CN107346118A - 一种舵机的控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舵机的控制***及控制方法，该舵机包括直流电机和其控制***，其中控制***包括主控芯片、电源电路、电机驱动电路、位置采集电路和上位机，其中电源电路用于为主控芯片、电机驱动电路和位置采集电路供电，主控芯片分别与电机驱动电路和位置采集电路连接，位置采集电路用于采集舵机的位置信号并发送给所述主控芯片，上位机与主控芯片通讯连接以用于将运行指令发送给主控芯片，主控芯片用于根据舵机的位置信息和运行指令计算输出PWM波并发送给电机驱动电路，电机驱动电路与直流电机连接以用于根据PWM波控制所述直流电机以进一步控制舵机的运动。本发明提出的舵机的控制***及控制方法解决了控制方式复杂的问题。

Description

一种舵机的控制***及控制方法

技术领域

本发明涉及舵机控制领域，尤其涉及一种舵机的控制***及控制方法。

背景技术

舵机作为伺服执行机构，广泛应用于飞机、导弹、火箭等飞行器，由于这些现代的飞行器要求其控制***具有高精度、高灵敏度和高可靠性，因此对舵机的性能提出了更高的要求，促使舵机向着质量、体积不断减小，承载能力不断增强，控制性能不断提高的方向发展，于是新型高性能舵机的研究和开发引起了各国军方和科研机构的极大关注。

舵机，从字面上可以理解是控制舵面的电动机。一般来说舵机主要由舵面、减速齿轮箱、位置反馈电位计、直流电机、控制器组成；舵机的输入线有三条：红色为电源线、黑色的为地线，还有一根是控制信号线。传统的舵机的控制信号是20ms的脉宽位置信号，其中脉冲宽度通常为0.5ms～2.5ms，相对应输出轴的位置为0°～180°，当给控制引脚提供一定的脉冲信号时，它的输出轴就会保持在一个相应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号它才会改变输出角度到达新的位置上；所以传统的舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不超过180°，适用于一些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。例如，飞机的舵面、机器人的关节等等。随着机器人产业的发展，尤其是可重构机器人技术的发展，传统的舵机技术逐渐满足不了需求，有些机器人不仅需要舵机能进行角度的改变，有时也需要舵机进行圆周运动等，而且在用到多个舵机的情况时，整个***的控制及布线显得繁琐且可靠性不能得到保证，这种情况下，数字舵机应运而生。

数字舵机区别于传统的模拟舵机，模拟舵机需要不停地发送PWM信号来控制舵机保持在一个位置或者让它按照某个速度转动，数字舵机则只需要发送一次PWM信号就能保持在规定的位置，因此数字舵机的出现得以实现48路舵机控制器的实现；但是现有的数字舵机存在以下问题：1、控制时需要输入固定频率的PWM波，控制复杂；2、大都采用接触式编码器，使得舵机的使用寿命短，长时间使用导致编码器的磨损而降低舵机的精度；3、脉宽调节有一定宽度，可调角度范围较小，工作模式比较单一；4、无反馈***，控制精度较低。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种舵机的控制***及控制方法，只需通过发送运行指令便可控制舵机运动，无需输入固定频率的PWM波，从而解决了控制方式复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种舵机的控制***，所述舵机包括直流电机和所述控制***，所述控制***包括主控芯片、电源电路、电机驱动电路、位置采集电路和上位机，其中所述电源电路分别与所述主控芯片、所述电机驱动电路和所述位置采集电路连接以用于为所述主控芯片、所述电机驱动电路和所述位置采集电路供电，所述主控芯片分别与所述电机驱动电路和所述位置采集电路连接，所述位置采集电路用于采集所述舵机的位置信号并将所述舵机的位置信号发送给所述主控芯片，所述上位机与所述主控芯片通讯连接以用于将运行指令发送给所述主控芯片，所述主控芯片用于根据所述舵机的位置信息和所述运行指令计算输出PWM波并将所述PWM波发送给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路与所述直流电机连接以用于根据所述PWM波控制所述直流电机以进一步控制所述舵机的运动。

