CN108494177B - 复杂控制的高精度总线型数字式微型伺服电机及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型伺服电机及其应用,本发明的微型伺服电机包括直流电机、变速齿轮组、输出轴、角传感器和控制板,所述控制板包括若干子控制板,所述子控制板层叠设置形成多层结构,各子控制板间通过电连接件进行连接,以实现信号传输;所述微型伺服电机还包括接口板,所述接口板、所述多层结构和所述角传感器依次层叠设置,所述接口板通过电连接件连接相应的子控制板,以实现信号传输;所述角传感器与所述输出轴连接;所述直流电机通过所述变速齿轮组与所述输出轴传动连接;所述接口板和所述多层结构均设置在所述直流电机的侧面。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域,特别涉及一种复杂控制的高精度总线型数字式微型伺服电机及其应用。
背景技术
近些年来,随着自动化和人工智能技术的发展,对机器或机器人的高精度和复杂控制提出了更高的要求。以机器人为例,机器手臂关节的转动动作一般可通过舵机来实现。舵机是一种位置/角度伺服的驱动器,即伺服电机,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制***。其中,微型伺服电机或微型舵机常常被应用于航模、赛车、小型机器人等领域。例如图1所示的Futaba S3003是现有应用较为广泛的微型舵机型号之一,在上述领域中很多市售的配件被制作成可直接适配这款微型舵机。
传统的舵机不具有微控制器(Microcontroller Unit,MCU),也称作模拟舵机,其根据接收到模拟电压控制指令和机械连动位置传感器反馈电压之间比较产生的差分电压,驱动有刷直流伺服电机正/反运转到指定位置。这种舵机一般采用电位器作为机械连动位置传感器,其最大的缺点是对于发射机发出的细小动作指令反应迟钝,或者根本没有反应,无法实现精确的控制。此外,这种舵机多采用并行控制,即多个舵机单独从***主控制模块获得控制信号和电源信号。这使得当***需要多个舵机时,***走线非常繁琐,***主控制模块的运算负荷大、所需接口多,因而无法实现小型化和复杂的控制。
为解决传统舵机的上述问题,现有技术中出现了一类具有MCU的数字舵机,这类舵机多采用总线控制。即在具有多个舵机的***中,每个舵机的MCU可分别对***主控制模块发出的控制信号进行接收和处理,从而分别控制其所在的舵机,因此减轻了***主控制模块的运算负荷。然而,这类数字舵机仍采用电位器作为机械连动位置传感器,其感应精度较低,导致MCU对传感器发出的位置信号的回读频率也较低(约几百赫兹),仍然难以实现高精度的控制。此外,虽然这类舵机采用了总线控制,但是为了实现小型化,无法在MCU电路板上直接设置总线接口,而是需要将总线接口设置于舵机的外壳之外。例如,经典的FutabaS3003舵机需要从外壳内部的MCU电路板上引出一根带有总线接口数据线“尾巴”,这既不美观,装配起来也较为不便,更重要的是在舵机运动过程中这根“尾巴”容易被扯断,且扯断后维修起来相当麻烦。当然,现有技术中有的舵机为了避免上述问题,在MCU电路板上设置了总线接口,但是这种设置使得MCU电路板较大较宽,无法容纳于Futaba S3003一类的小型舵机外壳中,即无法做到如Futaba S3003舵机一般的小型化。可见,实现伺服电机的复杂和高精度控制与小型化之间是存在矛盾的,这也正是本发明需要解决的技术问题之一。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明的目的在于提供一种复杂控制的高精度总线型数字式微型伺服电机,既能够实现复杂和高精度的控制,又能够实现小型化,并可单独地或与其他伺服电机配合用于控制***。
本发明的微型伺服电机,包括直流电机、变速齿轮组、输出轴、角传感器和控制板,所述控制板包括若干子控制板,所述子控制板层叠设置形成多层结构,各子控制板间通过电连接件进行连接,以实现信号传输;所述微型伺服电机还包括接口板,所述接口板、所述多层结构和所述角传感器依次层叠设置,所述接口板通过电连接件连接相应的子控制板,以实现信号传输;所述角传感器与所述输出轴连接;所述直流电机通过所述变速齿轮组与所述输出轴传动连接;所述接口板和所述多层结构均设置在所述直流电机的侧面。
