基于直流无刷力矩电机的二维转台研制

基于直流无刷力矩电机的二维转台研制

彭涛

桂林长海发展有限责任公司 广西桂林市 541001

摘要：基于直流无刷力矩电机可以全自动满足跟星观测精度的标准，而基于直流无刷力矩电机是一项具有天空扫描的功能以及太阳跟踪等两维转台，基础上的精度定位达到自由度俯仰180° 以及水平360°，以便于在零下的环境中正常运作以及相应低温的器件，适用于低温环境的力矩电机，因轻量化以及紧凑的设计便于携带，更能够对野外的使用达到满足效果，实用性电机其实源于十九世纪的诞生，这种电机就是无刷形式，当时在十九世纪这种电机得到了很大范围的应用，因有许多无法战胜的缺陷，导致电机技术发展的缓慢，而随着社会的经济发展新社会的无刷电机有了很多技术方面的进展，本文以直流无刷力矩电机以及二维转台研制进行了分析以及探讨，希望可以对有关部门有帮助。

关键词：直流无刷；二维转台研制；力矩电机

精密跟踪的系统关键就在于高精度转台的技术，多功能的转动平台形成的就是转台，很多的精密系统都适用直流无刷力矩电机，而转台的主要工作是带动电机的转动，整个电机结构的设计是有电机的类型以及装配的设计，这些会显得重中之重，我国现代社会常用到的电机分为三种类型，直流力矩电机、交流伺服电机以及步进电机等电机，直流力矩电机的优点是突出低转速以及堵转时能创造较大的驱动力矩，可以直接驱动而不用减速带，传动精度因过于高，以及无间隙比较适用于那些高负载以及低速和高精度的场合，交流伺服电机在高速上的性能比较优秀，而且具有强大的过载能力，大多数情况下为闭环控制，除了强大的过载能力外在配合减速使用时低速下容易抖动，体积也比较大而且功耗高，相比步进电机优点则是有良好的跟随性，其结构不仅简单而廉价、动态响应快还容易启停，除了一些优点外其缺点就是不具有过载能力，当负担太大容易出现丢步以及堵转现象。本文对高精度二维转台以及基于直流无刷力矩电机进行了研究以及制作，便携性的紧凑和轻量化设计转台在适用于野外的工作。

无刷直流电机的应用

无刷直流电机可以用于在汽车、航空航天、工具、工业工控等应用，总体来说可以分为三种主要的应用途径，如持续负载、可变负载、定位等应用，以下为三种用途做详细的讲解。

持续负载应用

吹风机、抽水机、风扇等应用对转速的精度需求不高但是需要一定的转速，这一类的应用为开环控制，主要成本比较低。

可变负载应用

在某个转速范围内需要变化应用，对家用器具、甩干机以及压缩机等有动态响应和电机转速特性的需求更高，对汽车领域电控制器、以及发动机控制则有更好的系统成本

定位应用

很多的工业以及自动控制的方面都属于这类应用，这种应用会完成输送的能力，对转速的动态响应以及转矩和控制器都有比较高的要求，这种应用对过程控制以及运输控制和机械质控都属于这种。

实用性新型无刷电机对技术要求和发展都有紧密的联系，例如自控技术、电子技术、微电子技术以及数字技术等，不仅仅涉及一个领悟，还涉及了发电和电动的能量转变以及信号传感等领域，而在电机的领域中这种新型无刷电机的品种是比较多的，因受到价格的限制不管性能多么优良，应用的范围还不广泛。

二维转台的功能

转角位置伺服控制

转台工作在位置伺服可以按定位置指令对伺服调动个框的位置，这种控制具有频率相应的品质。

转角速度伺服控制

速度伺服在转台的控制可以按定速度来调节各框要求伺服的速度，所具备要求的频率响应品质。

转台限位告警

转台限位在控制器上可以任意的设置软限位以及硬限位的限位值，当在转台转角的限位值过于大时，软件程序就会对限位指示以及保护指示发出警告，硬限位则是安装在台体的限位来实现开关，当转角的硬限位值大时，限位的开关以及闭合则在接通转台的告警以及保护电路，转台就会实现保护动作。

研制方案

二维转台的结构主要由五种独立的功能模块以及三种外围辅助模块组成和两种方式运行状态，如水平伺服系统、太阳跟踪模块、嵌入式控制系统以及端光谱探头负载和俯仰伺服系统等以及恒温控制、坏境和电源系统的外围辅助和主从式控制以及独立控制工作状态，在运行主从式控制状态下，由系统编写的上位机控制软件行进转台下发布工作命令，独立的工作方式则是由外接手持触摸屏接受命令，将整体的定位精度控制，一面选用精密的直流力矩电机来以此配合圆光栅，在环境的要求下极限低温的工作一般都在很低的温度下进行，前提要求这是要高精度以及宽温都达到系统的要求，另一面则需要结构设计的方面来确保部件之间的配合，保证误差尽量小，以下的图是二维转台组成的结构原理图。

原理图

水平伺服系统

针对转台水平方向的转动以此来确认转台的方位角，需要方位角的定位精确度在10°以里，做到这些则会实现转台的内部导线所不绕线，与此同时还能停止转台的工作，转台就不会自行转动，以上的需求能够设计水平伺服系统以及部件，如力矩电机、驱动器以及编码器和制动器轴承等几方面的设计。

水平伺服的结构

综合其他因素考虑到加速器和驱动重量等，连续工作力矩需要水平方向低于2Nm，综上结合本系统的需求以及直流无刷力矩电机的特点，可以选用TBM-7646-B类型的无框力矩电机，最后的封装后伺服的结构则是中控型，以此来方便内部的走线，下图为直流无刷力矩电机的实物。

连接轴转动用于测量角度编码器的角度值，其主要的作用就是用过码盘和光电探测仪将角度转变成脉冲的信号，然后再将这个反馈的信号给系统，编码器上很大程度上精度决定了转台的定位，将转动的信息角度反馈给驱动器，本案例里选用的角度编码器为RESM20USA057-0100A,为1.44”精度，思考到对精度的配合以及装配的影响，最后确认系统精度需求需要满足转台的精度。

为了避免转台内部导线的缠绕水平方向要转动多圈，则需要在连接轴上安导电滑环，这种电滑环主要能够优化系统的结构，防止导线过程在旋转中造成损害，本案例选用了MOFLON-MC5739导电滑环，可以很大程度上满足设备的需要。

结语：综上所述，这种设计主要使用于野外的二维转台，可以保证其高精度、以及宽温和便携等，可以消除步进电机可能带来的失误以及误差，例如结构传动以及结构尺寸和噪音、震动等在低温项的误差，而好处这是这种功能的扩展有利于转台系统，可以适用于在LCD的屏上进行指令的操作，适用于精度极高以及低温环境下的工作，也可以适用上位机来操作控制，其方式灵活而拓展性也比较强，很多的精密都使用基于直流无刷力矩电机的系统，而转台的主要工作是带动电机的转动，整个电机结构的设计是有电机的类型以及装配的设计，这些会显得重中之重，笔者对基于直流无刷力矩电机的二维转台的分析以及探究做出了详细的讲解，希望对这类行业的人员有所帮助，能够更好的发挥其功效以及做出更好的发展，为我国经济发展效益添上更为重要的一笔。

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