优选地，所述控制***还包括通讯电路，所述电源电路与所述通讯电路连接以用于为所述通讯电路供电，所述主控芯片与所述通讯电路连接，所述上位机通过所述通讯电路与所述主控芯片建立RS485通讯连接。

优选地，所述上位机通过无线蓝牙与所述主控芯片建立通讯连接。

优选地，所述主控芯片还用于根据所述舵机的位置信号计算所述舵机的转速和旋转方向并将包含所述舵机的位置、转速和旋转方向的信息发送给所述上位机，所述上位机还用于显示所述舵机的位置、转速和旋转方向。

优选地，所述位置采集电路采用磁编码器。

优选地，所述主控芯片采用SMT32芯片。

优选地，所述运行指令的通讯协议内容包括所述舵机的编号、工作模式、旋转方向、转速和目标位置。

优选地，工作模式包括待机模式、电机模式和伺服模式；旋转方向包括正转和反转；转速为电机模式和伺服模式下的转速，大小在0～70r/min之间；目标位置为伺服模式下的设定的位置，大小在0～360°之间。

优选地，所述运行指令的通讯协议内容还包括起始位和终止位，其中所述舵机的编号、工作模式、旋转方向、转速和目标位置的数据内容位于所述起始位和所述终止位之间。

本发明还公开了一种舵机的控制方法，采用上述的舵机的控制***对所述舵机进行控制，包括以下步骤：

S1：给电源电路上电，使电源电路为所述主控芯片、所述电机驱动电路和所述位置采集电路供电；

S2：对所述主控芯片进行初始化，初始化后所述舵机进入锁死状态；

S3：所述主控芯片与所述上位机建立通讯连接；

S4：所述主控芯片判断是否接收到所述上位机的运行指令，如果是，则执行步骤S5，如果否，则返回步骤S4；

S5：判断所述运行指令是否为待机模式，如果是，则执行步骤S6，如果否，则执行步骤S7；

S6：所述主控芯片控制所述电机驱动电路不向所述直流电机供电，所述舵机处于断电状态，再返回步骤S4；

S7：所述位置采集电路采集所述舵机的位置信号，并将所述舵机的位置信号发送给所述主控芯片；

S8：判断所述运行指令是否为电机模式，如果是，则执行步骤S9，如果否，则执行步骤S10；

S9：所述主控芯片根据所述舵机的位置信号以及所述运行指令，通过速度环PID控制算法计算得到PWM波，并将所述PWM波发送给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路用于根据所述PWM波控制所述直流电机以进一步控制所述舵机的运动，再返回步骤S4；

S10：判断所述运行指令是否为伺服模式，如果是，则执行步骤S11，如果否，则返回步骤S4；

S11：所述主控芯片根据所述舵机的位置信号以及所述运行指令，通过速度环PID控制算法和位置环PID控制算法计算得到PWM波，并将所述PWM波发送给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路用于根据所述PWM波控制所述直流电机以进一步控制所述舵机的运动，再返回步骤S4。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的舵机的控制***，通过内部集成主控芯片和位置采集电路，只需通过上位机发送运行指令给主控芯片，主控芯片即可根据位置采集电路采集到的舵机的位置信号和运行指令输出PWM波，再将该PWM波发送给电机驱动电路，使得电机驱动电路可以根据该PWM波控制直流电机以进一步控制舵机的运动，从而可以只需通过发送运行指令便可控制舵机运动，无需输入固定频率的PWM波，解决了现有的舵机的控制方式复杂的问题。

在进一步的方案中，上位机与主控芯片之间可以采用两种通讯方式，一种是RS485通讯，提高了通讯速度，另一种是无线蓝牙通讯，解决了因多个舵机级联带来的接线复杂的问题；并且由于上位机与主控芯片通讯连接，主控芯片可以实时返回舵机的运行状态给上位机，用户通过上位机可以查看舵机的实时的运行状态，解决了现有的舵机无反馈运动信息的问题。