进一步地,所述微型伺服电机还包括壳体,所述直流电机、所述变速齿轮组、所述角传感器、所述多层结构和所述接口板均设置在所述壳体内,所述输出轴部分设置在所述壳体内。外壳的尺寸可以与现有的Futaba S3003舵机的外壳尺寸相同或大致相当,因此可以直接替代使用Futaba S3003舵机的控制***,而无需对***中其他部件作出适应性修改。
进一步地,所述壳体上设置有接口开孔,所述接口开孔的位置与所述接口板相配合,以适于从外部连接所述接口板。
进一步地,所述控制板包括传感器信号板、微控制器板和电机驱动板。
进一步地,所述传感器信号板、所述微控制器板和所述电机驱动板依次层叠设置,所述接口板与所述电机驱动板相邻设置。
优选地,所述传感器信号板、所述微控制器板和所述电机驱动板上采用贴片元件,从而可以进一步控制纵向高度。
进一步地,所述输出轴的转动位置采用磁传感方式检测,所述角传感器包括磁性元件,所述传感器信号板上设置有与所述磁性元件配合使用的磁感应元件。
进一步地,所述传感器信号板和所述电机驱动板上设置有插针,通过插针与所述微控制器板连接,以实现信号传输,所述微控制器板上设置有与所述传感器信号板和所述电机驱动板上的插针相配合的插孔和/或插槽。
优选地,所述传感器信号板和所述微控制器板之间通过SPI(Serial PeripheralInterface,串行外设接口)协议进行通信;所述微控制器板通过PWM(Pulse WidthModulation,脉冲宽度调制)方式对所述电机驱动板发送指令。
进一步地,所述接口板通过导线与所述微控制器板相连,以实现信号传输。
进一步地,所述电机驱动板通过导线连接所述直流电机的信号输入端,以驱动所述直流电机工作。
本发明中上述的微型伺服电机可以应用于在航模、赛车、小型机器人等装置。
技术效果:
1、将控制电路板进行合理地模块化分割(传感器信号板、微控制器板、电机驱动板)和接口板层叠设置,将控制电路板由二维结构,改进为三维结构,如此大大地缩小了电路板的平面面积,使得整体空间更加紧凑,不但实现了接口内置,而为今后控制电路的扩充提供了布局空间。
2、控制板根据功能进行分离,还可以使维修更方便,维修成本也得以降低,维修时一般仅需替换有问题的子控制板,而无需替换整个控制板。
3、为适应高精度的控制需求,使用磁感应器(磁编码器)代替现有技术中普遍采用的电位器作为微型伺服电机的角传感器,大大地提高了微型伺服电机的精度和响应速度,使得高精度的复杂控制成为可能。
4、本发明的微型伺服电机由于同时实现了复杂和高精度的控制和小型化,其应用范围比经典的Futaba S3003舵机更为广泛。例如应用于航模、赛车、小型机器人等领域,不但可以直接替代Futaba S3003舵机,并且可以满足比Futaba S3003舵机更为复杂和精确的控制要求。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术中Futaba S3003舵机的示意图;
图2是现有技术中一种现有舵机的内部布局示意图;
图3是本发明的一个较佳实施例的内部布局示意图;
图4是本发明一个较佳实施例的外部结构示意图;
图5是本发明一个较佳实施例的内部结构示意图;
图6是图5中的磁性部件的结构示意图;
图7是图5中的磁性部件的结构示意图,其中轴和外壳未显示;
图8是图5中的控制板的结构示意图;
图9是本发明的一个较佳实施例的通信关系示意图;
图10是本发明的一个较佳实施例中传感器信号板的电路图;
图11是本发明的一个较佳实施例中微控制器板的电路图;
图12是本发明的一个较佳实施例中电机驱动板的电路图。
具体实施方式
在本发明的实施方式的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对发明的限制。附图为原理图或者概念图,各部分厚度与宽度之间的关系,以及各部分之间的比例关系等等,与其实际值并非完全一致。
