CN208196846U - 一种扩展型数码舵机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种扩展型数码舵机，舵机包括舵机控制单元、电机控制电路、电机驱动模块、反馈电路、无刷电机、串行通讯模块、减速机构、位置传感器等。本实用新型的舵机及工作方法，具有标准控制模式和扩展控制模式，兼容性强，适用性广。因采用串行通讯总线，在***集成中可并联也可串联，使得接口简单，***连线大大简化，提高了***的可靠性，为模块化设计和模块化生产奠定了基础。解决了现有传统的数字舵机单位体积输出扭矩小的技术问题以及无法形成闭环控制、无保护电路、控制信号和接口连线复杂、繁多、可靠性低等问题，可广泛应用于移动机器人关节自由度控制，也可以用在无人机螺旋桨驱动、控制以及航模等飞行器姿态的操控控制。

Description

一种扩展型数码舵机

技术领域

本实用新型属于自动化控制技术领域，具体是一种扩展型数码舵机。

背景技术

随着自动化设备应用的飞速发展，控制领域对舵机的需求越来越广泛，越来越多的应用场合对舵机的体积、扭矩、控制方式、结构兼容性等都提出了更高的要求。传统的数字舵机和模拟舵机基本上都是采用有刷电机，这就决定了这两种舵机有如下缺点：扭矩大的舵机其体积也很大，给安装和结构布局带来更多的局限性；而体积小的舵机其扭矩却不够，其应用范围大打折扣；另外有刷电机采用碳刷换相，所以这类舵机换向相时会产生火花，限制了使用范围，而且寿命短、容易损坏，增加了维护成本等。

模拟舵机的电子电路中无MCU微控制器，控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，能产生周期为20ms的脉宽位置调制(PPM)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 度，呈线性变化。也就是说，给控制引脚提供一定的脉宽(TTL电平，0V/5V)，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，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新的对应的位置上。

由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节控制等。随着机器人技术的发展，传统的舵机技术逐渐满足不了需求，如人形机器人要求执行单元不但能做角度转动，在某些应用场景下还需要做圆周运动等；同时，机器人多关节用到多个舵机的情况下，使得整个***的控制及布线显得繁琐且可靠性差。在这种情况，数码舵机应运而生。

模拟舵机需要给它不停的发送20mS周期的PPM信号，才能让它匀速转动或者让它保持在规定的位置，数字舵机只需要发送一次PWM信号就能让舵机保持在规定的位置。目前市面上出现了两种类型的数字舵机，按照舵机的转动角度分为180度舵机和 360度舵机。其中180度舵机兼容传统模拟舵机，它只能在0度到180度之间转动，超过这个范围，舵机就会出现堵转，轻则损坏舵机减速齿轮，重则烧坏舵机里面的电机。而360度舵机转动的方式和普通的电机类似，可以连续的转动，不过只能控制它转动的方向和速度，不能调节转动角度。数字舵机相对于传统模拟舵机有两大优势：一、因为数字舵机引入CPU的关系，数字舵机可以对输入的信号根据设定的参数进行预处理后再将动力脉冲发送到舵机马达。这意味着动力脉冲的宽度，可以根据微处理器的程序运算而调整，以适应不同的功能要求，并优化舵机的性能；二、数码舵机可以通过CPU 接收比模拟舵机50Hz频率更快的PWM外部控制信号，就可以在更短的时间内分辨出 PWM外部控制信号的位置信息，计算出PWM占空比的正比电压和反馈电位器的电压差值，去驱动电机动作，做舵机摇臂位置最新改变。所以说数码舵机的反应速度比模拟舵机快，加速和减速时也更迅速、更柔和；同时数字舵机提供更高的精度和更好的固定力量。

从上文可以看到，一般的数字舵机，虽然解决了传统舵机的控制问题，但其转动角度范围仍然只有180度，同时对于一台数字舵机要么是在角度可控模式(在正负90度调节或是0-180度)，要么就是电机模式(360度旋转)，二者没有得到很好的兼顾，使其在实际应用中受到很大的局限性。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种扩展型数码舵机，该扩展型数码舵机同时具备标准控制模式和扩展控制模式，兼容性强，适用性广。

为实现上述发明目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种扩展型数码舵机，包括舵机控制单元、电机控制电路、电机驱动模块、反馈电路、无刷电机、串行通讯模块、减速机构、位置传感器；

所述舵机控制单元：包括主控制器以及无刷电机控制电路；所述舵机控制单元接收上位机的控制信息以及反馈电路的反馈信息，并根据控制信息和反馈信息计算电机控制参数，然后将控制参数输出至电机控制电路。其中舵机控制单元还控制电机按正常模式转动到某一角度或者按扩展模式控制电机连续转动的圈数及度数。

上位机(即舵机控制器)：与所述舵机控制单元电路板通过串行通讯总线进行连接，用于向所述舵机控制单元电路板发送控制信号，一台上位机与不超过110个的所述舵机控制单元电路板通讯连接。

