專利名稱：小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型為小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器，可運(yùn)用于教學(xué)機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)室科 研項(xiàng)目中的小型機(jī)械臂上。
背景技術(shù)：
小型直流電機(jī)是近幾年小電機(jī)行業(yè)發(fā)展最快的品種，隨著視聽(tīng)產(chǎn)品“小、輕、薄”化 和家電產(chǎn)品的靜音化以及工業(yè)控制需求量增多，小型直流電動(dòng)機(jī)需要量迅速增加。小型直 流電機(jī)用電子換向替代了電刷和換向器，具有高可靠、高效率、壽命長(zhǎng)、調(diào)速方便的優(yōu)點(diǎn)。各 國(guó)都加快了開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的速度和占領(lǐng)市場(chǎng)的力度。日本不少公司已將小型直流電機(jī)應(yīng)用到 數(shù)碼照相機(jī)、微型收錄機(jī)、打印機(jī)、存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)器、手機(jī)以及汽車電子、醫(yī)療電子等領(lǐng)域。在機(jī) 器人中廣泛應(yīng)用各類小電機(jī)，如直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)，感應(yīng)同步電動(dòng)機(jī)，測(cè)速 發(fā)電機(jī)，自整角機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器，直線電動(dòng)機(jī)，力矩電機(jī)等等，據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，一臺(tái)工業(yè)用 機(jī)器人的機(jī)械臂至少有10臺(tái)以上各種小電機(jī)，完成驅(qū)動(dòng)、伺服和速度、位置、聲訊傳感等功 能。據(jù)國(guó)際機(jī)器人協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，機(jī)器人需求量年增長(zhǎng)30 %，在我國(guó)，隨著國(guó)家對(duì)高校教育投資 力度的加大，機(jī)器人的需求量將會(huì)更大。因此小型直流電機(jī)調(diào)速控制器的應(yīng)用必將有廣闊 的前景。目前小型直流電機(jī)調(diào)速控制器并不少見(jiàn)，比如應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)處直流電機(jī)調(diào)速 控制器，它主要利用升壓電路將輸入直流電壓升高到目的電壓值，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制 機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。但是如果信號(hào)源供給的脈沖信號(hào)收到干擾，、波形不穩(wěn)定或者占空 比不合適，甚至?xí)?dǎo)致該調(diào)速器失效。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服了現(xiàn)有調(diào)速控制器的上述缺陷，提出了一種小型機(jī)械 臂直流電機(jī)調(diào)速控制器，該調(diào)速控制器工作電壓低，輸出穩(wěn)定，成品體積較小，成本低，并且 能夠調(diào)整、修復(fù)、整形輸入信號(hào)，以適應(yīng)更多的使用環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。包括信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊、升 壓模塊和直流電源，其中直流電源同時(shí)與信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊和升壓模塊相連，信號(hào)調(diào)節(jié)整 形模塊的輸入端與信號(hào)源相連，輸出端與升壓模塊相連，信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊處理信號(hào)源發(fā) 送的信號(hào)并調(diào)整該信號(hào)的占空比，調(diào)整后的信號(hào)輸出給升壓模塊；升壓模塊根據(jù)在信號(hào)控 制將直流電源的電壓值升高到目標(biāo)電壓值，輸出給直流電機(jī)。所述的信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊中選用的是NE555P芯片，該芯片1管腳接地，2管腳連接 0. OOluF電容后接信號(hào)源；2、8管腳之間接20K電阻；3管腳接升壓模塊信號(hào)源輸入端；4管 腳接6V直流電源；4管腳接0. IuF電容后接地；3、4管腳之間接IOK電阻；5管腳接0. OluF 電容后接地；7管腳接0. IuF電容后接地；6、8管腳之間接電位器，4、8管腳相連；6、7管腳 相連；所述電容均為非極性電容。所述的升壓模塊中選用的場(chǎng)效應(yīng)管為IRF2807，其中G極接10歐姆電阻后接信號(hào) 調(diào)節(jié)整形模塊中NE555P芯片的3管腳；S極接IOK電阻后接地；D極分為兩支路，一路接IOmH電感后接6V直流電源，一路接二極管正極，設(shè)二極管負(fù)極為d點(diǎn)，在d點(diǎn)和地之間并聯(lián) IOuF電容、220uF電容、220uF極性電容、100歐姆電阻各一個(gè)；所述的IOuF電容、220uF電 容均為非極性電容。與現(xiàn)有直流電機(jī)調(diào)速控制器相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1.工作電壓低，輸出穩(wěn)定。2.成品體積較小，成本低，易于安裝。3.利用信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊能夠?qū)Σ环€(wěn)定的、受到干擾的或者占空比不合適的信號(hào) 進(jìn)行調(diào)節(jié)和整形，保證調(diào)速器的有效性。4.可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

