專利名稱：一體化智能伺服電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種伺服電機，尤其涉及一種一體化智能伺服電機，它是各種伺服控制系統(tǒng)首選的一體化智能伺服電機。
背景技術：
隨著伺服控制系統(tǒng)在各行各業(yè)的廣泛應用，傳統(tǒng)的運動伺服控制系統(tǒng)通常由運動控制器、伺服放大器、反饋編碼器和伺服電機組成，其運動控制器是通過電纜為伺服電機提供電源，反饋編碼器產(chǎn)生的伺服電機位置和速度信號也是通過電纜提供給伺服放大器的。實踐表明，電纜故障是導致運動控制系統(tǒng)癱瘓的主要原因。由于伺服驅(qū)動器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入工頻電源經(jīng)整流為直流電壓信號，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號。輸出電流信號是受PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，輸出回路電流信號可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，其中高次諧波通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。為此，伺服控制領域急需一種一體化的智能伺服電機。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種將傳統(tǒng)的伺服電機、反饋裝置和驅(qū)動放大器、運動控制器等合為一體，達到降低運動伺服控制系統(tǒng)的故障和對環(huán)境的電磁干擾，并具有電機參數(shù)的遠程監(jiān)控及維修功能的一體化智能伺服電機。
為了實現(xiàn)上述目的本實用新型解決技術問題的技術方案是包括伺服電機，其特征在于還包括對電磁輻射源起屏蔽作用的伺服控制部殼體，在伺服控制部殼體內(nèi)設有為電源模塊提供控制信息的控制器，為控制器和伺服電機提供穩(wěn)定電源的電源模塊；為控制器提供伺服電機信息的反饋裝置；為控制器提供與上位機相連的輸入、輸出的I/O模塊和網(wǎng)絡接口模塊，并將上述伺服控制部殼體通過連接件固定于伺服電機殼體上。
所述的伺服電機是交流伺服電機或直流伺服電機。
所述的反饋裝置包括下述部分用于為控制器提供速度、位置檢測信息的編碼器，用光學編碼器或磁編碼器；用于為控制器提供轉(zhuǎn)矩檢測信息的電流傳感器，它由取樣電阻、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置和放大器組成或直接采用霍耳電流傳感器；用于將檢測后的速度、位置和電流數(shù)據(jù)進行預處理的數(shù)據(jù)預處理模塊。
所述的電源模塊包括下述部分對外部輸入的工頻電源整流為直流信號的整流模塊；將整流后的直流信號進行濾波的濾波電容；將濾波后的直流信號逆變?yōu)轭l率可變的交流信號的逆變模塊；為逆變模塊提供功率驅(qū)動信息的功率驅(qū)動單元。
所述的控制器包括下述部分用于PID控制和模糊控制的可編程器件或高性能單片機的主控芯片；通過顯示元件顯示各伺服參數(shù)和控制模式的顯示模塊；用于為控制器提供設定位置參數(shù)的位置設定單元、設定轉(zhuǎn)矩參數(shù)的轉(zhuǎn)矩設定單元、設定速度參數(shù)的速度設定單元。
所述的I/O模塊包括通信接口RS232、RS485或鍵盤輸入接口，它用于實現(xiàn)控制模式的輸入，與控制器相連。
所述的網(wǎng)絡接口模塊用現(xiàn)場總線接口或工業(yè)以太網(wǎng)接口，并與控制器相連。
所述的顯示元件、編碼器信號輸入輸出端子、鍵盤輸入接口、電源和通訊接口，設于伺服控制部殼體的上面。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，采用了以上的整合技術，一體化智能電機具有以下的優(yōu)點和效果1、由于取消了部分控制線和信號線及其接頭，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的可靠性。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間、安裝方便，適應惡劣環(huán)境能力強，故障率低。
3、通過伺服控制部殼體對輻射源進行了屏蔽，降低了對環(huán)境的電磁干擾。
4、用戶無需繁瑣的匹配電機和驅(qū)動控制器，選擇和使用簡單，靈活性強，系統(tǒng)設計更方便，大大減少產(chǎn)品開發(fā)時間。
5、一體化智能伺服電機維修方便，只需要更換電機就等于更換了一個控制軸，無需派專業(yè)人員到現(xiàn)場檢查診斷故障部位，大大節(jié)省了人力。
圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實用新型的安裝方式示意圖。
圖3是本實用新型的安裝方式示意圖。
圖4是本實用新型的原理圖。