图2示出了一种现有舵机的内部布局示意图,包括壳体10、直流电机101、变速齿轮组102、输出轴103、电位器104和控制板105和外接口106。直流电机101、变速齿轮组102、电位器104和控制板105均设置在壳体10内,输出轴103部分设置在壳体10内,外接口106通过导线连接于壳体10外。
图3示出了基于本发明的一种舵机的内部布局示意图,包括壳体20、直流电机201、变速齿轮组202、输出轴203、角传感器204和控制板205和接口板206。直流电机201、变速齿轮组202、角传感器204、控制板205和接口板206均设置在壳体20内,输出轴203部分设置在壳体20内。
控制板205包括若干子控制板,子控制板层叠设置形成多层结构,各子控制板间通过电连接件进行连接,以实现信号传输。控制板205的上方和下方分别设置角传感器204和接口板206,接口板206通过电连接件连接相应的子控制板,以实现信号传输。角传感器204与输出轴203连接;直流电机201通过变速齿轮组202与输出轴203传动连接;控制板205和接口板206均设置在直流电机201的侧面。壳体20上设置有接口开孔207,接口开孔207的位置与接口板206相配合,以适于从外部连接接口板206。
图4至图8示出了本发明的一个较佳实施例的结构示意图,本实施例的微型伺服电机包括壳体30、直流电机301、变速齿轮组302、输出轴303、磁性部件304和控制板305和接口板306。直流电机301、变速齿轮组302、磁传感部件304、控制板305和接口板306均设置在壳体30内,输出轴303部分设置在壳体30内。
直流电机301通过变速齿轮组302与输出轴303传动连接,变速齿轮组302是一组减速齿轮组,通过变速齿轮组302来加大输出轴303的扭矩,本实施例中从直流电机301的直流电机轴通过变速齿轮组302至输出轴303采用四级放大。
控制板305包括传感器信号板3051、微控制器板3052和电机驱动板3053,传感器信号板3051、微控制器板3052和电机驱动板3053依次层叠设置。控制板305的电机驱动板3053一侧相邻设置接口板306,控制板305的传感器信号板3051一侧相邻设置磁传感部件304。
本实施例中,输出轴303的转动位置采用磁传感方式检测,磁传感部件304与输出轴303相连接。具体地,如图6和图7所示,磁传感部件304包括轴3041、轴承3042、磁性元件3043和外壳3044,轴3041的一端与输出轴303同轴固定连接,前者跟随后者一起转动,以同步地反映后者的转动状态。轴承3042设置在外壳3044和与输出轴303配合的齿轮之间,轴3041的另一端穿过轴承3042,并与设置在外壳3044内的磁性元件3043相连接,从而在输出轴303的转动时能够带动磁性元件3043同步转动,外壳3044固定设置于传感器信号板3051的上方,一方面用于容纳磁传感部件304的部分元件,一方面也可用于固定位于其下方的传感器信号板3051。
传感器信号板3051上设置有与磁传感部件304配合使用的磁感应元件,本实施例中采用基于GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁阻)原理的角度传感器,根据由输出轴303所带动的轴3041的转动位置的不同,磁感应元件根据磁阻变化来确定磁性元件3043的角度变化,并生成相应的电信号,从而传感器信号板3051能够提供输出信号来指示轴3041和输出轴303的转动位置。
传感器信号板3051和电机驱动板3053上分别设置有插针3054和插针3055,传感器信号板3051和电机驱动板3053分别通过插针3054和插针3055与微控制器板3052连接,以实现信号传输。微控制器板3052上设置有与插针3054和插针3055相配合的插板3056,插板3056固定在微控制器板3052上,插板3056上设置有若干插孔,从而可以与插针3054和插针3055相配合实现电性连接。另一方面,插板3056与微控制器板3052的固定连接所形成的结构,相对于是控制板305的主框架,上下分别通过插针3054和插针3055将传感器信号板3051和电机驱动板3053固定连接到该主框架上,插板3056的高度设置,又可以限定微控制器板3052与传感器信号板3051和电机驱动板3053间的间距。