无刷电机：接收电机控制电路输出的控制信息，并按照指定的转速旋转；

串行通讯模块：用于接收上位机的控制信息以及发送舵机的反馈信息给上位机；

减速机构：与无刷电机输出轴对接，用于将电机的高转速、低扭矩输出转化为低转速、高扭矩输出；

位置传感器：与电机的另一端连接，用于将电机转速信号、位置信号反馈给电机控制电路。

传统舵机每装一个电机都需要一路PPM电路单独控制，上位机控制电路复杂，资源占用较多，控制成本增加。传统舵机每一个都要连接到上位机控制电路上，如果使用的舵机多则***布线比较复杂、繁多，易造成信号干扰，稳定性较差。这些问题都同时得到了解决。

进一步的，所述反馈电路包括过流过压保护电路，所述过流过压保护电路用于反馈无刷电机驱动电压和驱动电流是否超过设定阈值，并将反馈信息发送至舵机控制单元上的控制芯片。

进一步的，所述反馈电路包括温度保护电路，所述温度保护电路中设置温度传感器，所述温度传感器用于反馈当前运行温度是否超过设定阈值，并将反馈信息发送至舵机控制单元上的主控制器。传统舵机无温度、负载、电压、电流等反馈和保护，增加了这些保护之后，舵机使用更加安全。

本实用新型的一种扩展型数码舵机，具有两种控制模式--标准控制模式和扩展控制模式，兼容性强，适用性广。因采用串行通讯总线，所以本实用新型的舵机在***集成中可并联也可串联，使得接口简单，***连线大大简化，提高了***的可靠性。因为采用串行通讯总线连接，为模块化设计和模块化生产奠定了基础。相对于传统舵机单位体积的输出扭矩(即舵机扭矩/舵机体积)很小，并且转动角度有限(在正负90度调节或是0-180度)，导致其应用受到很大限制的问题，本实用新型的扩展型数码舵机，根据位置传感器感测到的转动角度值调节电机的转动角度在0°-340°范围内任意停止 (即传统舵机模式)，电机连续转动多个360°(即扩展舵机模式)，解决了现有传统的数字舵机单位体积输出扭矩小的技术问题以及无法形成闭环控制、无保护电路、控制信号和接口连线复杂、繁多、可靠性低等问题，可广泛应用于移动机器人关节自由度控制，也可以用在无人机螺旋桨驱动、控制以及航模等飞行器姿态的操控控制。

本实用新型的一种扩展型数码舵机，具有以下有益效果：

1、与传统舵机采用有刷电机相比，本实用新型提供的数码舵机采用空心杯无刷电机，这就使得本实用新型提供的数码舵机具有带载能力强，输出扭矩大，运行噪音低，寿命长等优点。

2、与传统舵机和现有技术相比，本实用新型提供的数码舵机集两种工作模式于一身，舵机控制器根据CAN接口收到命令序列可以在正常模式和扩展模式之间任意切换，使其应用范围扩大。

3、与传统舵机和现有技术相比，本实用新型提供的数码舵机可根据无刷电机当前角度、转速、驱动电压、负载电流和***温度在内的反馈信息进行无刷电机的控制，不仅在舵机内部形成了闭环控制，使得控制***精度提高，可靠性增强，还使得舵机不至于因温度过高、负载过大和电机堵转等因素受到损坏，起到了对无刷电机的保护作用。

4、与传统舵机和现有技术相比，本实用新型提供的数码舵机通过CAN总线与上位机进行通讯连接，使得一台上位机可以和不超过110个的本实用新型提供的数码舵机控制电路板通讯连接，其大大简化了上位机控制电路，降低了上位机的资源占用；每个舵机可以设定不同的节点地址，多个舵机可以统一运动也可以单个独立控制；这样就会减少繁杂的布线，从而避免因布线繁琐所造成的信号干扰，稳定性差的缺陷。

附图说明

图1为本实用新型扩展型数码舵机原理框图；

图2为本实用新型扩展型数码舵机结构示意图；

图3为本实用新型无刷电机驱动控制算法框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型提出的一种扩展型数码舵机进行详细说明。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”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实用新型和简化描述，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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

如图1和2所示，本实用新型的一种扩展型数码舵机主要由舵机控制单元5，电源管理模块，电机驱动电路及过流过压保护电路4，无刷电机2，减速机构1(即速齿轮组及输出装置)，温度传感器，位置传感器3和串行通讯模块组成。

舵机控制单元：舵机控制单元是以TMS320F28069M为主控制器的舵机控制板，包含电机驱动模块、通讯模块、传感器反馈电路模块以及过流、过压、保护模块等。由于结构和空间需求，舵机控制板采用分层叠加的方式。另外主控制器TMS320F28069M内部FLASH中烧写有舵机控制算法、模式控制算法及通讯程序等。其中控制单元接收上位机的控制信息以及温度、电流保护电路的反馈信息，并根据控制信息和反馈信息计算电机控制参数，然后将控制参数输出至电机驱动电路。其中舵机控制单元还控制电机按正常模式转动到某一角度或者按扩展模式控制电机连续转动多少圈又多少度。