圖中伺服電機1，反饋裝置2，電源模塊3，控制器4，I/O模塊5，網(wǎng)絡接口模塊6，電源7，伺服控制部殼體8，顯示元件C，編碼器信號輸入輸出端子D，鍵盤輸入接口E，電源和通訊接口F，螺栓G，編碼器21，電流傳感器22，取樣電阻221，模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置222，放大器223，數(shù)據(jù)預處理模塊23，整流模塊31，濾波電容32，逆變模塊33，功率驅(qū)動單元34，主控芯片41，顯示模塊51，鍵盤輸入52，位置設定單元53，轉(zhuǎn)矩設定單元54，速度設定單元55。
具體實施方式
參照附圖，對本實用新型的具體結(jié)構(gòu)詳細說明如下實施例1如圖1、2所示，包括伺服電機1，還包括對電磁輻射源起屏蔽作用的伺服控制部殼體8，在伺服控制部殼體8內(nèi)設有為電源模塊3提供控制信息的控制器4；為控制器4和伺服電機1提供穩(wěn)定電源的電源模塊3；為控制器4提供伺服電機1信息的反饋裝置2，為控制器4提供與上位機相連的輸入、輸出的I/O模塊5和網(wǎng)絡接口模塊6，將上述伺服控制部殼體8通過螺栓G固定于伺服電機1殼體上。為一體化智能伺服電機提供工頻電源的電源7與電源模塊3相連，控制器4根據(jù)反饋裝置2對電源模塊3實測的速度、位置和轉(zhuǎn)矩信息，與設定的速度、位置和轉(zhuǎn)矩信息計算出相應的控制信號，作為電源模塊3的輸入信號，從而完成伺服電機1的伺服控制。
如圖2所示是將顯示元件C、編碼器信號輸入輸出端子D、鍵盤輸入接口E、電源和通訊接口F，設于伺服控制部殼體8的后端蓋上。
控制器4采用高性能的FPGA為主控芯片，通過在小誤差時采用PID控制，在大誤差時采用模糊控制，實現(xiàn)伺服電機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩伺服，通過S型變化曲線或T型變化曲線實現(xiàn)位置的精確伺服和速度平滑伺服，提高伺服系統(tǒng)動態(tài)的響應性和控制性能。
I/O模塊5采用通信接口RS232實現(xiàn)控制模式的輸入，顯示模塊51為液晶屏，顯示被設定的參數(shù)和控制模式。網(wǎng)絡接口模塊6采用PROFIBUS現(xiàn)場總線接口，實現(xiàn)伺服電機參數(shù)的遠程監(jiān)控和維修。
實施例2如圖1、3所示，包括伺服電機1，還包括對電磁輻射源起屏蔽作用的伺服控制部殼體8，在伺服控制部殼體8內(nèi)設有為電源模塊3提供控制信息的控制器4；為控制器4和伺服電機1提供穩(wěn)定電源的電源模塊3；為控制器4提供伺服電機1信息的反饋裝置2，為控制器4提供與上位機相連的輸入、輸出的I/O模塊5和網(wǎng)絡接口模塊6，將上述伺服控制部殼體8通過螺栓G固定于伺服電機1殼體上。為一體化智能伺服電機提供工頻電源的電源7與電源模塊3相連，電源模塊3為伺服電機1和控制器4提供電能，控制器4根據(jù)反饋裝置2實測的速度、位置和轉(zhuǎn)矩信息，與設定的速度、位置和轉(zhuǎn)矩信息計算出相應的控制信號，作為電源模塊3的輸入信號，從而完成伺服電機1的伺服控制。
如圖3所示是將顯示元件C、編碼器信號輸入輸出端子D、輸入接口E、電源和通訊接口F，設于伺服控制部殼體8的殼體上。
控制器4采用高性能的MCU為主控芯片，通過在小誤差時采用PID控制，在大誤差時采用模糊控制，實現(xiàn)伺服電機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩伺服，通過S型變化曲線或T型變化曲線實現(xiàn)位置的精確伺服和速度平滑伺服，提高伺服系統(tǒng)動態(tài)的響應性和控制性能。
I/O模塊5采用通信接口RS485實現(xiàn)控制模式的輸入，顯示模塊51為數(shù)碼管，顯示被設定的參數(shù)和控制模式。網(wǎng)絡接口模塊6采用CANBUS工業(yè)以太網(wǎng)接口，實現(xiàn)伺服電機參數(shù)的遠程監(jiān)控與維修。
實施例3I/O模塊5采用鍵盤輸入52實現(xiàn)控制模式的輸入。其它同實施例1或?qū)嵤├?。
下面是本實用新型在傳統(tǒng)電機的基礎上，結(jié)合本實用新型特有的伺服控制器，以交流伺服電機為例的一體化智能伺服電機工作原理。
如圖4所示，交流電源7經(jīng)單相整流或三相整流器件的整流模塊31整流為直流信號，通過濾波電容32濾波，將濾波后的直流信號逆變?yōu)轭l率可變的交流信號，實現(xiàn)電源的AC到DC的轉(zhuǎn)換，將整流后的電能傳遞給伺服電機1，通過穩(wěn)壓電路，也為控制器4中各電子器件提供電能。
編碼器21測量伺服電機1的速度和位置，并將實測的速度和位置數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)預處理模塊23，為主控芯片41提供伺服電機1當前的速度和位置信息，主控芯片41根據(jù)設定的速度和位置信息與處理后的速度和位置信息，采用PID和模糊控制的算法，計算出功率驅(qū)動單元34的控制輸入量，從而驅(qū)動逆變模塊33，實現(xiàn)伺服電機1的速度和位置伺服，確保了伺服控制的實時性；電流傳感器22包括取樣電阻221、放大器223和模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置222，為主控芯片41提供母線電流信號，通過電流環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩伺服。
