取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統及測繪系統的製作方法
2024-04-14 11:27:05
1.本發明涉及電機領域，尤其涉及一種取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統及測繪系統。
背景技術：
2.目前直驅型光電測繪儀器採用的是微型直流力矩電機作為的驅動裝置，電機直接驅動光電測繪儀器旋轉；測角系統採用混合編碼技術。其中光電測繪儀器絕對編碼角度作為電機的位置反饋，實現角度的精確定位。光柵編碼器角度信號作為電機的速度反饋，實現旋轉速度的精確控制。微型直流力矩電機的轉子由磁極交替的永磁體徑向環繞布置構成，定子內有多個線圈，也按照徑向環繞布置。
3.該技術存在以下缺點：微型直流力矩電機定子與轉子不接觸，結構上無法實現自鎖，需要高速光柵編碼器及軟體輔助；電機需要電磁繞組和磁路，通過電磁相互作用來轉換能力，外部環境會影響電磁作用，且電機轉子內部為永磁體，存在調速及轉向的問題；伺服反饋為混合編碼，包括絕對編碼和高速光柵編碼，成本較高。
4.以上背景技術內容的公開僅用於輔助理解本發明的發明構思及技術方案，其並不必然屬於本專利申請的現有技術，也不必然會給出技術教導；在沒有明確的證據表明上述內容在本專利申請的申請日之前已經公開的情況下，上述背景技術不應當用於評價本技術的新穎性和創造性。
技術實現要素：
5.本發明的目的是提供一種取消光柵編碼器後依然能夠實現信號同步的超聲電機驅動系統。
6.為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：
7.一種取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統，包括超聲電機及其控制單元，驅動系統在取消光柵編碼器的前提下，將超聲電機角度信號同步至超聲電機外部的掛載設備，所述超聲電機配置有用於檢測溫度信號的溫度傳感器，所述控制單元被配置為輸出幅值指令和方向指令，以及向頻率發生器發送頻率指令；
8.根據所述幅值指令、方向指令以及所述頻率發生器輸出的驅動頻率信號，得到電機控制信號並將其發送至超聲電機；
9.所述控制單元被配置為接收所述溫度傳感器檢測到的溫度信號，並根據所述溫度信號中的溫度值、所述頻率指令中的頻率值、所述幅值指令中的驅動電壓的幅值計算電機的單步角度變化值；
10.將所述頻率發生器輸出的驅動頻率信號，結合所述單步角度變化值的計算結果，作為角度同步信號以發送至所述超聲電機外部的掛載設備。
11.進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，通過以下公式計算所述電機的單步角度變化值：
12.θ
ste
＝n
max
·
t0，其中，θ
step
為單步角度變化值，t0為單步時間，n
max
為轉子角速度，即電機轉速，其通過以下公式計算得到：
[0013][0014]
w＝-0.01t+38.6299，
[0015][0016][0017]
其中，v為轉子線速度，r為定子環的平均半徑，a
max
為定子的共振振幅，h為定子厚度的一半，w為定子頻率，n為定子環振動模態階數，t為溫度，d
31
為壓電常數，u為電壓，q
p
為超聲電機的壓電陶瓷的機械品質因數，s為壓電陶瓷的面積，f0為超聲電機的驅動頻率，h
p
為電陶瓷的彈性模量係數，c
p
為壓電陶瓷的彈性模量，hm為定子金屬體的彈性模量係數，cm為定子金屬體的彈性模量。
[0018]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，所述電機控制信號為相差90
°
的正交編碼信號，進而向所述超聲電機的a、b兩相提供的相差為90
°
的正弦驅動電壓；
[0019]
通過調節所述驅動頻率的大小來調節超聲電機的旋轉速度，及通過改變兩路正交編碼信號的相位關係來改變超聲電機的旋轉方向。
[0020]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，所述控制單元配置有數模轉換器，其中，所述溫度傳感器檢測到的溫度信號先經過一溫度信號轉換電路轉換，並利用所述數模轉換器完成數模轉換，得到溫度信號的模擬量；
[0021]
所述控制單元還配置有模數轉換器，其用於輸出包含驅動電壓幅值的幅值指令。
[0022]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，所述控制單元輸出的方向指令與所述頻率發生器輸出的驅動頻率信號生成電機驅動信號，再經過一信號轉換電路對所生成的電機驅動信號及控制單元輸出的幅值指令進行轉換，得到相差為90
°
的正弦驅動電壓。