在进一步的方案中，位置采集电路采用无接触式的磁编码器，从根本上解决了磨损问题，并且由于磁编码器的可采集的范围较大，结合主控芯片的控制方式，使得通过该控制***控制的舵机的角度范围为0～360°，解决了伺服模式下舵机可调角度范围小的问题。

在更进一步的方案中，上位机与控制芯片之间通讯的运行指令的通讯协议内容全面，减少了通讯错误，使舵机控制起来更加稳定可靠；并且通过控制芯片控制舵机有三种工作模式，分别为待机模式、电机模式和伺服模式，解决了现有的舵机单一的工作模式的问题；并且采用速度环、位置环闭环PID控制算法，提高了舵机的控制精度。

附图说明

图1是本发明优选实施例的舵机的结构示意图；

图2是本发明优选实施例的上位机与控制芯片之间的运行指令的通讯协议内容示意图；

图3是本发明优选实施例的舵机的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明优选实施例的舵机的结构示意图，舵机包括控制***10和直流电机20，控制***10包括主控芯片11、电源电路12、电机驱动电路13、位置采集电路14、上位机15和通讯电路16，其中电源电路12分别与主控芯片11、电机驱动电路13、位置采集电路14和通讯电路16连接以用于为主控芯片11、电机驱动电路13、位置采集电路14和通讯电路16供电，主控芯片11分别与电机驱动电路13、位置采集电路14和通讯电路16连接，位置采集电路14用于采集舵机的位置信号并将舵机的位置信号发送给主控芯片11，上位机15和主控芯片11通讯连接以用于将运行指令发送给主控芯片11，主控芯片11用于根据舵机的位置信息和运行指令输出PWM波，并将PWM波发送给电机驱动电路13，电机驱动电路13与直流电机20连接以用于根据PWM波控制直流电机20以进一步控制舵机的运动。

其中，主控芯片11采用SMT32芯片，更进一步采用SMT32F103系列芯片，控制***10通过主控芯片11控制整个***的正常运行；控制***10采用外部直流12V供电，经电源电路12将电压分别稳定到5V和3.3V，其中12V直接给电机驱动电路13供电，5V向通讯电路16供电，3.3V向主控芯片11和位置采集电路14供电。位置采集电路14采用非接触式磁编码器，非接触式磁编码器可以采集舵机的位置信号并反馈给主控芯片11，通过非接触式的磁编码器可以解决现有的舵机的磨损问题，并且由于磁编码器的可采集的范围较大，结合主控芯片的控制方式，使得通过该控制***控制的舵机的角度范围为0～360°，解决了伺服舵机模式下可调角度范围小的问题。

在本实施例中，上位机15与主控芯片11之间有两种通讯方式，一种是通过通讯电路16与主控芯片11建立RS485通讯连接，另一种是直接建立无线蓝牙连接，通过无线蓝牙连接可以进行多个舵机之间的无线通讯，从而解决因多个舵机级联带来的接线复杂的问题。上位机15通过与主控芯片11通讯连接，可以发送运行指令给主控芯片11，主控芯片11可以通过速度环、位置环PID控制算法来计算得到所要输出的PWM波，并将PWM波发送给电机驱动电路13，电机驱动电路13根据PWM波来控制直流电机20以进一步控制舵机的运动。其中，主控芯片11还用于根据舵机的位置信号来计算舵机的转速和旋转方向并将包含舵机的位置、转读和旋转方向的信息发送给上位机15，上位机15可以显示舵机的位置、转读和旋转方向，以实现实时显示舵机所反馈的运动信息。

如图2所示，是本发明优选实施例的运行指令的通讯协议内容，其中依次包括舵机的编号、工作模式、旋转方向、转速和目标位置，其中还包括起始位、终止位，起始位和终止位分别设置在前述内容的起始位置和终止位置。在本实施例中，多个舵机之间可以采用菊花链式连接建立通讯，每个舵机分别拥有本机编号(ID)，编号数为0～255；工作模式包括待机模式、电机模式和伺服模式，其中00代表待机模式，01代表电机模式，02代表伺服模式；旋转方向包括正转和反转，其中00表示正转，01表示反转；转速为电机模式和伺服模式下的转速，大小在0～70r/min之间；目标位置为伺服模式下的设定的位置，大小在0～360°之间。本实施例中，串口通信中是以帧的格式发送数据的，先发送起始位，然后发送有效的数据，最后发送终止位，其中有效的数据包括舵机的编号、工作模式、旋转方向、转速和目标位置。

