专利名称：小型机械臂直流电机调速控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型为小型机械臂直流电机调速控制器，可运用于教学机器人、实验室科 研项目中的小型机械臂上。
背景技术：
小型直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着视听产品“小、轻、薄”化 和家电产品的静音化以及工业控制需求量增多，小型直流电动机需要量迅速增加。小型直 流电机用电子换向替代了电刷和换向器，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便的优点。各 国都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。日本不少公司已将小型直流电机应用到 数码照相机、微型收录机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车电子、医疗电子等领域。在机 器人中广泛应用各类小电机，如直流伺服电动机、交流伺服电动机，感应同步电动机，测速 发电机，自整角机，旋转变压器，直线电动机，力矩电机等等，据有关资料报道，一台工业用 机器人的机械臂至少有10台以上各种小电机，完成驱动、伺服和速度、位置、声讯传感等功 能。据国际机器人协会预测，机器人需求量年增长30 %，在我国，随着国家对高校教育投资 力度的加大，机器人的需求量将会更大。因此小型直流电机调速控制器的应用必将有广阔 的前景。目前小型直流电机调速控制器并不少见，比如应用于机器人关节处直流电机调速 控制器，它主要利用升压电路将输入直流电压升高到目的电压值，改变电机转速，从而控制 机器人各个关节的运动。但是如果信号源供给的脉冲信号收到干扰，、波形不稳定或者占空 比不合适，甚至会导致该调速器失效。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服了现有调速控制器的上述缺陷，提出了一种小型机械 臂直流电机调速控制器，该调速控制器工作电压低，输出稳定，成品体积较小，成本低，并且 能够调整、修复、整形输入信号，以适应更多的使用环境。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。包括信号调节整形模块、升 压模块和直流电源，其中直流电源同时与信号调节整形模块和升压模块相连，信号调节整 形模块的输入端与信号源相连，输出端与升压模块相连，信号调节整形模块处理信号源发 送的信号并调整该信号的占空比，调整后的信号输出给升压模块；升压模块根据在信号控 制将直流电源的电压值升高到目标电压值，输出给直流电机。所述的信号调节整形模块中选用的是NE555P芯片，该芯片1管脚接地，2管脚连接 0. OOluF电容后接信号源；2、8管脚之间接20K电阻；3管脚接升压模块信号源输入端；4管 脚接6V直流电源；4管脚接0. IuF电容后接地；3、4管脚之间接IOK电阻；5管脚接0. OluF 电容后接地；7管脚接0. IuF电容后接地；6、8管脚之间接电位器，4、8管脚相连；6、7管脚 相连；所述电容均为非极性电容。所述的升压模块中选用的场效应管为IRF2807，其中G极接10欧姆电阻后接信号 调节整形模块中NE555P芯片的3管脚；S极接IOK电阻后接地；D极分为两支路，一路接IOmH电感后接6V直流电源，一路接二极管正极，设二极管负极为d点，在d点和地之间并联 IOuF电容、220uF电容、220uF极性电容、100欧姆电阻各一个；所述的IOuF电容、220uF电 容均为非极性电容。与现有直流电机调速控制器相比，本实用新型具有以下优点1.工作电压低，输出稳定。2.成品体积较小，成本低，易于安装。3.利用信号调节整形模块能够对不稳定的、受到干扰的或者占空比不合适的信号 进行调节和整形，保证调速器的有效性。4.可用于实验教学中。
图1本实用新型的连接框图图2小型机械臂直流电机调速控制器工作电路图3简化后的升压模块电路图图4升压模块充电过程示意图图5升压模块放电过程示意图图6电感充放电波形图
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