[0023]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統還包括一絕對編碼測角系統，其被配置為接收所述超聲電機反饋的角度變化信號，以及將其轉換為位置信號並將其反饋至所述控制單元。
[0024]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，所述超聲電機包括豎軸、豎軸套、度盤罩、絕對碼盤、定子、轉子及下盤連接件，其中，所述豎軸套設在所述豎軸的外周，並採用滾動軸承相互連接；
[0025]
所述定子設置在度盤罩上，所述轉子固定在所述下盤連接件上，所述下盤連接件與所述豎軸套連接而使所述定子與轉子接觸，所述超聲電機通過定轉子界面的摩擦耦合將定子的振動轉變為轉子的旋轉運動。
[0026]
根據本發明的另一方面，提供了一種能夠實現對外同步的測繪系統，包括測繪儀、掛載設備及如上所述的超聲電機驅動系統，其中，所述測繪儀設置在所述超聲電機驅動系統的超聲電機的輸出軸上；
[0027]
所述掛載設備與所述測繪儀聯動，且所述掛載設備不與所述超聲電機的輸出軸連接。
[0028]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，所述掛載設備為雷達裝置或追蹤裝置。
[0029]
進一步地，承前所述的任一技術方案或多個技術方案的組合，所述掛載設備為雷達裝置，所述雷達裝置根據自身雷達探測信號及接收到的角度同步信號，為所述測繪儀構建空間地圖。
[0030]
本發明提供的技術方案帶來的有益效果如下：
[0031]
a.採用超聲電機，完全可以替代直流力矩電機，可以極大地提高電機驅動的靈活性和可靠性，以加快高精度自動化測繪儀器的響應速度，同時簡化裝配工藝、減輕儀器重量、降低驅動成本；
[0032]
b.利用超聲電機的工作原理，通過溫度、驅動電壓幅值、驅動頻率的參數可以計算出當前驅動信號所對應的步距，實現與外部掛載設備角度同步，即在伺服控制上無需高速光柵編碼器及軟體輔助，就能夠實現電機速度及位置的精確控制。
附圖說明
[0033]
為了更清楚地說明本技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本技術中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0034]
圖1為本發明的一個示例性實施例提供的取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統的結構框圖；
[0035]
圖2為本發明的一個示例性實施例提供的超聲電機的結構示意圖；
[0036]
其中，附圖標記包括：1-豎軸套，2-度盤罩，3-絕對碼盤，4-滾動軸承，5-豎軸，6-定子，7-轉子，8-下盤連接件，9-拉緊螺母。
具體實施方式
[0037]
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
[0038]
需要說明的是，本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本發明的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、裝置、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其他步驟或單元。
[0039]
在本發明的一個實施例中，提供了一種取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統，如圖1所示，所述驅動系統包括超聲電機及其控制單元，驅動系統在取消光柵編碼器的前提下，將超聲電機角度信號同步至超聲電機外部的掛載設備，所述超聲電機配置有用於檢測溫度信號的溫度傳感器，所述控制單元被配置為輸出幅值指令和方向指令，以及向頻率發生器發送頻率指令；
[0040]
根據所述幅值指令、方向指令以及所述頻率發生器輸出的驅動頻率信號，得到電機控制信號並將其發送至超聲電機；
[0041]
所述控制單元被配置為接收所述溫度傳感器檢測到的溫度信號，並根據所述溫度信號中的溫度值、所述頻率指令中的頻率值、所述幅值指令中的驅動電壓的幅值計算電機的單步角度變化值；具體地，採用以下公式計算所述電機的單步角度變化值：
[0042]
θ
step
＝n
max
·
t0，其中，θ
step
為單步角度變化值，t0為單步時間，n
max
為轉子角速度，即電機轉速，其通過以下公式計算得到：
[0043][0044]
w＝-0.01t+38.6299，
[0045][0046][0047]
其中，v為轉子線速度，r為定子環的平均半徑，a
max
為定子的共振振幅，h為定子厚度的一半，w為定子頻率，n為定子環振動模態階數，t為溫度，d