如图3所示，是本发明优选实施例的舵机的控制方法的控制方法的流程示意图，采用上述控制***对舵机进行控制，包括以下步骤：

S1：给电源电路12上电，使电源电路12为主控芯片11、电机驱动电路13、位置采集电路14和通讯电路16供电；

S2：对主控芯片11进行初始化，初始化后舵机进入锁死状态；

S3：主控芯片11与上位机15建立通讯连接；

S4：主控芯片11判断是否接收到上位机15的运行指令，如果是，则执行步骤S5，如果否，则返回步骤S4；

S5：判断运行指令是否为待机模式，如果是，则执行步骤S6，如果否，则执行步骤S7；

S6：主控芯片11控制电机驱动电路13不向直流电机20供电，舵机处于断电状态(舵机失能)，再返回步骤S4；

S7：位置采集电路14采集舵机的位置信号，并将舵机的位置信号发送给主控芯片11；

S8：判断运行指令是否为电机模式，如果是，则执行步骤S9，如果否，则执行步骤S10；

S9：主控芯片11根据舵机的位置信号以及运行指令，通过速度环PID控制算法计算得到PWM波，并将PWM波发送给电机驱动电路13，电机驱动电路13用于根据PWM波控制直流电机20以进一步控制舵机的运动，再返回步骤S4；

S10：判断运行指令是否为伺服模式，如果是，则执行步骤S11，如果否，则返回步骤S4；

S11：主控芯片11根据舵机的位置信号以及运行指令，通过速度环PID控制算法和位置环PID控制算法计算得到PWM波，并将PWM波发送给电机驱动电路13，电机驱动电路13用于根据PWM波控制直流电机20以进一步控制舵机的运动，再返回步骤S4。

其中上位机15与主控芯片11建立通讯连接时，首先要设置通讯的波特率也就是信号的传递速率，然后再根据需求设置通信格式，其中包括有效的数据位、奇偶校验位得选择、停止位以及串口中断的配置等，通过设置后与主控芯片11建立RS485通讯连接或者无线蓝牙通讯连接。建立连接之后再在上位机15上进行相应的设置以建立运行指令的通讯指令内容：首先需在ID设置模块设置舵机的ID号，在模式选择模块选择舵机运行的模式，并在运动设置模块设置舵机的旋转方向、转速和目标位置，从而建立好运行指令的通讯指令内容，再将该运行指令发送给主控芯片11。此外，在上位机15上，还设有快捷键模块，包括待机键、启动键和复位键，其中操作者可用待机键来任意时刻快速待机舵机并停止当前的运动状态，启动键是舵机只有在启动键按下的时候才可以进行上述一系列运动，复位键是舵机在任意时刻可通过复位键将舵机复位到初始的位置即0°位置。