做进一步地阐述本实施例采用Boost升压电路为主体电路的升压模块，配合555单稳态触发器为 主体的信号调节模块共同工作。通过调整变阻器来控制输入信号的占空比，从而控制开关 管的通断时间，电路工作时，电感不断充电并持续对电容放电从而完成升压输出。本发明有 调速范围较宽，响应较快，加减速时速度平滑的特点。图2为小型机械臂直流电机调速控制器工作电路图，主要包括信号调节整形模块 和升压模块。信号调节整形模块主要由NE555P芯片、电位器及外围电路组成，主要用于调 节输入信号的占空比、整形输入信号，控制升压模块开关管的通断时间。升压模块是利用上 一级模块的输出脉冲电压，控制IRF2807开关管的通断，输入高电平时，开关管导通，6V直 流电流过电感，二极管防止电容对地放电，电感中的电流以一定的比率增加，电感中储存能 量。输入低电平时，开关管截止，由于电感的电流保持特性，而原来的电路已断开，于是电 感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，持续一段时间输出电 压就高于输入电压了。从图2可以看出，信号调节整形模块中选用的是NE555P芯片，该芯 片1管脚接地，2管脚连接0. OOluF电容后接信号源；2、8管脚之间接20K电阻；3管脚接升 压模块信号源输入端；4管脚接6V直流电源；4管脚接0. IuF电容后接地；3、4管脚之间接 IOK电阻；5管脚接0. OluF电容后接地；7管脚接0. IuF电容后接地；6、8管脚之间接电位 器，4、8管脚相连；6、7管脚相连；所述电容均为非极性电容。升压模块中选用的场效应管为 IRF2807，其中G极接10欧姆电阻后接信号调节整形模块中NE555P芯片的3管脚；S极接 IOK电阻后接地；D极分为两支路，一路接IOmH电感后接6V直流电源，一路接二极管正极， 设二极管负极为d点，在d点和地之间并联IOuF电容、220uF电容、220uF极性电容、100欧姆电阻各一个；所述的IOuF电容、220uF电容均为非极性电容。使用本小型机械臂直流电机调速控制器具体方法如下将6V直流电源加在信号调节整形模块555芯片的4管脚和升压电路的直流输入 端，将一定频率的脉冲信号加入到555芯片的2管脚信号输入端，此时可以调节电位器，将 输入信号调节到适合的占空比和整形效果，从工作电路输出端观测当接入信号源是输出电 压可以从6V升高到9V左右，将电压接入到机器人机械臂的直流电机上，可以改变电机的转 速，从而驱动机械臂的运动。信号调节整形模块和升压模块两部分均由6V直流电源供电。信号调节整形模块 完成调节输入信号占空比、整形输入信号的功能，升压模块完成将6V电压升高到目的电压 值，进而改变直流电机转速控制机械臂的功能。1、信号调节整形模块主体为555单稳态触发器，其特点是电路有一个稳定状态和 一个暂稳状态。在触发信号作用下，电路将由稳态翻转到暂稳态，暂稳态是一个不能长久保 持的状态，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态，并在 输出端获得一个脉冲宽度为tw的矩形波。在单稳态触发器中，输出的脉冲宽度tw，就是暂 稳态的维持时间，其长短取决于电路中R、C的参数值，tw = R*C。由555构成的单稳态触发器电路中R，C为外接定时元件，输人的触发信号Vi接在 低电平触发端(2脚)。稳态时，输出Vo为低电平，即无触发器信号(Vi为高电平)时，电路处于稳定状态 即输出低电平。在Vi负脉冲作用下，低电平触发端得到低于(l/3)Vcc，触发信号，输出Vo 为高电平，放电管VT截止，电路进入暂稳态，定时开始。在暂稳态期间，电源+Vcc-R-C —地，对电容充电，充电时间常数T = RC, Uc按 指数规律上升。当电容两端电压Uc上升到(2/3)Vcc后，6端为高电平，输出Vo变为低电 平，放电管VT导通，定时电容C充电结束，即暂稳态结束。电路恢复到稳态Vo为低电平的 状态。当第二个触发脉冲到来时，又重复上述过程。这种电路产生的脉冲宽度tw与定时元件R，C大小有关，因此可以改变变阻器R的 值来控制升压电路输入信号的占空比。2、图3所示为简化后的升压模块电路图，即输出电压比输入电压高。假定所有元 件都处于理想状态，开关管(mos管)已经断开很长时间，那么输出端电压等于输入端电压。 