一种基于三相两极有感无刷直流电机的舵机的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种无刷舱机，具体设及一种基于Ξ相两极有感无刷直流电机的 舱机，属于电子技术领域。
【背景技术】
[0002] 舱机通过输入PWM控制信号，输出对应角度信息，可用于那些角度需要不断变化并 能够保持的控制系统。在模型上应用较多，主要用于控制模型的舱面，所W俗称舱机，如控 制飞机的升降、方向，来实现各种运动姿态或轨迹;伴随近年来机器人制造和开发热潮，舱 机的应用范围越来越广泛，如为机器人提供多自由度，使其完成各种不同的动作。但由于我 国精密制造整体水平不高，关键零部件技术缺失，严重依赖进口，特别是在高性能舱机方面 与国外技术的差距尤为明显。运种局面造成各种飞行器、机器人成本居高不下，同时影响到 机器人、模型的广泛推广。目前舱机上采用的直流电机一般是标准转子电机和空屯、杯有刷 电机，在速度、扭力、可靠性等方面已经越来越不适应现在的需要，具体表现为W下缺点：
[0003] 1、有刷电机采用电刷换相的机械结构限制了速度范围，使舱机的响应速度较低。
[0004] 2、有刷电机在转速较高时，电刷摩擦增加，因此减少了有用转矩及使用寿命。
[0005] 3、不具有高边电流监测功能，或采用直接串电阻检测，检测精度低。 【实用新型内容】
[0006] 为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于Ξ相两极有感无刷直 流电机的舱机。
[0007] 本实用新型所采用的技术方案是：
[000引一种基于Ξ相两极有感无刷直流电机的舱机，包括减速箱和线性电位器、电源电 路、微处理器电路、换相控制电路、传感检测电路、无刷电机，所述电源电路将输入的4~9V 直流电压电平转换，输出给微处理器电路、换相控制电路、传感检测电路和无刷电机，所述 微处理器电路根据输入的0.5~2.5ms脉冲信号，输出控制信号至换相控制电路，用W驱动 与换相控制电路连接的无刷电机，并与无刷电机直接连接，检测无刷电机的转子位置，所述 传感检测电路连接无刷电机直流母线，同时还与减速箱经过线性电位器相连，将母线电压、 电流和减速箱输出的角度位置转换为电压信号，连接至微处理器电路，形成闭环反馈，所述 减速箱与电机输出齿轮晒合，输出角度位置。
[0009] 进一步的，无刷电机为Ξ相两极有感无刷直流电机，无刷电机内部具有3个霍尔元 件且空间相互间隔120°对称放置，无刷电机转子用一对永磁体制成，包括咐及和討及。
[0010] 进一步的，换相控制电路为Ξ相桥式电路，包括双极性场效应管MT4607。
[0011] 进一步的，传感检测电路包括高边电流监控器ZXCT1009。
[0012] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0013] 1、基于Ξ相两极有感无刷直流电机的舱机，通过Ξ相桥式换相控制电路代替电刷 换相，具有较高的转速范围，使舱机具有快速动态响应。
[0014] 2、包括双极性场效应管MT4607,单片忍片中集成了 1个N型场效应管和1个P型场效 应管，易于减小控制板体积。
[001引3、相比有刷舱机，无刷舱机没有电刷的摩擦，也使无刷舱机的使用寿命更长，噪音 更低。
[0016] 4、使用高边电流监控器ZXCT1009不仅能够提供准确、高效率的负载电流测量，还 能够能够检测到后续回路的故障W采取相应的保护措施。
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型的一较佳实施例的基于Ξ相两极有感无刷直流电机的舱机结构 示意图；
