CN104407625A - 一种数字舵机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字舵机，其包括：直流电机；角度传感器，其感测所述直流电机的转动角度；控制电路板，其控制所述直流电机的转动并接收所述角度传感器感测到的转动角度值；其中，所述控制电路板控制所述直流电机执行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根据所述角度传感器感测到的转动角度值调节所述直流电机的转动角度在0-300度的范围内任意停止；所述第二控制模式是所述直流电机连续转动360度。本发明所述的数字舵机最大的发明点在于集传统舵机两种控制模式于一身，使其应用范围扩大，消除了其实际应用的局限性；其次采用异步串行总线与上位机进行通讯，简化了上位机端的控制线路，降低了上位机的资源占用。

Description

一种数字舵机

技术领域

本发明属于小型轮、机器人驱动、小型仿人及仿生机器人关节以及需要进行位置控制的工业自动化领域，尤其涉及一种数字舵机。

背景技术

舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源。舵机最早出现在航模运动中。在航空模型中，飞行机的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。不仅在航模飞机中，在其他的模型运动中都可以看到它的应用：船模上用来控制舵，车模中用来转向等等。一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。舵机的输入线共有三条：位于中间的红色是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗，而电源有两种规格，一种是4.8V，一种是6.0V，分别对应不同的转矩标准；另外一根线是控制信号线，舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽位置调制(PPM)信号，其中脉冲宽度通常从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、飞机的舵面等。随着机器人技术的发展，特别是教育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，如重构机器人要求执行单元不但能做角度转动，在某种情况下还需要做圆周运动等，同时，在用到多个舵机的情况下，整个系统的控制及布线显得繁琐且可靠性不能得以保证，在这种情况下，数字舵机应运而生。

数字舵机区别于传统的模拟舵机，模拟舵机需要给它不停的发送PWM信号，才能让它保持在规定的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某个位置。因此数字舵机的出现得以实现48路舵机控制器的实现。按照舵机的转动角度分为180度舵机和360度舵机。其中180度舵机只能在0度到180度之间运动，超过这个范围，舵机就会出现超量程的故障，轻则齿轮打坏，重则烧坏舵机电路或者舵机里面的电机。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，不过我们只可以控制它转动的方向和速度，不能调节转动角度。数字舵机从根本颠覆了舵机的控制电路板体系，相对于传统模拟舵机，数字舵机的两个优势是：其一、因为微处理器的关系，数字舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前，对输入的信号根据设定的参数进行处理。这意味着动力脉冲的宽度，就是说激励马达的动力，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；其二、数字舵机以高得多的频率向马达发送动力脉冲。就是说，相对与传统的50脉冲/秒，现在是300脉冲/秒。虽然因为频率高的关系，每个动力脉冲的宽度被减小了，但马达在同一时间里收到更多的激励信号，并转动得更快。这也意味着不仅仅舵机马达以更高的频率响应发射机的信号，而且“无反应区”变小；反应变得更快；加速和减速时也更迅速、更柔和；数字舵机提供更高的精度和更好的固定力量。此外还有防抖动，响应速度快的优点。

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，但其转动角度范围还是只有180度，同时对于一台数字舵机要么是在角度可控模式即位置控制模式(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。

进一步的是，对于传统的数字舵机还具有以下待解决的技术问题：

其一、传统舵机无反馈，不能形成闭环控制，使得控制系统精度低，可靠性差；

其二、传统舵机每装一个电机都需要一路PPM单独控制，上位机控制电路复杂，资源占用较多；

其三、传统舵机每一个都要连接到控制电路上，如果使用的较多布线比较复杂、繁多，易造成信号干扰，稳定性较差；

其四、传统舵机无温度、负载、电压等反馈和保护。

发明内容

本发明基于现有数字舵机存在的上述缺陷，提供了一种新型的数字舵机，该舵机最大的发明点在于集传统舵机两种控制模式于一身，使其应用范围扩大，消除了其实际应用的局限性。

本发明提供的技术方案为：

一种数字舵机，其包括：

直流电机；

角度传感器，其感测所述直流电机的转动角度；

控制电路板，其控制所述直流电机的转动并接收所述角度传感器感测到的转动角度值；其中，

所述控制电路板控制所述直流电机执行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根据所述角度传感器感测到的转动角度值调节所述直流电机的转动角度在0-300度的范围内任意停止；所述第二控制模式是所述直流电机连续转动360度。