接口板306设置在控制板305的下方,即与电机驱动板3053相邻的一侧,接口板306通过导线(图中未示出)连接到微控制器板3052,即可以是在微控制器板3052上设置相应接口来插接导线,也可以是直接将导线焊接到微控制器板3052上。对于接口板306的固定,既可以将其直接固定在电机驱动板3053上,如粘合、卡扣连接、卡槽连接等等,也可以在壳体30内设置相应的构件,将接口板306连接到上述构件中,同样地可以采用如粘合、卡扣、卡槽等连接方式将其固定在壳体30内。
壳体30上还开设有接口开孔307,接口开孔307的位置与接口板306相配合,以适于从外部连接接口板306。
在本实施例中,电机驱动板3053也通过导线(图中未示出)连接直流电机301的信号输入端,以驱动直流电机301工作。
如图9所示,传感器信号板3051和微控制器板3052通过SPI协议进行通讯,如前所述,传感器信号板3051上的霍尔元件根据输出轴303的位置输出电信号,并将相应信号传输到微控制器板3052。微控制器板3052根据输出轴303的位置信息,相应地生成对于直流电机301的控制指令,具体地,微控制器板3052通过PWM方式向电机驱动板3053发送指令信号,电机驱动板3053根据接收到的指令信号,生成可直接驱动直流电机301的输出信号,并通过连接的导线加载到直流电机301的输入端子,同时电机驱动板3053还将直流电机301的电流/状态信号反馈给微控制器板3052。接口板,306适用总线协议,可与控制***通讯,一方面接收来自控制***的控制信号并将该控制信号传输到微控制器板3052;另一方面也作为电源接口,为控制板305提供工作电源。
图10至图12分别示出本实施例中的传感器信号板3051、微控制器板3052和电机驱动板3053的电路图,其中传感器信号板3051采用了英飞凌公司的TLE5012B E1000角度传感器,其基于GMR原理;微控制器板3052搭载Microchip公司的atmega328p-mu微控制器。
本实施例的微型伺服电机可以应用于在航模、赛车、小型机器人等装置。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种微型伺服电机,包括直流电机、变速齿轮组、输出轴、角传感器和控制板,其特征在于,所述控制板包括若干子控制板,所述子控制板层叠设置形成多层结构,各子控制板间通过电连接件进行连接,以实现信号传输;所述微型伺服电机还包括接口板,所述接口板、所述多层结构和所述角传感器依次层叠设置,所述接口板通过电连接件连接相应的子控制板,以实现信号传输;所述角传感器与所述输出轴连接;所述直流电机通过所述变速齿轮组与所述输出轴传动连接;所述接口板和所述多层结构均设置在所述直流电机的侧面;
所述控制板包括传感器信号板、微控制器板和电机驱动板;
所述输出轴的转动位置采用磁传感方式检测,所述角传感器包括磁性元件,
所述传感器信号板上设置有与所述磁性元件配合使用的磁感应元件;
所述接口板被配置为通过总线协议与外部控制***通讯;
还包括壳体,所述直流电机、所述变速齿轮组、所述角传感器、所述多层结构和所述接口板均设置在所述壳体内,所述输出轴部分设置在所述壳体内;
所述壳体上设置有接口开孔,所述接口开孔的位置与所述接口板相配合,以适于从外部连接所述接口板。
2.如权利要求1所述的微型伺服电机,其特征在于,所述传感器信号板、所述微控制器板和所述电机驱动板依次层叠设置,所述接口板与所述电机驱动板相邻设置。
3.如权利要求1所述的微型伺服电机,其特征在于,所述传感器信号板和所述电机驱动板上设置有插针,通过插针与所述微控制器板连接,以实现信号传输,所述微控制器板上设置有与所述传感器信号板和所述电机驱动板上的插针相配合的插孔和/或插槽。
4.如权利要求1所述的微型伺服电机,其特征在于,所述接口板通过导线与所述微控制器板相连,以实现信号传输。
5.如权利要求1所述的微型伺服电机,其特征在于,所述电机驱动板通过导线连接所述直流电机的信号输入端,以驱动所述直流电机工作。
6.如权利要求1-5任一所述的微型伺服电机在航模、赛车、小型机器人中的应用。
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