专利名称：阵列伺服电机差动驱动模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机电一体化、伺服电机、轮系技术领域。 技术背景伺服电机在工业生产中的应用越来越广泛和重要。伺服电机的扭矩和转速可受数 控系统编程控制的特点极大地提高了生产制造的柔性和效率。然而，伺服电机发展到现在， 还有诸多不足之处。首先，由于高容量、大转矩、低转速的伺服电机成本高、体积大等原因使得单台伺 服电机单一驱动的方式在大型机器设备上的使用受到了限制。其次，由于上述原因，在大型机器设备上一般会采用两个或多个中小型伺服电机 串联驱动的方式以便得到足够大的功率。但是串联驱动中的各伺服电机之间存在运动干 涉，从而增加了控制难度和成本。
发明内容阵列伺服电机差动驱动模块包括控制器、伺服电机组和差动器，其特征在于受控 制器控制的伺服电机组把各个伺服电机的转速状态传输给差动器后，由差动器输出合成后 的转速状态或速度状态。阵列伺服电机差动驱动模块可以解决在驱动大型设备时，因使用 单台大功率伺服电机的成本高、体积大而难以布置的问题以及使用两台或多台伺服电机在 串联驱动情况下会发生运动干涉的问题。在阵列伺服电机差动驱动模块中，控制器通过调节每个伺服电机的转速状态，从 而使整个模块输出的转速状态或速度状态达到某一期望值或形成某种所期望的变化过程。差动器是一种多自由度的行星回转轮系。多个差动器还可以互相组合成更多自由 度的差动器。每个伺服电机以转速输入的形式来约束差动器中的某一个或某几个自由度。 一般情况下，差动器的所有自由度被伺服电机、负载、过载保护机构、检测机构等约束。差动 器将两个或以上的输入量合成后给出输出量，其中每个输出量与各输入量之间都存在着线 性关系，这种线性关系由输出量与输入量之间的固有传动系数矩阵决定。若阵列伺服电机差动驱动模块中伺服电机的数量等于差动器的自由度数，每个伺
服电机以转速输入的方式约束差动器中的一个自由度，并且差动器的输出量同样为转速，
那么模块中的某一个输出转速与各输入转速之间存在以下线性关系 1 nN = -YkiNi(1)
η /=1其中N为输出转速，Ni为第i个伺服电机的输入转速，Ici为第i个伺服电机的输 入转速与模块输出转速之间的固有传动系数(该处固有传动系数是指除第i个伺服电机的 转速输入不为零外，其余每个自由度的转速输入为零时，N与队之间的传动关系数)。当阵列伺服电机差动驱动模块中的某一个转速输出为零时，则必然满足以下关系 式
3[0012]0 =去￡ ⑵
11 /=1由(1)、(2)两式可以推断阵列伺服电机差动驱动模块主要优点有第一，输出功率大、各伺服电机之间无运动干涉阵列伺服电机差动驱动模块的差动驱动方式是并联驱动的一种，其中各个伺服电 机之间不会发生运动干涉，因此它可以将多种类型的伺服电机的功率进行合成。随着伺服 电机数量的增加，模块的输出功率也会随之增加。第二，综合效率高由(1)式可知，阵列伺服电机差动驱动模块中的某一个转速输出的任何值N所对 应的η个伺服电机的转速输入集合(N1, N2, ···, NJ都会有η-1维空间的无限解集。这说明不论整个模块的转速输出是多少，大部分 伺服电机都可以工作在自身效率较高的最优转速附近，因此整个伺服电机组的综合效率 高。而单一驱动中的单个伺服电机的转速和串联驱动中的每个伺服电机的转速都与传动机 构的最终输出速度是一一对应的。第三，良好的启动性能和低速性能由(2)式可知，阵列伺服电机差动驱动模块的输出在启动或停止时，每个伺服电 机可以在自身转矩相对较大且能耗相对较小的最优转速附近运转，从而降低了启动能耗和 电网波动。第四，简便、安全而又节能的过载保护功能在阵列伺服电机差动驱动模块中，由于差动器的输入与输出之间的固有传动系数 为常数，因此每个伺服电机的输入转矩与整个机构的输出转矩是一种线性关系。当机器临近过载时，设定此时的负载传递到每个伺服电机的扭矩超过了其中某个 伺服电机的最大承受扭矩，当负载继续增加，这个伺服电机将被负载和其他伺服电机拖动， 吸收来自负载和其他伺服电机的能量并转化为电能反馈给电网，从而对机器设备起到过载 保护作用。同样，也可以用机械卸载机构或液压卸载机构等约束差动器自由度的方式来实 现过载保护。与传统过载保护方法相比，上述方法降低了能量的释放并简化了相应的机构。综上叙述和分析，与现有技术相比，阵列伺服电机差动驱动模块解决了在驱动大 型设备时，因使用单台大功率伺服电机的成本高、体积大而难以布置的问题以及使用两台 或多台伺服电机在串联驱动情况下会发生运动干涉的问题。