优选的是，所述数字舵机还包括：

上位机，其与所述控制电路板通过串行通讯总线进行通讯连接，用于向所述控制电路板发送控制信号，一台上位机与不超过254个的所述控制电路板通讯连接。

优选的是，所述直流电机的供电电压为5-12V，且所述控制电路板中含有MCU模块，其供电电压为5V，来自于所述直流电机的供电电能。

优选的是，所述MCU模块通过PID算法发送PMW信号，所述PMW信号通过H桥驱动来控制直流电机在上述两种控制模式下工作。

优选的是，所述MCU模块根据反馈信息控制直流电机，所述反馈信息包括上述角度转动值，还包括转动速度值、系统电压、系统负载和系统温度；

其中，所述MCU模块还与报警模块通讯连接，其根据所述反馈信息控制报警模块是否发出报警信息。

优选的是，所述MCU模块为采用AVR ATmega8做为主控芯片。

优选的是，所述串行通讯总线采用异步串行通讯方式，通过UART异步串行接口统一控制，每个舵机的控制电路板设定不同的节点地址，多个舵机的控制电路板选择性地采用统一运动方式或单个独立控制。

优选的是，在所述第二控制模式中，所述控制电路板控制所述直流电机作为直流减速电机，连续转动360度。

本发明所提供的数字舵机具备以下有益效果：

其一、与现有技术相比，本发明提供的数字舵机集两种工作模式于一身，即根据角度传感器检测的电机转动角度值设置的位置控制模式(即第一控制模式)和可360度连续转动的电机控制模式(即第二控制模式)，且在位置控制模式下，该数字舵机拥有0-300°的转动范围，在此范围内具备精确位置控制性能，速度可调；而在电机控制模式下，该数字舵机可以作为直流减速电机使用，速度可调；两种工作控制模式可以根据需要任意调整；

其二、与现有技术相比，本发明提供的数字舵机可根据包括直流电机当前角度转动值、转动速度值、系统电压、系统负载和系统温度在内的反馈信息进行直流电机的控制，不仅在舵机内部形成了闭环控制，使得控制系统精度提高，可靠性增强，还使得舵机不至于因温度过高、负载过大和过压欠压等因素受到损坏，起到了对直流电机的保护作用；

其三、与现有技术相比，本发明提供的数字舵机通过串行通讯总线与上位机进行通讯连接，使得一台上位机可与不超过254个的本发明提供的数字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；

其四、与现有技术相比，本发明提供的数字舵机采用异步串行总线通讯方式，通过UART异步串行接口统一控制，且为多个舵机时，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为本发明所述的数字舵机的原理框图；

图2为本发明所述的数字舵机与上位机通讯时的其中一个实施例的UART电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

这里，本发明首先对出现的专业术语进行解释一下：

PPM(Pulse Position Modulation)：是一种脉冲位置根据被调信号的变化而变化的调制方法。PID(Proportional Integral Derivative)：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

如图1所示，本发明提供一种数字舵机，其包括：直流电机；角度传感器，其感测所述直流电机的转动角度；控制电路板，其控制所述直流电机的转动并接收所述角度传感器感测到的转动角度值；其中，所述控制电路板控制所述直流电机执行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根据所述角度传感器感测到的转动角度值调节所述直流电机的转动角度在0-300度的范围内任意停止；所述第二控制模式是所述直流电机连续转动360度。可见，本发明提供的数字舵机具备了两种工作模式，可简称为位置控制模式(即第一控制模式)和电机控制模式(即第二种控制模式)，从图1中可看到，当数字舵机控制直流电机执行位置控制模式时，其是根据直流电机当前的转动角度值进行控制的，即通过角度传感器监测的电机转动角度，反馈给MCU形成闭环，进而进行直流电机的控制。

进一步的是，本发明提供的数字舵机还包括：上位机，其与所述控制电路板通过串行通讯总线进行通讯连接，用于向所述控制电路板发送控制信号，一台上位机与不超过254个的所述控制电路板通讯连接。其中所述串行通讯总线采用异步串行通讯方式，通过UART异步串行接口统一控制，每个舵机的控制电路板设定不同的节点地址，多个舵机的控制电路板选择性地采用统一运动方式或单个独立控制。该设计大大简化了上位机控制电路，降低了上位机的资源占用，而且采用异步串行通讯的方式，减少了繁杂的布线，从而避免因布线繁琐所造成的信号干扰，稳定性差的缺陷。

本发明中所述直流电机的供电电压为5-12V，且所述控制电路板中含有MCU模块，其供电电压为5V，来自于所述直流电机的供电电能。参见图1，其中系统电压模块为外部供电电压，电压范围在6-12V，其中还包括有5V电压模块，其用于将系统电压转化成5V以向MCU供电。而从图中可以看到，系统电压还作为电机的供电电压，因此这里所说MCU模块的供电电压来自于所述直流电机的供电电能。

如图1所述，所述MCU模块通过PID算法发送PMW信号，所述PMW信号通过H桥驱动电路来控制直流电机在上述两种控制模式下工作。这里所说的H桥驱动电路是本领域所熟知的直流电机驱动电路，所以这里不做详细介绍。

