一种数字式集成化机电作动器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种数字式集成化机电作动器，包括壳体、电动 机、转角电位器、减速轮系、单片机、H桥驱动芯片和通信接口元件。 其中，电动机通过减速轮系连接输出转盘及转角电位器，转角电位器连 接单片机；单片机连接H桥驱动芯片，H桥驱动芯片连接电动机；单片 机通过通信接口元件接收外部的控制命令并反馈信息。本作动器在结构 上实现了各部件的完全集成化；同时，使用基于单片机系统和PID控制 算法的数字控制方式，可以实现优于采用同档次电机的RC servo的动力 性能，并实现RC servo等产品不具备的一些辅助功能。本作动器尤其适 合应用在小型机器人的关节驱动等场合。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种作动器，尤其涉及一种将电动机、减速器、控 制电路等集成为一体，并利用控制电路中的单片机进行数字化控制的作动器，属于机电一体化

技术介绍
作动器(Actuator),有时也称为执行器等，是对机电系统中运动伺 服子系统的统称，参见附图说明图1所示，其输入为载有期望运动效果的指令信 号，输出为和期望相符的执行机构的实际运动。目前，作动器的概念越 来越强调将机电系统中涉及运动伺服任务的各装置(包括动力装置、传 动装置、运动控制器)作为一个相对独立的子系统进行设计制造，以便 为使用作动器的整个机电系统提供简单有效的运动伺服解决方案。作动器的概念最早在20世纪50年代被提出。早期作动器采用电动 液压结构，称作电液作动器(Electro Hydraulic Actuator)。随着现代制 造技术的发展，作动器越来越多地使用以齿轮减速器为主的机械传动装 置代替液压装置，进而出现了所谓机电作动器(Electro Mechanical Actuator)。目前，在大多数应用场合中，机电作动器已成为应用的主流。 20世纪90年代之后，随着人类对生产/生活自动化的需求不断提高，作 动器的应用领域越来越广，逐渐涵盖了日用电器、医疗器械、交通工具 等诸方面。例如在公开号为CN101247061的中国专利技术专利申请中，公开 了一种汽车用电动式作动器，该作动器包括马达、驱动被驱动件转动的传动机构和反馈感应装置，采用非接触式的光学检测方式检测由马达回 转引起的角度和位置的变化情况，以解决现有作动器反馈控制方式出现 的误差过大、反馈检测装置易磨损的技术问题。另外，在公开号为 CN101216701的中国专利技术专利申请中，公开了一种基于1553B总线的三 余度数字式作动器控制器。该数字式作动器控制器在硬件上主要包括 DSP处理器、复杂可编程器件、A/D转换器，D/A转换器、通道隔离模 块和1553B总线通信模块。该作动器控制器相比传统的模拟式控制器， 可以实现更先进复杂的控制算法，有利于作动器向模块化、集成化、智能化和高可靠性方向发展。随着技术的发展，作动器的集成度不断提高。首先是电动机和传动 装置的一体化，之后是以PLC、电机驱动器等设备的出现为代表的控制 系统集成化。而未来作动器的发展更强调把作动器的所有元件在物理结 构上集成封装为一个整体，实现真正意义上的"黑箱"。这样做的意义在 于可以使整个机电系统的其它层面如整体结构、决策控制的开发不必再 涉及具体的运动控制与执行机构，进而提高开发效率。同时，集成化的 作动器具有好的可移植性，与其它组件相对独立的形式也使升级、替换、维修更加容易。近几年来，在小型机电作动器领域越来越多的开始一种被称作RC servo的作动装置。RC servo具有比较出色的动力性能，而且集成度和标 准化程度也较高，已经成为某些专业领域的主流作动器选择之一。但是， RC servo也存在明显的局限性首先是目前几乎所有RC servo都采用脉 宽调制信号作为输入控制信号，在使用时必须依赖另外设置的脉宽调制 信号发生电路对上位机发出的数字指令进行调制，从而增加了系统的硬 件规模；其次是RC servo内部的运动控制电路大都是模拟形式，控制效 果比较有限，也无法实现向外部提供反馈信息等辅助功能。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种适用于小型机电设备的数字式集成 化机电作动器。该机电作动器具有部件集成化、数字式控制、性能优越 的特点，可以很好满足微型飞行器舵面驱动、小型机器人关节驱动等领 域的实际需求。