Контроллер сервопривода для управления бесколлекторным электродвигателем с редуктором

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована в качестве контроллера сервопривода для управления бесколлекторным электродвигателем с редуктором, в том числе с червячной, гипоидной, волновой, планетарной, циклоидальной, цилиндрической и конической передачей, с обратной связью по току, скорости, положению, крутящему моменту.
Известны варианты контроллеров сервоприводов, позволяющие обрабатывать информацию, поступающую с датчиков об объекте и передавать управляющее воздействие на объект, в том числе - на синхронный электродвигатель с постоянными магнитами. Для определения параметров объекта используются различные виды датчиков, например: датчик углового положения и датчик конечного положения. Информация с датчиков поступает на контроллер, в котором согласно алгоритму управления рассчитывается управляющее воздействие, далее контроллер передает по линиям связи управляющие сигналы на объект.
Известен цифровой сервопривод (патент РФ на изобретение RU 2643179 C1). Сервопривод, содержащий датчик входного сигнала, выход которого подключен к первому входу измерителя рассогласования, второй вход которого подсоединен через аналого-цифровой преобразователь к выходу датчика положения, а выход - ко входу цифрового компаратора, соединенного через драйвер электродвигателя и механический редуктор с исполнительным органом, на котором установлен датчик положения.
Недостатком известного устройства является управление сервоприводом по положению вала, без подчиненного контура скорости и тока.
В качестве ближайшего аналога заявленному техническому решению выбрана плата управления сервоприводом (патент РФ на полезную модель RU 203739 U1). Плата управления сервоприводом, содержащая микроконтроллер, выполненный с возможностью соединения с управляющим устройством посредством расположенной на плате клеммы для подключения к шине связи, и расположенную на плате клемму для соединения микроконтроллера с двигателем сервопривода.
Недостатком известного устройства является отсутствие контура регулирования по крутящему моменту с обратной связью от датчика крутящего момента.
Решаемая техническая проблема: реализация компактного, мощного сервопривода с возможностью управления по крутящему моменту и функцией остановки редуктора при отсутствии питания электродвигателя.
Достигаемый технический результат: заключается в повышении энергоэффективности и динамических характеристик сервопривода с одновременным уменьшением габаритных размеров контроллера при возможности коммутации высоких токов электродвигателя, что особенно важно при использовании данной полезной модели в автономных мобильных и манипуляционных роботах.
Сущность полезной модели: состоит в том, что контроллер сервопривода, размещаемый на печатной плате, изготовленной из материалов на основе стеклотканей и выполняющей функцию размещения компонентов, содержит микроконтроллер, реализующий алгоритм векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, 3 силовых транзисторных полумоста для импульсной коммутации обмоток электродвигателя к питанию, стабилизатор питания, комбинированный с драйвером силовых транзисторов, выполняющий стабилизацию питающего напряжения и осуществляющий коммутацию силовых транзисторов, фильтр питания, улучшающий качество питания стабилизатора питания, датчики тока в цепи обмоток электродвигателя, интерфейсные микросхемы связи для обмена данными, например через CAN, интерфейс для подключения абсолютных энкодеров: датчика положения ротора электродвигателя и датчика положения выходного вала редуктора, участвующих в обратной связи, интерфейс датчика крутящего момента, для реализации сервопривода с управлением по крутящему моменту и вход стопора редуктора для фиксации редуктора, например соленоидом, на момент отключения питания электродвигателя (фиг. 1).
Описание работы: на фигуре 1 представлена структура контроллера сервопривода в виде основных компонентов, размещаемых на печатной плате, осуществляющих управление сервоприводом.
Плата с размещенными компонентами, получающая внешнее питание и имеющая подключение к линии данных, соединяется со следующими элементами сервопривода: электродвигатель, датчик положения выходного вала редуктора, датчик положения ротора электродвигателя, датчик крутящего момента, фиксатор редуктора, при этом такие элементы как датчик крутящего момента и фиксатор редуктора могут быть не установлены в конструкции сервопривода.
Питающее напряжение подается на фильтр питания, который частично устраняет противоЭДС во время вращения ротора электродвигателя, поступает на интегрированную микросхему стабилизатора питания с драйвером силовых транзисторов, далее расходится на потребители и вторичные преобразователи напряжения (на схеме не указаны).
Предлагаемый контроллер сервопривода для управления бесколлекторным электродвигателем с редуктором работает следующим образом. Информация об установке задания поступает по линии данных на интерфейсную микросхему, которая, реализуя физический интерфейс, передает данные микроконтроллеру. Также посредством этого же интерфейса задается режим работы следящего привода, параметры и коэффициенты регуляторов. Микроконтроллер реализует схему подчиненного управления с использованием ПИД-регулятора в каждом контуре управления. Для управления по току реализован алгоритм векторного управления, который, используя данные с датчиков тока, отслеживает задание компоненты вектора тока, участвующей в выработке крутящего момента, и обнуляет другую компоненту вектора тока, расходующую энергию на диссипативные потери, таким образом, повышая КПД сервопривода в целом. С контура тока управляющий сигнал выдается на генератор ШИМ, который подает исполнительные импульсные сигналы на драйвер силовых транзисторов, который усиливает сигналы и выдает их на управляющие входы силовых транзисторных полумостов, которые выполняют коммутацию обмоток электродвигателя к цепи питания. Если установлен датчик крутящего момента, микроконтроллер периодически выполняет опрос датчика и использует считанное значение в контуре обратной связи по крутящему моменту. В случае если установлен фиксатор редуктора, подключенный к входу стопора редуктора, микроконтроллер перед началом вращения ротора электродвигателя отключает фиксацию ротора.