本发明所提供的数字舵机为了实现对直流电机的保护，还内置有温度、电压、负载检测模块，如图1所示，这些检测模块均电连接至所述MCU模块，因此，本发明中还包括：所述MCU模块根据反馈信息控制直流电机，所述反馈信息包括上述角度转动值，还包括转动速度值、系统电压、系统负载和系统温度；其中，所述MCU模块还与报警模块通讯连接，其根据所述反馈信息控制报警模块是否发出报警信息。即当出现比如说温度过高、系统负载过大、电压过小或过大时，所述MCU模块会控制报警模块发出报警信息，以提醒工作人员，进而起到对直流电机的保护。可通过设置系统检测指示灯来实现，在整个系统不正常时红灯报警；也可以通过设置蜂鸣器等方式来进行报警。

本发明在所述第二控制模式中，所述控制电路板控制所述直流电机作为直流减速电机，连续转动360度。即相当于在图1中的直流电机处还包括有金属减速齿轮组，通过减速齿轮组来实现电机的减速。其中所述减速齿轮组用于将所述电机的高转速、低扭矩输出转化为低转速、高扭矩输出。

本发明中所述MCU模块为采用AVR ATmega8做为主控芯片，其对外通过半双工串口接受UART总线通讯协议，一方面转化为控制指令控制电机运动，另一方面反馈舵机状态，如转动角度、转动速度、系统电压、负载、温度；对内通过PID算法输出PWM信号通过H桥驱动来控制电机，并监测系统状态。而从图1右下角也可以看到，其包括半双工串口模块，作为该数字舵机的通讯总线，舵机通过它接受或上传协议。同时，参见图1，其还包括数字舵机三线接口，即电源线接口、接地线接口和控制信号接口，每个舵机上有两个，串联在一起，可以使每个舵机都可以连接在一起，只有一个舵机直接连到控制器上统一控制。

总的来说，本发明提供的数字舵机本体内包含一个小型控制系统，其功能分别如下：

其一、内含电压模块，可将电机供电电压5-12V转化为5V向MCU供电；

其二、所述MCU模块结合电位器反馈及PID算法对电机控制形成闭环，结合传感器对舵机进行过压、过热、过载、欠压检测并保护；

其三、有系统检测指示灯，在整个系统不正常时红灯报警；

其四、采用异步串行总线通讯方式，可与不超过254个数字舵机通过总线组成链型，通过UART异步串行接口统一控制。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；

其四、通讯指令集开放，通过异步串行接口与用户的上位机(控制器或PC机)通讯，可对其进行参数设置、功能控制。通过异步串行接口发送指令，舵机可以设置为电机控制模式或位置控制模式。在电机控制模式下，舵机可以作为直流减速电机使用，速度可调；在位置控制模式下，舵机拥有0-300度的转动范围，在此范围内具备精确位置控制性能，速度可调。

本发明图2给出了所述数字舵机与上位机通讯时其中一个实施例的UART电路原理图。图中74HC126为一个含有四个缓冲器的集成电路。本领域技术人员可以参照该电路原理图进行本发明所述数字舵机的使用。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种数字舵机，其特征在于，包括：

直流电机；

角度传感器，其感测所述直流电机的转动角度；

控制电路板，其控制所述直流电机的转动并接收所述角度传感器感测到的转动角度值；其中，

所述控制电路板控制所述直流电机执行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根据所述角度传感器感测到的转动角度值调节所述直流电机的转动角度在0-300度的范围内任意停止；所述第二控制模式是所述直流电机连续转动360度。

2.如权利要求1所述的数字舵机，其特征在于，还包括：

上位机，其与所述控制电路板通过串行通讯总线进行通讯连接，用于向所述控制电路板发送控制信号，一台上位机与不超过254个的所述控制电路板通讯连接。

3.如权利要求1所述的数字舵机，其特征在于，所述直流电机的供电电压为5-12V，且所述控制电路板中含有MCU模块，其供电电压为5V，来自于所述直流电机的供电电能。

4.如权利要求3所述的数字舵机，其特征在于，所述MCU模块通过PID算法发送PMW信号，所述PMW信号通过H桥驱动来控制直流电机在上述两种控制模式下工作。

5.如权利要求4所述的数字舵机，其特征在于，所述MCU模块根据反馈信息控制直流电机，所述反馈信息包括上述角度转动值，还包括转动速度值、系统电压、系统负载和系统温度；

其中，所述MCU模块还与报警模块通讯连接，其根据所述反馈信息控制报警模块是否发出报警信息。

6.如权利要求5所述的数字舵机，其特征在于，所述MCU模块为采用AVR ATmega8做为主控芯片。

7.如权利要求6所述的数字舵机，其特征在于，所述串行通讯总线采用异步串行通讯方式，通过UART异步串行接口统一控制，每个舵机的控制电路板设定不同的节点地址，多个舵机的控制电路板选择性地采用统一运动方式或单个独立控制。

8.如权利要求7所述的数字舵机，其特征在于，在所述第二控制模式中，所述控制电路板控制所述直流电机作为直流减速电机，连续转动360度。