主控芯片41根據(jù)位置設定單元53、轉(zhuǎn)矩設定單元54和速度設定單元55確定伺服電機1的控制運行方式，其轉(zhuǎn)矩設定單元54，通過電位器輸入電壓信號設置轉(zhuǎn)矩大??；速度設定單元55，通過輸入電壓信號設置速度的大??；位置設定單元53，通過輸入A相、B相信號，實現(xiàn)位置的設定信號的輸入，方便與運動控制卡連接或通過上位機或PLC控制實現(xiàn)速度、位置的數(shù)字化設定，實現(xiàn)速度伺服、轉(zhuǎn)矩伺服和位置伺服。用鍵盤輸入52實現(xiàn)伺服參數(shù)的設定；顯示模塊51顯示各伺服參數(shù)和控制模式；采用網(wǎng)絡接口模塊6實現(xiàn)伺服電機1的遠程控制和多個伺服電機1的連動控制。
權(quán)利要求1.一種一體化智能伺服電機，包括伺服電機(1)，其特征在于還包括對電磁輻射源起屏蔽作用的伺服控制部殼體(8)，在伺服控制部殼體(8)內(nèi)設有為電源模塊(3)提供控制信息的控制器(4)，為控制器(4)和伺服電機(1)提供穩(wěn)定電源的電源模塊(3)；為控制器(4)提供伺服電機(1)信息的反饋裝置(2)；為控制器(4)提供與上位機相連的輸入、輸出的I/O模塊(5)和網(wǎng)絡接口模塊(6)，將上述伺服控制部殼體(8)通過連接件固定于伺服電機(1)的殼體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的伺服電機(1)是交流伺服電機或直流伺服電機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的反饋裝置(2)包括下述部分用于為控制器(4)提供速度、位置檢測信息的編碼器(21)，采用光學編碼器或磁編碼器；用于為控制器(4)提供轉(zhuǎn)矩檢測信息的電流傳感器(22)，它由取樣電阻(221)、模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置(222)和放大器(223)組成或直接采用霍耳電流傳感器；用于將檢測后的速度、位置和電流數(shù)據(jù)進行預處理的數(shù)據(jù)預處理模塊(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的電源模塊(3)包括下述部分對外部輸入的工頻電源整流為直流信號的整流模塊(31)；將整流后的直流信號進行濾波的濾波電容(32)；將濾波后的直流信號逆變?yōu)轭l率可變的交流信號的逆變模塊(33)；為逆變模塊(33)提供功率驅(qū)動信息的功率驅(qū)動單元(34)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的控制器(4)包括下述部分用于PID控制和模糊控制的可編程器件或高性能單片機的主控芯片(41)；通過顯示元件(C)顯示各伺服參數(shù)和控制模式的顯示模塊(51)；用于為控制器(4)提供設定位置參數(shù)的位置設定單元(53)、設定轉(zhuǎn)矩參數(shù)的轉(zhuǎn)矩設定單元(54)、設定速度參數(shù)的速度設定單元(55)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的I/O模塊(5)包括通信接口RS232、RS485或鍵盤輸入(52)，它用于實現(xiàn)控制模式的輸入，與控制器(4)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的網(wǎng)絡接口模塊(6)用現(xiàn)場總線接口或工業(yè)以太網(wǎng)接口，并與控制器(4)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求3、4、6、7所述的一體化智能伺服電機，其特征在于所述的顯示元件(C)、編碼器信號輸入輸出端子(D)、鍵盤輸入接口(E)、電源和通訊接口(F)，設于伺服控制部殼體(8)的上面。
專利摘要本實用新型涉及一種伺服電機，包括伺服電機，還包括對電磁輻射源起屏蔽作用的伺服控制部殼體，其內(nèi)設有為電源模塊提供控制信息的控制器，為控制器和伺服電機提供電源的電源模塊；為控制器提供伺服電機信息的反饋裝置；為控制器提供與上位機相連的I/O模塊和網(wǎng)絡接口模塊，并將上述伺服控制部殼體通過連接件固定于伺服電機的殼體上。因取消了部分控制線和信號線及其接頭，降低了對環(huán)境的電磁干擾和生產(chǎn)成本，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，適應惡劣環(huán)境能力強，故障率低，提高了產(chǎn)品的可靠性，用戶無需繁瑣的匹配電機和驅(qū)動控制器，靈活性強，設計與維修更方便，更換電機就等于更換了一個控制軸，無需專人到現(xiàn)場檢查診斷故障部位，大大節(jié)省了人力。
文檔編號G05D3/20GK2783384SQ200520090578
公開日2006年5月24日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月27日
發(fā)明者袁衛(wèi)華 申請人:袁衛(wèi)華