[0018] 图2为本实用新型的一较佳实施例的电流监测电路示意图；
[0019] 图3为本实用新型的一较佳实施例的换相控制电路示意图。
【具体实施方式】
[0020] 图1描述一种基于Ξ相两极有感无刷直流电机的舱机系统结构，有电刷直流电机 转动是基于通电导体在磁场中受力的原理，而无刷直流电机是靠定子绕组产生的磁场与永 磁体转子磁场间的作用力拉动转子转动的。系统主要由电源电路、微处理器电路、换相控制 电路、传感检测电路、无刷电机、减速箱及线性电位器构成。
[0021] 电源电路输入的直流电源为4V~9V，经过滤波后直接供给换相控制电路，将4V~ 9V直流电压电平转换，采用电源稳压忍片HT7533将输入电压稳至3.3V，供给微处理器电路、 传感检测电路、无刷电机。
[0022] 微处理器电路W单片机STM32F103为控制核屯、，还包括外围复位电路、时钟电路， 实现无刷电机转子位置检测、输入控制信号捕获、经传感检测电路输入信号的AD采样、输出 换相控制电路的控制信号。无刷电机内部具有3个霍尔元件且空间相互间隔120°对称放置， 但是由于安装顺序或观测方向不同，相互间间隔120度的霍尔信号传感器顺序可能不同，实 际操作可W轻微顺时针转动无刷电机输出齿轮，用1代表高电平（3.3V)，用0代表低电平 (〇￥)，测出霍尔传感器的信号为1〇〇，11〇,〇1〇,〇11，〇〇1，1〇1的规律变化，则3个霍尔传感器 分别对应为化、冊、化，电机转子每转过60°电角度(60°机械角度），其中一个霍尔传感器就 会改变状态，通过单片机3路10中断分别检测3个霍尔传感器信号，可W确定无刷电机转子 位置;单片机采用具有PWM捕获功能的接口，直接捕获舱机输入的控制信号0.5~2.5ms(对 应0°~180°位置信号）高电平的PWM周期信号；传感检测电路连接无刷电机直流母线，同时 还与减速箱输出经过线性电位器相连，将母线电压、电流和减速箱输出的角度转换为电压 信号，连接至微处理器电路，通过单片机12位AD采样可得到，形成闭环反馈。单片机根据输 入的控制信号和检测到的信号，通过单片机闭环调节，采用具有nm输出功能的端口，给出 Ξ相桥式换相控制电路的3个N型场效应管和3个P型场效应管的控制信号，直到舱机转动到 位(输入控制信号对应的位置），等待下一个输入的位置信号。
[0023] 传感检测电路包含电压检测、位置信号检测及电流检测，若无刷舱机采用电池供 电方式，由于提供能量的电池容量有限，随着电量的消耗，电压不断减小，电机输出的电磁 转矩也减小，同时转速降低，因此，对电压值的检测显得尤为重要，电压检测采用电阻分压 方式，用单片机12位AD直接采样。其中位置信号检测即角度检测，通过一个线性的旋转比例 电位器，减速箱输出轴与该电位器机械连接，减速箱转动则带动电位器转动，将角度信号转 换为电信号，通过单片机12位AD检测电位器的电压，则可对应减速箱输出的角度，单片机通 过检测到的角度信号与输入的控制信号比较，产生调整脉冲，驱动电机正向或反向转动，使 齿轮组的输出位置与期望值相符，令调整脉冲趋于为0，从而达到使舱机精确定位的目的。 图2为传感检测电路中电流检测电路不意图，义用局边电流监测忍片ZXCT1009，其具有体积 小，使用简单的优点，内部电路包括一个运放、一个Ξ极管和内部100欧姆电阻，实现电流线 性转换成电压信号功能。其中通过R1和R2可W设定检测电流最大值和AD转换的最大的输入 电压，R1为采样电阻，采样电阻R1越小对电路影响也更小，选取采样电阻R1为20毫欧1W，可 检测最大7A电流，接在电压监测忍片Vin和Load两脚之间，R2为2K电阻，则AD转换的最大的 输入电压为2.8V，通过AD采样测得R2的电压，经过折算可求得流经电流采样电阻R1的电流， 作为电流的闭环反馈，折算电流为：