圖1本實(shí)用新型的連接框圖圖2小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器工作電路圖3簡(jiǎn)化后的升壓模塊電路圖圖4升壓模塊充電過(guò)程示意圖圖5升壓模塊放電過(guò)程示意圖圖6電感充放電波形圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步地闡述本實(shí)施例采用Boost升壓電路為主體電路的升壓模塊，配合555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為 主體的信號(hào)調(diào)節(jié)模塊共同工作。通過(guò)調(diào)整變阻器來(lái)控制輸入信號(hào)的占空比，從而控制開(kāi)關(guān) 管的通斷時(shí)間，電路工作時(shí)，電感不斷充電并持續(xù)對(duì)電容放電從而完成升壓輸出。本發(fā)明有 調(diào)速范圍較寬，響應(yīng)較快，加減速時(shí)速度平滑的特點(diǎn)。圖2為小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器工作電路圖，主要包括信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊 和升壓模塊。信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊主要由NE555P芯片、電位器及外圍電路組成，主要用于調(diào) 節(jié)輸入信號(hào)的占空比、整形輸入信號(hào)，控制升壓模塊開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間。升壓模塊是利用上 一級(jí)模塊的輸出脈沖電壓，控制IRF2807開(kāi)關(guān)管的通斷，輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，6V直 流電流過(guò)電感，二極管防止電容對(duì)地放電，電感中的電流以一定的比率增加，電感中儲(chǔ)存能 量。輸入低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，由于電感的電流保持特性，而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電 感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，持續(xù)一段時(shí)間輸出電 壓就高于輸入電壓了。從圖2可以看出，信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊中選用的是NE555P芯片，該芯 片1管腳接地，2管腳連接0. OOluF電容后接信號(hào)源；2、8管腳之間接20K電阻；3管腳接升 壓模塊信號(hào)源輸入端；4管腳接6V直流電源；4管腳接0. IuF電容后接地；3、4管腳之間接 IOK電阻；5管腳接0. OluF電容后接地；7管腳接0. IuF電容后接地；6、8管腳之間接電位 器，4、8管腳相連；6、7管腳相連；所述電容均為非極性電容。升壓模塊中選用的場(chǎng)效應(yīng)管為 IRF2807，其中G極接10歐姆電阻后接信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊中NE555P芯片的3管腳；S極接 IOK電阻后接地；D極分為兩支路，一路接IOmH電感后接6V直流電源，一路接二極管正極， 設(shè)二極管負(fù)極為d點(diǎn)，在d點(diǎn)和地之間并聯(lián)IOuF電容、220uF電容、220uF極性電容、100歐姆電阻各一個(gè)；所述的IOuF電容、220uF電容均為非極性電容。使用本小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器具體方法如下將6V直流電源加在信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊555芯片的4管腳和升壓電路的直流輸入 端，將一定頻率的脈沖信號(hào)加入到555芯片的2管腳信號(hào)輸入端，此時(shí)可以調(diào)節(jié)電位器，將 輸入信號(hào)調(diào)節(jié)到適合的占空比和整形效果，從工作電路輸出端觀測(cè)當(dāng)接入信號(hào)源是輸出電 壓可以從6V升高到9V左右，將電壓接入到機(jī)器人機(jī)械臂的直流電機(jī)上，可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn) 速，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊和升壓模塊兩部分均由6V直流電源供電。信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊 完成調(diào)節(jié)輸入信號(hào)占空比、整形輸入信號(hào)的功能，升壓模塊完成將6V電壓升高到目的電壓 值，進(jìn)而改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制機(jī)械臂的功能。1、信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊主體為555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，其特點(diǎn)是電路有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)和 一個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)。在觸發(fā)信號(hào)作用下，電路將由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)是一個(gè)不能長(zhǎng)久保 持的狀態(tài)，由于電路中RC延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路會(huì)自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)，并在 輸出端獲得一個(gè)脈沖寬度為tw的矩形波。在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，輸出的脈沖寬度tw，就是暫 穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，其長(zhǎng)短取決于電路中R、C的參數(shù)值，tw = R*C。由555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路中R，C為外接定時(shí)元件，輸人的觸發(fā)信號(hào)Vi接在 低電平觸發(fā)端(2腳)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出Vo為低電平，即無(wú)觸發(fā)器信號(hào)(Vi為高電平)時(shí)，電路處于穩(wěn)定狀態(tài) 即輸出低電平。在Vi負(fù)脈沖作用下，低電平觸發(fā)端得到低于(l/3)Vcc，觸發(fā)信號(hào)，輸出Vo 為高電平，放電管VT截止，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，定時(shí)開(kāi)始。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電源+Vcc-R-C —地，對(duì)電容充電，充電時(shí)間常數(shù)T = RC, Uc按 指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電容兩端電壓Uc上升到(2/3)Vcc后，6端為高電平，輸出Vo變?yōu)榈碗?平，放電管VT導(dǎo)通，定時(shí)電容C充電結(jié)束，即暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)Vo為低電平的 狀態(tài)。當(dāng)?shù)诙€(gè)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，又重復(fù)上述過(guò)程。這種電路產(chǎn)生的脈沖寬度tw與定時(shí)元件R，C大小有關(guān)，因此可以改變變阻器R的 值來(lái)控制升壓電路輸入信號(hào)的占空比。2、圖3所示為簡(jiǎn)化后的升壓模塊電路圖，即輸出電壓比輸入電壓高。假定所有元 件都處于理想狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管(mos管)已經(jīng)斷開(kāi)很長(zhǎng)時(shí)間，那么輸出端電壓等于輸入端電壓。 