为实现上述目的，本技术采用下述的技术方案一种数字式集成化机电作动器，包括壳体、电动机、减速轮系、输 出转盘、转角电位器和控制电路，所述电动机、减速轮系、转角电位器 和控制电路都集成在所述壳体内，其特征在于所述控制电路包括单片机、H桥驱动芯片和通信接口元件；所述电动机通过所述减速轮系连接所述输出转盘及所述转角电位器，所述转角电位器连接所述单片机；所述单片机连接所述H桥驱动芯片，所述H桥驱动芯片连接所述电 动机；所述单片机通过所述通信接口元件接收外部对作动器的控制命令，或向外部反馈信息。其中，所述壳体由上壳体、中壳体和下壳体组成，构成两个室，其 中所述中壳体的上表面和所述上壳体的内腔组成减速器室，用于容纳所 述减速轮系；所述中壳体的内腔和所述下壳体的内腔组成电机及控制室， 用于容纳电动机、转角电位器及控制电路。所述减速轮系为多级固定轴直齿轮减速器。所述电动机为RF130型高速直流电机。 所述单片机为ATMEL megal28芯片。 所述H桥驱动芯片为L6201芯片。所述通信接口元件为RS485通信接口芯片MAX485CSA。 本技术所提供的数字式集成化机电作动器在结构上将包括电动 机、减速器、控制电路等在内的作动器系统集成化。同时，本作动器突 破了 RC servo的模拟控制与通信形式，使用基于单片机系统和PID调节 的数字控制，可以实现优于采用同档次电机的RC servo的动力性能。另 外，基于单片机的数控方式也使本作动器能够依靠单片机程序实现RC servo所不具备的一些辅助功能，如向外部提供反馈信息、关闭作动器输 出力矩等。这些优点使得本作动器尤其适合应用在小型机器人的关节驱 动等高端机电领域。以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的说明。图1为作为一个相对独立子系统的作动器的典型结构示意图2为本技术所提供的数字式集成化机电作动器的外观图3为本技术所提供的数字式集成化机电作动器的装配图4为本作动器中，减速齿轮系的总体机构简图5为本作动器中，控制电路的工作原理框图6为控制电路的主要元件的详细电路原理图7为本作动器的控制原理示意图8为本作动器中控制器的单片机控制框架示意图9为本作动器与外界进行通信的方式示意图。具体实施方式本技术所提供的数字式集成化机电作动器是一种转角输出型的小型机电作动器。这种小型机电作动器的外形尺寸线度优选为41mm (长)X20mm(宽)X40mm(高)，采用8V直流供电，输出功率不超 过IOW，最大输出保持力矩为1N m，特别适合应用在微型飞行器舵面 驱动、小型机器人关节驱动等领域。参见图2及图3所示，本数字式集成化机电作动器采用"三壳两腔" 结构，即壳体由上壳体12、中壳体13和下壳体15三部分组成，构成两 个室。其中中壳体13的上表面和上壳体12的内腔组成作动器的减速器 室，容纳减速轮系；而中壳体13的内腔和下壳体15的内腔则组成作动 器的电机及控制室，容纳电动机Ol、转角电位器14和控制电路16。上 述的三部分壳体靠螺栓(图中未示)装配为一体。在本数字式集成化机电作动器中，出于反向效率高、成本低廉等多 方面的考虑，减速器设计采用多级固定轴直齿轮减速器的形式。根据本 作动器的最大输出保持力矩的设计目标和所用电动机的输出力矩，减速 器的减速比设计为240，采用4级减速。参见图3及图4所示，为了使 减速器结构尽量紧凑，采用类似"塔式"传动路径的布局布置各级齿轮。 具体而言，齿轮03以过盈配合方式固定安装在电动机01转轴上，并与 双联齿轮02啮合。双联齿轮04也与双联齿轮02啮合在一起。双联齿轮 04通过光轴06和轴承05安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字式集成化机电作动器，包括壳体、电动机、减速轮系、输出转盘、转角电位器和控制电路，所述电动机、减速轮系、转角电位器和控制电路集成在所述壳体内，其特征在于：　所述控制电路包括单片机、Ｈ桥驱动芯片和通信接口元件；　所述电动机通 过所述减速轮系连接所述输出转盘及所述转角电位器，所述转角电位器连接所述单片机；　所述单片机连接所述Ｈ桥驱动芯片，所述Ｈ桥驱动芯片连接所述电动机；　所述单片机通过所述通信接口元件接收外部输入作动器的控制命令，或向外部反馈信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王琮，曹宇，
申请(专利权)人：王琮，曹宇，
类型：实用新型
国别省市：11