无刷电机：在本实用新型中无刷电机采用空心杯无感无刷电机，所述无感无刷电机单位体积内带载能力强，输出扭矩大，抗干扰能力强，电机转动产生的噪音小，电机寿命长等。

串行通讯模块：用于接收上位机的控制信息以及发送舵机的反馈信息给上位机；在本实用新型中采用CAN2.0通讯接口(也可采用RS232或者RS485通讯接口)。可支持多达110个节点，也就是说一个机器人上多个舵机通过CAN总线组成链型连接与上位机通讯而互不干扰。每个舵机可以设定不同的节点ID，多个舵机可以统一运动也可以单个独立控制。

减速机构：减速装置采用高精度、多级大减速比的减速机构，可将电机输出扭矩增加几百倍。达到将电机的高转速、低扭矩输出转化为低转速、高扭矩输出的目的。

位置传感器：与无刷电机的另一端连接，用于将电机转速信号、位置信号反馈给电机控制单元。本实用新型中采用磁编码传感器和霍尔脉冲传感器，既可以感测电机转动的角度，也可以检测电机转动速度和转动方向。

温度传感器：用于反馈当前运行温度是否超过设定阈值，并将反馈信息发送至舵机控制单元上的控制芯片。

过流过压保护电路：用于反馈无刷电机驱动电压和驱动电流是否超过设定阈值，并将反馈信息发送至舵机控制单元上的控制芯片。

一种扩展型数码舵机工作方法，包括以下步骤：

1)舵机控制单元收到上位机通过CAN总线发来的控制参数(舵机的转动方向、转动速度和转动角度)，并解析出是标准控制模式还是扩展控制模式。扩展型数码舵机可以根据上位机发来的“指令序列”工作。比如控制数码舵机动作指令序列：

Command------命令字(可以“命令”舵机按指令序列动作，可以“命令”舵机返回自身的运行状态，也可以下发“参数”让舵机按此“参数”进行校准等)

Dir----命令电机转动方向(正传或反转)

Analog-----转动角度(0—340度或者XXX圈又XXX度)

Speed------让电机以speed转/min转动。

Crc-------Byte1到Byte8的校验和。

整个命令组合序列可以理解为：上位机让数码舵机以Speed速度按Dir方向转动Analog度。

2)舵机控制单元接收来自舵机位置传感器信息以及温度、电压电流保护电路的反馈信息，并依照图3进行CLARKE、PARK变换，PI控制算法等计算电机控制参数，并将控制PWM波形信号发送给电机驱动电路。如果温度传感器反馈温度超过设定阈值或电流保护电路反馈电流超过设定阈值，舵机控制单元将会发出电机异常控制命令，停止 PWM输出，使舵机停止输出，保护舵机；

3)电机驱动模块接收到PWM波形后，驱动电机按照指定的速度转动。

4)电机输出轴与减速机构连接，将电机的高转速、低扭矩转化为低转速、高扭矩；减速机构输出一端连接整个舵机的输出，另一端连接舵机输出的位置传感器，传感器将电机转速信号、位置信号反馈给舵机控制单元，形成闭环控制。

基于对本实用新型优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本实用新型并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本实用新型宗旨或范围的对本实用新型的许多显而易见的改变同样可能达到本实用新型的目的。

Claims (3)

1.一种扩展型数码舵机，其特征在于，包括舵机控制单元、电机控制电路、电机驱动模块、反馈电路、无刷电机、串行通讯模块、减速机构、位置传感器；

所述舵机控制单元：包括主控制器以及无刷电机控制电路；所述舵机控制单元接收上位机的控制信息以及反馈电路的反馈信息，并根据控制信息和反馈信息计算电机控制参数，然后将控制参数输出至电机控制电路；其中舵机控制单元还控制电机按正常模式转动到某一角度或者按扩展模式控制电机连续转动的圈数及度数；

无刷电机：接收电机控制电路输出的控制信息，并按照指定的转速旋转；

串行通讯模块：用于接收上位机的控制信息以及发送舵机的反馈信息给上位机；

减速机构：与无刷电机输出轴对接，用于将电机的高转速、低扭矩输出转化为低转速、高扭矩输出；

位置传感器：与电机的另一端连接，用于将电机转速信号、位置信号反馈给电机控制电路。

2.根据权利要求1所述的扩展型数码舵机，其特征在于，所述反馈电路包括过流过压保护电路，所述过流过压保护电路用于反馈无刷电机驱动电压和驱动电流是否超过设定阈值，并将反馈信息发送至舵机控制单元上的控制芯片。

3.根据权利要求2所述的扩展型数码舵机，其特征在于，所述反馈电路包括温度保护电路，所述温度保护电路中设置温度传感器，所述温度传感器用于反馈当前运行温度是否超过设定阈值，并将反馈信息发送至舵机控制单元上的主控制器。