31
為壓電常數，u為電壓，q
p
為超聲電機的壓電陶瓷的機械品質因數，s為壓電陶瓷的面積，f0為超聲電機的驅動頻率，h
p
為電陶瓷的彈性模量係數，c
p
為壓電陶瓷的彈性模量，hm為定子金屬體的彈性模量係數，cm為定子金屬體的彈性模量。
[0048]
將所述頻率發生器輸出的驅動頻率信號(決定單步時間t0)，結合所述單步角度變化值的計算結果，作為角度同步信號以發送至所述超聲電機外部的掛載設備。
[0049]
超聲電機的結構參見圖2：其包括豎軸5、豎軸套1、度盤罩2、絕對碼盤3、定子6、轉子7及下盤連接件8，其中，所述豎軸套1設在所述豎軸5的外周，並採用滾動軸承4相互連接；所述豎軸5的下端與拉緊螺母9連接。
[0050]
所述定子6設置在度盤罩2上，所述轉子7固定在所述下盤連接件8上，所述下盤連接件8與所述豎軸套1連接而使所述定子6與轉子7接觸，所述超聲電機通過定轉子界面的摩擦耦合將定子的振動轉變為轉子的旋轉運動。
[0051]
超聲電機的定子6與轉子7在結構上緊密配合，在實現自鎖的前提下同時具備了響應速度快，結構簡單，使用壽命長的特點，完全可以替代直流力矩電機。超聲電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應、超聲振動和摩擦耦合來轉換能量。避免電磁感幹擾，可斷電自鎖。
[0052]
超聲電機以壓電陶瓷換能片作為核心部件，利用壓電陶瓷的逆壓電效應直接將電能轉換為動能，通過定轉子界面的摩擦耦合將定子的振動轉變為轉子的旋轉運動。採用超聲電機，可以極大地提高電機驅動的靈活性和可靠性，以加快高精度自動化測繪儀器的響應速度，同時簡化裝配工藝、減輕儀器重量、降低驅動成本。
[0053]
根據超聲電機的工作原理可知，電機通過定轉子界面的摩擦耦合將定子的振動轉變為轉子的旋轉運動，相同振幅下的旋轉步距是相同的，定子振動頻率由電機驅動控制信號控制，兩者同步。定子振幅由電機本身特性、溫度、驅動電壓幅值、驅動頻率決定。其中，電機溫度可以通過傳感器測量，驅動電壓幅值可以通過數模轉換器控制，驅動頻率由程序主動控制。
[0054]
因此，能夠通過溫度、驅動電壓幅值、驅動頻率的參數，計算出當前驅動信號所對應的步距，實現與外部掛載設備角度同步，即在伺服控制上無需高速光柵編碼器及軟體輔助，就能夠實現電機速度及位置的精確控制。在技術上取消高速光柵編碼器，可以降低控制程序的複雜度、成本以及對國外器件的依賴。
[0055]
在本實施例中，所述電機控制信號為相差90
°
的正交編碼信號(與高速光柵編碼器的輸出信號形式相同)，進而向所述超聲電機的a、b兩相提供的相差為90
°
的正弦驅動電壓；
[0056]
輸出驅動電壓，則電機啟動；撤銷該驅動電壓，則電機停止。超聲電機採用調頻調速模式，即通過調節所述驅動頻率的大小來調節超聲電機的旋轉速度，及通過改變兩路正交編碼信號的相位關係來改變超聲電機的旋轉方向。驅動電源部分通過限幅反饋電路及單片機的數模轉換器主動控制相結合的方式，調整不同溫度下驅動信號的幅值。
[0057]
如圖1所示，所述控制單元配置有數模轉換器，其中，所述溫度傳感器檢測到的溫度信號先經過一溫度信號轉換電路轉換，並利用所述數模轉換器完成數模轉換，得到溫度信號的模擬量；
[0058]
所述控制單元還配置有模數轉換器，其用於輸出包含驅動電壓幅值的幅值指令。
[0059]
所述控制單元輸出的方向指令與所述頻率發生器輸出的驅動頻率信號生成電機驅動信號，再經過一信號轉換電路對所生成的電機驅動信號及控制單元輸出的幅值指令進行轉換，得到相差為90
°
的正弦驅動電壓，即電機控制信號。
[0060]
在本發明的一個實施例中，取消光柵編碼器的超聲電機驅動系統還包括一絕對編碼測角系統，其被配置為接收所述超聲電機反饋的角度變化信號，以及將其轉換為位置信號並將其反饋至所述控制單元。
[0061]
本發明實施例還提供了一種能夠實現對外同步的測繪系統，包括測繪儀、掛載設備及如上所述的超聲電機驅動系統，其中，所述測繪儀設置在所述超聲電機驅動系統的超聲電機的輸出軸上；
[0062]
所述掛載設備與所述測繪儀聯動，且所述掛載設備不與所述超聲電機的輸出軸連接，所述掛載設備為雷達裝置或追蹤裝置。
[0063]
以雷達裝置為例，所述雷達裝置根據自身雷達探測信號(距離信號)及接收到的角度同步信號，為所述測繪儀構建周向上的空間地圖。
[0064]
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個
……」
限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
[0065]
以上所述僅是本技術的具體實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本技術的保護範圍。