CN106610595A - 一种智能舵机及机器人手臂控制系统 - Google Patents

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张彦超
祁迹
刘世昌
马壮
何元
何元一
任涛林
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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Abstract

本发明涉及舵机技术领域，尤其涉及一种智能舵机及机器人手臂控制系统。本发明的智能舵机包括控制器、驱动电路、电机和绝对式编码器，所述控制器具有用于与上位机通信的CAN接口，并且所述控制器连接到所述驱动电路以向所述驱动电路发送驱动信号；所述驱动电路输出驱动信号到所述电机；所述绝对式编码器连接所述电机以检测所述电机的位置信息和温度信息。本发明的智能舵机中，控制器使用CAN总线与上位机通信，省略了繁杂的线缆，还可以将电机的状态信息及时地反馈给上位机，以实现更加完善保护功能；采用绝对式编码器来对电机位置进行反馈，精度远高于传统使用电位计的方式，使得闭环PID控制更为精确。

Description

一种智能舵机及机器人手臂控制系统
【技术领域】
本发明涉及舵机技术领域，尤其涉及一种智能舵机及机器人手臂控制系统。
【背景技术】
舵机在各类机器人产品中是使用最多、最关键的部件。它糅合了多项技术，由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的自动控制装置。舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比较精确的角度，非常适合在关节型机器人产品中使用。仿人型机器人就是舵机使用的最高境界。
现有舵机存在扭矩比较低，精度差，保护功能不完善，无法实现多个舵机与主控制器串行通信等问题。
【发明内容】
本发明旨在解决现有舵机中扭矩较低，精度差，保护功能不完善，且无法实现多个舵机与主控制器串行通信的问题，提供一种智能舵机及机器人手臂控制系统。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供一种智能舵机，包括控制器、驱动电路、电机和绝对式编码器，
所述控制器具有用于与上位机通信的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)接口，并且所述控制器连接到所述驱动电路以向所述驱动电路发送驱动信号；
所述驱动电路输出驱动信号到所述电机，以驱动所述电机运转；
所述绝对式编码器连接所述电机以检测所述电机的位置信息，并将所述位置信息反馈到所述控制器。
一些实施例中，所述智能舵机还包括检测电路，所述检测电路连接所述电机以检测所述电机的电流信号和电压信号，并将检测到的电流信号和电压信号反馈到所述控制器。
一些实施例中，所述驱动电路为三相全桥逆变电路。
一些实施例中，所述电机为直流无刷电机。
一些实施例中，所述绝对式编码器还检测所述电机的温度信息并将所述温度信息反馈到所述控制器。
一些实施例中，所述智能舵机还包括连接到所述电机输出端的减速机构，以及连接到所述减速机构输出端的输出轴。
另一方面，本发明提供一种机器人手臂控制系统，包括上位机，以及至少一个以上所述的智能舵机，所述智能舵机以CANopen(架构在CAN上的高层通讯协议)总线方式级联连接到所述上位机。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明的智能舵机及机器人手臂控制系统中，控制器使用CAN总线与上位机通信，实现多个舵机级联，再与上位机连接，省略了繁杂的线缆，还可以将电机的状态信息及时地反馈给上位机，以实现更加完善保护功能；采用绝对式编码器来对电机位置进行反馈，精度远高于传统使用电位计的方式，使得闭环PID(Proportion-Integration-Differentiation，比例-积分-微分)控制更为精确。
【附图说明】
图1为本发明一个实施例的智能舵机的架构图。
图2为本发明一个实施例的机器人手臂控制系统的架构图。
附图标记：1.控制器、2.驱动电路、3.电机、4.编码器、5.检测电路、6.减速机构、7.输出轴、8.上位机、9.智能舵机。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
请参阅图1，为本发明一个实施例的智能舵机的架构图。
如图1所示，智能舵机包括控制器1、驱动电路2、电机3和绝对式编码器4。
所述控制器1具有用于与上位机通信的CAN接口，并且连接到所述驱动电路2；所述驱动电路2和所述绝对式编码器4分别与所述电机3连接；
所述控制器1向所述驱动电路2发送驱动信号，所述驱动电路2接收所述控制器1的驱动信号，并向所述电机3输出驱动信号以驱动所述电机3运转，所述绝对式编码器4检测所述电机3的位置信息和温度信息，并将所述位置信息和温度信息反馈到所述控制器1。
