指定区域进行扫描、定位。
5)本发明可适应航空航天环境标准要求，包括但不限于高低温、振动、冲击。发明成果可应用到各类需要有跟瞄需求的光学装置中，同时可推广应用到工业领域的机床等产品中，可根据用户具体的接口要求和使用要求，调整相应指标。
附图说明
图1是伺服组件原理图；
图2是轴角传感器光电转换原理图；
图3是伺服组件单元组成框图；
图4是伺服组件控制框图。
具体实施方式
如图1所示的一种自主可控的高精度高响应机电伺服组件，包括底座1、台面盖板8、主轴10、角接触球轴承4、深沟球轴承9，无刷永磁力矩电机模块的电机定子6、电机转子7，轴角传感器的读头2、码盘3、盘套12。
其中，电机定子6由定子铁芯和定子铁芯上安装的定子绕组构成，定子铁芯由定子冲片叠压而成，电机转子7为安装在主轴10上的转子铁芯，转子铁芯外围包覆有永磁体。所述电机定子6和电机转子7上各设有内外一圈均匀分布的通孔，用于与底座1和主轴10安装。
所述上端盖板8的中心安装主轴10，所述电机转子7固定在主轴10外壁上部，所述主轴10上端存在一处轴肩，与所述深沟球轴承9内圈的底部和内壁相固定，上端盖板8与所述深沟球轴承9外圈的顶部相固定，所述电机定子6固定在底座1的内壁中部，所述角接触球轴承4的外圈与底座1内壁下部相固定。
为了提高机电伺服组件的精度，电机转子7采用表贴式40极48槽磁钢结构，电机定子6绕组采用三相Y型连接，分数槽集中绕组，并联支路数1，进一步降低了电机的力矩脉动；同时，采用了高质量等级的一对角接触球轴承4和一只深沟球轴承9，进一步减小了主轴10的轴向摆动，从而增加了伺服组件运行平稳性。为了提高机电伺服组件的响应能力，主轴10采用中空的轻质合金结构，中间用于布线，在保证结构强度的前提下减小机电伺服组件的转动惯量。
本发明所述的轴角传感器为一种绝对式光电编码器。所述读头2的顶部与底座1外壁中部相固定；所述码盘3底部与盘套12顶部相固定，所述盘套12内壁与主轴10底部相固定，用作位置传感器，用于为伺服驱动电路实现单轴系的高精度定位控制。示例地，码盘直径为170mm，厚度为3.5mm，安装采用胶接加弹性压紧的方式，每个角位移有唯一的输出。
如图2所示，LED光源21等发出的光，通过动光栅22、静光栅23后，由光电读数头24接收后传至后续进行处理。所述静光栅对应轴角传感器中的读头2，动光栅对应码盘3，动静两块光栅以小间隙形成莫尔条纹，读头2内有光电转换装置，可将两块光栅的相对转动转化为电信号的变化，电信号经过电路处理后得到转动的数字信息。码盘3上莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，它反映两组刻线的平均位置，对刻划误差有平均作用。光栅相对移动一个光栅周期，莫尔条纹移动一个周期，电信号变化一个周期，是一一对应关系。
控制模块接收上位机发送的指令位置后，经计算得到无刷永磁力矩电机模块的当前位置与指令位置的误差值，由控制模块的功率放大后，驱动无刷永磁力矩电机模块转动。则，无刷永磁力矩电机模块的当前位置由轴角传感器采集。
如图3所示，控制模块包括外置的伺服控制器，所述伺服控制器是以DSP+FPGA为核心的主从式微处理器架构，具备电流、速度、位置三闭环控制功能，可实现高精度定位精度，并通过RS422串口可以与轴角传感器实现位置实时采集。其中，电流、速度、位置三闭环控制功能的逻辑关系如所图4所示，在DSP中采用C语言以前后台方式实现电流、速度、位置三闭环控制功能的逻辑关系。
所述伺服控制器设有驱动电路板、数字控制板。驱动电路板设置有三相全桥逆变器、三相电流及电压采样单元；数字控制板的控制电路设有FPGA、DSP、信号调理单元、A/D采样芯片、光耦，电连接器XP1输出的+18～36V通过EMI滤波器得到二次电源。
驱动电路板将经过放大滤波后的无刷永磁力矩电机相电流送入数字控制板的A/D采样芯片，同时数字控制板通过RS422接口芯片读取轴角传感器的角度信息，量化后的电流值和角度信息在FPGA时序控制下送入DSP，完成控制算法，输出六路PWM波信号给驱动电路板，PWM信号经过光耦隔离后送入逆变电路和三相桥驱动控制器，最终用于驱动指向无刷永磁力矩电机。