前端555单稳态触发器输出的信号接入到开关管的G级控制开关管的通断。当信号为高电 平时，开关管导通，处于电感充电阶段；当信号为低电平时，开关管断开，处于电感给电容充 电阶段。下面分充电和放电两个部分来说明这个电路(1)充电过程在充电过程中，开关闭合(三极管导通)，等效电路如图4，开关(三极管)处用导 线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电 感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里 储存了一些能量。(2)放电过程如图5，这是当开关断开(三极管截止)时的等效电路。当开关断开(三极管截 止)时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容 充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。升压过程就是一个电 感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如 果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压。波形如图6所
7J\ ο由此可见，本实用新型可以有效的将6V电压升高到9V，改变小型机械臂直流电机 转速，驱动机械臂完成各项功能。本实用新型工作电压低，输出稳定，成品体积较小，适合教学应用或者实验室科研 项目中小型设备上安装。如果更换大功率的场效应管或者电感，可以供给更大的直流电机。 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点，是交流电动机无法取代的，因此调节直流电动 机转速的直流电机调速控制器，具有广阔的应用空间。
权利要求一种小型机械臂直流电机调速控制器，其特征在于包括信号调节整形模块、升压模块和直流电源，其中直流电源同时与信号调节整形模块和升压模块相连，信号调节整形模块的输入端与信号源相连，输出端与升压模块相连，信号调节整形模块处理信号源发送的信号并调整该信号的占空比，调整后的信号输出给升压模块；升压模块根据在信号控制将直流电源的电压值升高到目标电压值，输出给直流电机。
2.根据权利要求1所述的一种小型机械臂直流电机调速控制器，其特征在于所述的 信号调节整形模块中选用的是NE555P芯片，该芯片1管脚接地，2管脚连接0. OOluF电容后 接信号源；2、8管脚之间接20K电阻；3管脚接升压模块信号源输入端；4管脚接6V直流电 源；4管脚接0. IuF电容后接地；3、4管脚之间接IOK电阻；5管脚接0. OluF电容后接地；7 管脚接0. IuF电容后接地；6、8管脚之间接电位器，4、8管脚相连；6、7管脚相连；所述电容 均为非极性电容。
3.根据权利要求1所述的一种小型机械臂直流电机调速控制器，其特征在于所述的 升压模块中选用的场效应管为IRF2807，其中G极接10欧姆电阻后接信号调节整形模块中 NE555P芯片的3管脚；S极接IOK电阻后接地；D极分为两支路，一路接IOmH电感后接6V直 流电源，一路接二极管正极，设二极管负极为d点，在d点和地之间并联IOuF电容、220uF电 容、220uF极性电容、100欧姆电阻各一个；所述的IOuF电容、220uF电容均为非极性电容。
专利摘要本实用新型为小型机械臂直流电机调速控制器，可运用于教学机器人、实验室科研项目中的小型机械臂上。该控制器包括信号调节整形模块、升压模块和直流电源。其中直流电源同时与信号调节整形模块和升压模块相连，信号调节整形模块的输入端与信号源相连，输出端与升压模块相连，信号调节整形模块处理信号源发送的信号并调整该信号的占空比，调整后的信号输出给升压模块；升压模块根据在信号控制将直流电源的电压值升高到目标电压值，输出给直流电机。本实用新型工作电压低，输出稳定，成品体积较小，适合教学应用或者实验室科研项目中小型设备上安装。如果更换大功率的场效应管或者电感，可以供给更大的直流电机。
文档编号H02P7/28GK201717822SQ201020164798
公开日2011年1月19日 申请日期2010年4月16日 优先权日2010年4月16日
发明者林志杰, 王铁流, 申思磊, 金姗, 高强 申请人:北京工业大学