本发明的优选实施例的舵机的控制***及控制方法具有以下优点：

1、解决了现有的舵机的控制方式复杂的问题，只需根据通讯协议发送运行指令便可控制舵机运动，无需输入固定频率的PWM波进行调宽来控制；

2、编写相应的通讯协议，减少了通讯错误，让舵机控制起来更加稳定可靠；

3、采用无接触式磁编码器，从根本上解决了磨损问题，增长了使用寿命；

4、解决了伺服模式下舵机可调角度范围小的问题，本发明在该模式下可调范围0°～360°；

5、解决了单一的连线式通讯，本发明采用两种通讯方式，一种是RS485通讯，提高了通讯速度，另一种是无线蓝牙通讯，解决了因多个舵机级联带来的接线复杂的问题；

6、有3种工作模式，分别为待机、电机、伺服模式，解决了单一的工作模式问题；

7、采用的速度环、位置环闭环PID控制算法，提高了控制精度，位置精度可达0.175°；

8、通过上位机可直接控制舵机的运动，并且实时返回舵机的运行状态，解决了实时监控舵机运行状态的问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种舵机的控制***，所述舵机包括直流电机和所述控制***，其特征在于，所述控制***包括主控芯片、电源电路、电机驱动电路、位置采集电路和上位机，其中所述电源电路分别与所述主控芯片、所述电机驱动电路和所述位置采集电路连接以用于为所述主控芯片、所述电机驱动电路和所述位置采集电路供电，所述主控芯片分别与所述电机驱动电路和所述位置采集电路连接，所述位置采集电路用于采集所述舵机的位置信号并将所述舵机的位置信号发送给所述主控芯片，所述上位机与所述主控芯片通讯连接以用于将运行指令发送给所述主控芯片，所述主控芯片用于根据所述舵机的位置信息和所述运行指令计算输出PWM波并将所述PWM波发送给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路与所述直流电机连接以用于根据所述PWM波控制所述直流电机以进一步控制所述舵机的运动。

2.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，还包括通讯电路，所述电源电路与所述通讯电路连接以用于为所述通讯电路供电，所述主控芯片与所述通讯电路连接，所述上位机通过所述通讯电路与所述主控芯片建立RS485通讯连接。

3.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述上位机通过无线蓝牙与所述主控芯片建立通讯连接。

4.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述主控芯片还用于根据所述舵机的位置信号计算所述舵机的转速和旋转方向并将包含所述舵机的位置、转速和旋转方向的信息发送给所述上位机，所述上位机还用于显示所述舵机的位置、转速和旋转方向。

5.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述位置采集电路采用磁编码器。

6.根据权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述主控芯片采用SMT32芯片。

7.根据权利要求1至6任一项所述的控制***，其特征在于，所述运行指令的通讯协议内容包括所述舵机的编号、工作模式、旋转方向、转速和目标位置。

8.根据权利要求7所述的控制***，其特征在于，工作模式包括待机模式、电机模式和伺服模式；旋转方向包括正转和反转；转速为电机模式和伺服模式下的转速，大小在0～70r/min之间；目标位置为伺服模式下的设定的位置，大小在0～360°之间。

9.根据权利要求7所述的控制***，其特征在于，所述运行指令的通讯协议内容还包括起始位和终止位，其中所述舵机的编号、工作模式、旋转方向、转速和目标位置的数据内容位于所述起始位和所述终止位之间。

10.一种舵机的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的舵机的控制***对所述舵机进行控制，包括以下步骤：

S1：给电源电路上电，使电源电路为所述主控芯片、所述电机驱动电路和所述位置采集电路供电；

S2：对所述主控芯片进行初始化，初始化后所述舵机进入锁死状态；

S3：所述主控芯片与所述上位机建立通讯连接；

S4：所述主控芯片判断是否接收到所述上位机的运行指令，如果是，则执行步骤S5，如果否，则返回步骤S4；

S5：判断所述运行指令是否为待机模式，如果是，则执行步骤S6，如果否，则执行步骤S7；

S6：所述主控芯片控制所述电机驱动电路不向所述直流电机供电，所述舵机处于断电状态，再返回步骤S4；

S7：所述位置采集电路采集所述舵机的位置信号，并将所述舵机的位置信号发送给所述主控芯片；

S8：判断所述运行指令是否为电机模式，如果是，则执行步骤S9，如果否，则执行步骤S10；

S9：所述主控芯片根据所述舵机的位置信号以及所述运行指令，通过速度环PID控制算法计算得到PWM波，并将所述PWM波发送给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路用于根据所述PWM波控制所述直流电机以进一步控制所述舵机的运动，再返回步骤S4；

S10：判断所述运行指令是否为伺服模式，如果是，则执行步骤S11，如果否，则返回步骤S4；

S11：所述主控芯片根据所述舵机的位置信号以及所述运行指令，通过速度环PID控制算法和位置环PID控制算法计算得到PWM波，并将所述PWM波发送给所述电机驱动电路，所述电机驱动电路用于根据所述PWM波控制所述直流电机以进一步控制所述舵机的运动，再返回步骤S4。