[0024]图3为换相控制电路示意图，无刷直流电机与有刷直流电机的工作原理区别在于 无刷电机W换相控制电路换相替代碳刷换相。其中V1、V3、V5为P型场效应管，V4、V6、V2为N 型场效应管，采用3片双极性场效应管MT4607,单片忍片中集成了 1个P型场效应管和1个N型 场效应管，且每个场效应管有反向并联寄生二极管，防止场效应管被反向击穿，P型场效应 管和N型场效应管分别作为上桥臂和下桥臂。最多同一时刻只开通两个场效应管，且一个为 上桥臂场效应管，一个为下桥臂场效应管，每当转子沿同一方向方向转过60°电角度时(检 测到霍尔信号变化），功率管就进行一次换流。Ξ相桥路的节点A、B、C连接Ξ相无刷电机定 子线圈绕组，无刷电机绕组呈星型连接，定子绕组与霍尔传感器无电气连接。通过按一定顺 序给定子线圈绕组通电，产生旋转的磁场，该磁场作用于永磁铁转子，使转子沿旋转磁场的 方向转动，如开通顺序为V1-V2-V3-V4-V5-V6时无刷电机顺时针转，开通顺序为V1-V6-V5- V4-V3-V2无刷电机逆时针转。通过调节电源电压实现电机转速的改变，具体可W采用脉宽 调制(PWM)的方法，对下桥臂的V4、V6、V2输入PWM信号，就能调节供给电枢绕组电压的大小。
【主权项】
1. 一种基于三相两极有感无刷直流电机的舵机，包括减速箱和线性电位器，其特征在 于，还包括电源电路、微处理器电路、换相控制电路、传感检测电路、无刷电机，所述电源电 路将输入的4~9V直流电压电平转换，输出给微处理器电路、换相控制电路、传感检测电路 和无刷电机，所述微处理器电路根据输入的0.5~2.5ms脉冲信号，输出控制信号至换相控 制电路，用以驱动与换相控制电路连接的无刷电机，并与无刷电机直接连接，检测无刷电机 的转子位置，所述传感检测电路连接无刷电机直流母线，同时还与减速箱经过线性电位器 相连，将母线电压、电流和减速箱输出的角度位置转换为电压信号，连接至微处理器电路， 形成闭环反馈，所述减速箱与电机输出齿轮啮合，输出角度位置。2. 根据权利要求1所述的一种基于三相两极有感无刷直流电机的舵机，其特征在于，所 述无刷电机为三相两极有感无刷直流电机，无刷电机内部具有3个霍尔元件且空间相互间 隔120°对称放置，无刷电机转子用一对永磁体制成，包括N极和S极。3. 根据权利要求1所述的一种基于三相两极有感无刷直流电机的舵机，其特征在于，所 述换相控制电路为三相桥式电路，包括双极性场效应管MT4607。4. 根据权利要求1所述的一种基于三相两极有感无刷直流电机的舵机，其特征在于，所 述传感检测电路包括高边电流监控器ZXCT1009。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于三相两极有感无刷直流电机的舵机，属于电子技术领域。包括电源电路、微处理器电路、换相控制电路、传感检测电路、无刷电机、减速箱及线性电位器。电源电路给各模块电路供电，微处理器电路捕获输入脉冲控制信号，并检测当前的电压、电流、位置反馈信号，经计算分析后通过换相控制电路实现电子换向，驱动无刷电机转动，经过与无刷电机机械啮合的减速箱输出对应的角度。本实用新型基于三相两极有感无刷直流电机，可以提升现有舵机因机械换向而限制的速度范围和输出扭矩，可广泛应用于航模运动、各种机电产品及机器人控制。
【IPC分类】H02P6/16, H02P6/08, H02P101/30
【公开号】CN205336163
【申请号】CN201521132799
【发明人】王静, 朱玉玉
【申请人】绵阳赛偃电子科技有限公司
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2015年12月31日