绝对式编码器4以光电扫描分度盘上的格雷码模型确定绝对位置值，输出数码信号。绝对式编码器4的每一个位置是唯一的，当掉电时，绝对式编码器4的位置不会丢失。绝对式编码器4与增量式编码器相比，不存在掉电时信号丢失的问题，抗干扰能力强，可用于长期的定位控制，其传输及计算的数据的可靠性高。
进一步地，所述智能舵机还包括检测电路5，所述检测电路5连接所述电机3以检测所述电机3的电流信号和电压信号，并将检测到的电流信号和电压信号反馈到所述控制器1。
优选地，所述检测电路5通过电路中电阻的采样实现电流和电压的检测。用采样电阻进行电流电压检测，通过信号调理电路进行处理，再经过PGA(Programmable Gain Amplifier，可编程增益放大器)进行增益调整，可以方便量程的可控切换，也即是在小电流和大电流时都能够使输出更接近满量程。
优选地，所述驱动电路2为三相全桥逆变电路，由三相桥预驱动芯片和6个MOS管(metal oxide semiconductor，金属场效应晶体管)组成，其中三个高端驱动的MOS管的栅极控制电压采用自举方式获得，可以减少需要的电源数量。所述驱动信号可以为模拟信号、PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)信号或CANopen总线信号。
优选地，所述电机3为直流无刷电机，比有刷直流电机制动性更好，响应速度更快，采用MAXON公司EC系列高转速大扭矩的直流无刷电机，还具有高可靠性、优良的线性特性、低感量、机械换相的特点。
进一步地，所述智能舵机还包括连接到所述电机3输出端的减速机构6，以及连接到所述减速机构6输出端的输出轴7。所述减速机构6成倍缩小电机3的速度并以相应倍数放大所述电机3的输出扭矩。
工作原理：
所述智能舵机依靠其系统软件部分运作，所述系统软件部分包括控制命令处理、驱动信号处理、电机控制算法和保护程序。
所述控制命令处理实现所述智能舵机与上位机的CANopen通讯；
所述驱动信号处理实现驱动信号的生成和驱动所述电机3运转；
所述电机控制算法包括所述电机的速度控制算法、位置控制算法和电流电压控制算法，分别实现所述电机的速度的检测与控制，位置检测与控制和电压电流检测与控制。
进一步地，电路中电阻的采样能检测到过流的情况，而当过流发生时，电路能够产生并输出最大电压，这会导致检测的电流信号出现毛刺现象，影响检测结果，因此采用软件滤波技术来避免该情况的发生。由于电路中的电流的检测频率比较高，因此采用实时性较高的递推平均滤波算法，其原理为：
将M个检测的数据当成一个长度为M的数列，每当进行一次检测时，就把采样结果放在队尾，丢掉之前队首的数据，队列中就始终保持有M个“最新”数据，然后计算M个数据的平均值得到最后的滤波值，以此来避免检测的电流信号出现的毛刺现象。
优选地，所述速度控制算法、所述位置控制算法和/或电流电压控制算法为PI(Proportion(比例)、Integration(积分))闭环控制算法。PI闭环控制算法比PI开环控制拥有更加良好的控制能力，能使智能舵机快速、稳定、可靠、精确的达到预定目标，更加符合智能舵机在机器人上的应用。
实施例2
请参阅图2，为本发明一个实施例的机器人手臂控制系统的架构图。
如图2所示，机器人手臂控制系统包括上位机8，以及至少一个本发明的智能舵机9。
所述至少一个智能舵机9以CANopen总线方式级联连接到所述上位机8。
本发明提供的机器人手臂控制系统，其智能舵机使用CANopen总线与上位机通信，实现多个智能舵机级联，再与上位机连接，省略了繁杂的线缆。还可以将绝对式编码器检测到的电机的位置信息和温度信息以及检测电路检测到的电机的电流信号和电压信号及时地反馈给上位机，以实现更加完善保护功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能舵机，其特征在于，包括控制器、驱动电路、电机和绝对式编码器，
所述控制器具有用于与上位机通信的CAN接口，并且所述控制器连接到所述驱动电路以向所述驱动电路发送驱动信号；
所述驱动电路输出驱动信号到所述电机，以驱动所述电机运转；
所述绝对式编码器连接所述电机以检测所述电机的位置信息，并将所述位置信息反馈到所述控制器。
2.如权利要求1所述的智能舵机，其特征在于，还包括检测电路，所述检测电路连接所述电机以检测所述电机的电流信号和电压信号，并将检测到的电流信号和电压信号反馈到所述控制器。
3.如权利要求1所述的智能舵机，其特征在于，所述驱动电路为三相全桥逆变电路。
4.如权利要求1所述的智能舵机，其特征在于，所述电机为直流无刷电机。
5.如权利要求1所述的智能舵机，其特征在于，所述绝对式编码器还用于检测所述电机的温度信息并将所述温度信息反馈到所述控制器。
6.如权利要求1-5中任一项所述的智能舵机，其特征在于，还包括连接到所述电机输出端的减速机构，以及连接到所述减速机构输出端的输出轴。
7.一种机器人手臂控制系统，其特征在于，包括上位机，以及至少一个如权利要求1-6中任一项所述的智能舵机，所述智能舵机以CANopen总线方式级联连接到所述上位机。
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