综上所述，本发明用于控制和驱动新型高能光学装置对高精度、快速跟踪、大转矩、频繁起停、频繁正反运行条件下的扫描、定位。本发明具有高精度高响应的性能，及产品零件全部国内自主可控的特征，主要技术指标如重复定位精度达2”，速度指令频率响应闭环带宽达350Hz(-3dB)，可以控制和驱动光学装置在360゜范围任意指定区域进行扫描、定位。该伺服组件还通过了高低温、真空和振动等恶劣环境试验，可适应航空航天的环境应用。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种机电伺服组件，其特征在于，
所述机电伺服组件中，无刷永磁力矩电机模块转动后的当前位置由轴角传感器采集；所述无刷永磁力矩电机模块包含电机定子(6)、电机转子(7)，所述轴角传感器包含读头(2)、码盘(3)、盘套(12)；
所述机电伺服组件还包含底座(1)、主轴(10)；所述电机定子(6)固定在底座(1)的内壁中部，所述电机转子(7)固定在主轴(10)外壁上部；所述读头(2)的顶部与底座(1)外壁中部相固定；所述码盘(3)底部与盘套(12)顶部相固定，所述盘套(12)内壁与主轴(10)底部相固定；
所述读头(2)作为静光栅，码盘(3)作为动光栅，两块光栅具有形成莫尔条纹的间隙，读头(2)内有光电转换装置，将两块光栅的相对转动转化为相应的电信号的变化，对电信号处理得到与转动位置所对应的数字信息。
2.如权利要求1所述机电伺服组件，其特征在于，
所述机电伺服组件进一步包含台面盖板(8)、角接触球轴承(4)、深沟球轴承(9)；所述上端盖板(8)的中心安装所述主轴(10)，所述主轴(10)上端存在一处轴肩，与所述深沟球轴承(9)内圈的底部和内壁相固定，所述上端盖板(8)与所述深沟球轴承(9)外圈的顶部相固定，所述角接触球轴承(4)的外圈与底座(1)内壁下部相固定。
3.如权利要求1所述机电伺服组件，其特征在于，
所述码盘(3)上的莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成；光栅相对移动一个光栅周期，莫尔条纹移动一个周期，电信号变化一个周期，是一一对应关系；
所述码盘(3)的直径为170mm，厚度为3.5mm，安装采用胶接加弹性压紧的方式，每个角位移有唯一的输出。
4.如权利要求1所述机电伺服组件，其特征在于，
所述电机定子(6)包含定子铁芯和定子铁芯上安装的定子绕组，定子铁芯由定子冲片叠压而成；
所述电机转子(7)包含安装在主轴(10)上的转子铁芯，转子铁芯外围包覆有永磁体；
所述电机定子(6)和电机转子(7)上各设有内外一圈均匀分布的通孔，用于与底座(1)和主轴(10)安装。
5.如权利要求4所述机电伺服组件，其特征在于，
所述电机转子(7)采用表贴式40极48槽磁钢结构；
所述定子绕组采用三相Y型连接，分数槽集中绕组。
6.如权利要求1所述机电伺服组件，其特征在于，
所述主轴(10)是中空的轻质合金结构。
7.如权利要求1所述机电伺服组件，其特征在于，
控制模块接收上位机发送的指令位置后，经计算得到无刷永磁力矩电机模块的当前位置与指令位置的误差值，由控制模块的功率放大后，驱动无刷永磁力矩电机模块转动。
8.如权利要求7所述机电伺服组件，其特征在于，
所述控制模块包括外置的伺服控制器，所述伺服控制器具有以DSP、FPGA为核心的主从式微处理器架构，具备电流、速度、位置三闭环控制功能，并通过RS422串口与轴角传感器连接实现转动位置实时采集。
9.如权利要求8所述机电伺服组件，其特征在于，
所述伺服控制器设有驱动电路板、数字控制板；驱动电路板将经过放大滤波后的无刷永磁力矩电机相电流送入数字控制板的A/D采样芯片，同时数字控制板通过RS422接口芯片读取轴角传感器的角度信息，量化后的电流值和角度信息在FPGA时序控制下送入DSP，DSP完成控制算法，输出六路PWM波信号给驱动电路板，PWM信号经过光耦隔离后送入逆变电路和三相桥驱动控制器，用于驱动指向无刷永磁力矩电机。
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