前端555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出的信號(hào)接入到開(kāi)關(guān)管的G級(jí)控制開(kāi)關(guān)管的通斷。當(dāng)信號(hào)為高電 平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，處于電感充電階段；當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)，處于電感給電容充 電階段。下面分充電和放電兩個(gè)部分來(lái)說(shuō)明這個(gè)電路(1)充電過(guò)程在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閉合(三極管導(dǎo)通)，等效電路如圖4，開(kāi)關(guān)(三極管)處用導(dǎo) 線代替。這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電 感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里 儲(chǔ)存了一些能量。(2)放電過(guò)程如圖5，這是當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(三極管截止)時(shí)的等效電路。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(三極管截 止)時(shí)，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容 充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。升壓過(guò)程就是一個(gè)電 感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過(guò)程中保持一個(gè)持續(xù)的電流。如 果這個(gè)通斷的過(guò)程不斷重復(fù)，就可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。波形如圖6所
7J\ ο由此可見(jiàn)，本實(shí)用新型可以有效的將6V電壓升高到9V，改變小型機(jī)械臂直流電機(jī) 轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂完成各項(xiàng)功能。本實(shí)用新型工作電壓低，輸出穩(wěn)定，成品體積較小，適合教學(xué)應(yīng)用或者實(shí)驗(yàn)室科研 項(xiàng)目中小型設(shè)備上安裝。如果更換大功率的場(chǎng)效應(yīng)管或者電感，可以供給更大的直流電機(jī)。 由于直流電動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速大力矩的特點(diǎn)，是交流電動(dòng)機(jī)無(wú)法取代的，因此調(diào)節(jié)直流電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速的直流電機(jī)調(diào)速控制器，具有廣闊的應(yīng)用空間。
權(quán)利要求一種小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器，其特征在于包括信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊、升壓模塊和直流電源，其中直流電源同時(shí)與信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊和升壓模塊相連，信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊的輸入端與信號(hào)源相連，輸出端與升壓模塊相連，信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊處理信號(hào)源發(fā)送的信號(hào)并調(diào)整該信號(hào)的占空比，調(diào)整后的信號(hào)輸出給升壓模塊；升壓模塊根據(jù)在信號(hào)控制將直流電源的電壓值升高到目標(biāo)電壓值，輸出給直流電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器，其特征在于所述的 信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊中選用的是NE555P芯片，該芯片1管腳接地，2管腳連接0. OOluF電容后 接信號(hào)源；2、8管腳之間接20K電阻；3管腳接升壓模塊信號(hào)源輸入端；4管腳接6V直流電 源；4管腳接0. IuF電容后接地；3、4管腳之間接IOK電阻；5管腳接0. OluF電容后接地；7 管腳接0. IuF電容后接地；6、8管腳之間接電位器，4、8管腳相連；6、7管腳相連；所述電容 均為非極性電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器，其特征在于所述的 升壓模塊中選用的場(chǎng)效應(yīng)管為IRF2807，其中G極接10歐姆電阻后接信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊中 NE555P芯片的3管腳；S極接IOK電阻后接地；D極分為兩支路，一路接IOmH電感后接6V直 流電源，一路接二極管正極，設(shè)二極管負(fù)極為d點(diǎn)，在d點(diǎn)和地之間并聯(lián)IOuF電容、220uF電 容、220uF極性電容、100歐姆電阻各一個(gè)；所述的IOuF電容、220uF電容均為非極性電容。
專利摘要本實(shí)用新型為小型機(jī)械臂直流電機(jī)調(diào)速控制器，可運(yùn)用于教學(xué)機(jī)器人、實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目中的小型機(jī)械臂上。該控制器包括信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊、升壓模塊和直流電源。其中直流電源同時(shí)與信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊和升壓模塊相連，信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊的輸入端與信號(hào)源相連，輸出端與升壓模塊相連，信號(hào)調(diào)節(jié)整形模塊處理信號(hào)源發(fā)送的信號(hào)并調(diào)整該信號(hào)的占空比，調(diào)整后的信號(hào)輸出給升壓模塊；升壓模塊根據(jù)在信號(hào)控制將直流電源的電壓值升高到目標(biāo)電壓值，輸出給直流電機(jī)。本實(shí)用新型工作電壓低，輸出穩(wěn)定，成品體積較小，適合教學(xué)應(yīng)用或者實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目中小型設(shè)備上安裝。如果更換大功率的場(chǎng)效應(yīng)管或者電感，可以供給更大的直流電機(jī)。
文檔編號(hào)H02P7/28GK201717822SQ201020164798
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者林志杰, 王鐵流, 申思磊, 金姍, 高強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)