图1、图2是阵列伺服电机差动驱动模块的两种基本模块的原理结构图，其中 1-伺服电机，2-行星轮，3-伞齿轮，4-太阳轮，5-轴，6-箱体，7-太阳轮，8-保持架，9-行星 轮，10-直齿轮。(在图1、图2中，去掉伺服电机，剩余部分是两种不同的二自由度差动器。一个二 自由度差动器包括两个能量输入点和一个能量输出点。把二自由度差动器中的两个能量输 入点称为同列能量输入点。自由度大于2的差动器都是由两个或更多的二自由度差动器组 成，η+1自由度的差动器中至少有η个二自由度差动器，其中η彡2。如果一个阵列伺服电
4机差动驱动模块有η个自由度，m个伺服电机，每个伺服电机约束其中一个自由度，并有k对 同列能量输入点接有伺服电机，那么把这个阵列伺服电机差动驱动模块称为η度m阵k列 伺服电机差动驱模块。)图3、图4分别是图1和图2的原理结构简图。图5是一种四度四阵二列伺服电机差动驱模块的原理结构图。其中只有一个输出。图6是另一种四度四阵二列伺服电机差动驱模块的原理结构图。其中有四个线性 相关的输出。图7是一种三度三阵一列伺服电机差动驱模块的原理结构图。其中有两个线性相 关的输出。图8是一种八度八阵四列伺服电机差动驱模块的原理结构图(双点画线框内是用 简图表示)。其中有八个输出点，双点画线框内的四个输出点线性相关，双点画线框外的四 个输出点线性无关，并且双点画线框内的任一个输出点都可以被线框外的四个输出点线性 表达。图9是一种八度八阵四列伺服电机差动驱模块的动滑轮分析图(假设其中每根线 无限长)。图10是一种六度六阵二列伺服电机差动驱模块的动滑轮分析图。图11是一种四度三阵零列伺服电机差动驱模块的动滑轮分析图(其中一个自由 度被固定约束，可以用于过载保护等功能)。图12、图13是一种八度八阵四列伺服电机差动驱模块的等轴测效果图及其俯视 图。
具体实施方式
如图1中所示，两个伺服电机1分别驱动二自由度差动器中的两个太阳轮4，两个 太阳轮的差速将造成行星轮2的公转，行星轮的公转带动轴5转动，从而，两个伺服电机的 转速经过差动合成后由轴5输出，并且负载力矩由两个伺服电机共同承担。当两个太阳轮 4的差速为零时，轴5的输出亦为零，但此时两个伺服电机的转速并不一定为零，因此，零转 速输出情况下仍然可以保持高转矩。像这样的两个直接驱动同一个二自由度差动器的伺服 电机是同列伺服电机。如图5中所示，两对同列伺服电机的两个差动合成输出又分别作为另一个二自由 度差动器的两个输入，从而实现四个伺服电机转速的合成，并且负载力矩由四个伺服电机 共同承担。图6所示阵列伺服电机差动驱动模块与图5所示类型相同，但图6中有四个线 性相关的输出，这样可以同步驱动四套机构。如图8中所示，八个伺服电机向差动器输入转速，差动器输出八个转速。由矩阵理 论可知，八个互不相关的伺服电机可以作为八维空间的一个基，双点画线框内的四个输出 转速线性相关，双点画线框外的四个输出转速线性无关，并且双点画线框内的任一个输出 转速都可以被线框外的四个输出转速线性表达。从而产生一系列特定的转速满足每个机构 的需要。以图8为例，当输出端出现过载时，此时传递给伺服电机a的扭矩超过其所能承载的最大扭矩，伺服电机a将被负载和其它伺服电机拖动，并将能量返回给电网，从而对机器 设备起到过载保护作用。
权利要求1.阵列伺服电机差动驱动模块，包括控制器、伺服电机组和差动器，其特征在于受控 制器控制的伺服电机组把各个伺服电机的转速状态传输给差动器后，由差动器输出合成后 的转速状态或速度状态。
2.根据权利要求1所述的阵列伺服电机差动驱动模块，其特征在于所述差动器是一 种多自由度的行星回转轮系。
专利摘要本实用新型涉及的阵列伺服电机差动驱动模块包括控制器、伺服电机组和差动器，其特征在于受控制器控制的伺服电机组把各个伺服电机的转速状态传输给差动器后，由差动器输出合成后的转速状态或速度状态。阵列伺服电机差动驱动模块可以将多种类型的伺服电机的功率进行合成，从而实现大功率、大转矩，并能保证各个伺服电机之间不会发生运动干涉，不仅如此，它还具有较好的低速性能、较高的电能利用率和简便、安全而又节能的过载保护功能等优点。
文档编号H02J3/38GK201904747SQ201020538080
公开日2011年7月20日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者陈福建 申请人:陈福建