CN107005183A - 一种舵机 - Google Patents

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王建军
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Abstract

本发明实施例公开了一种舵机，包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块，电源模块用于为控制模块提供电源，信号端口模块包括电连接于控制模块的信号发送串口和信号接收串口，信号发送串口用以将控制模块的控制信号发送至外部器件，信号接收串口用以将外部器件的控制信号发送至控制模块，电机对外输出扭矩以驱动齿轮组模块转动，反馈模块检测电机的转动角度，产生反馈信号，反馈给控制模块，控制模块基于反馈模块产生的反馈信号，控制电机驱动电路模块，进而控制电机；电机外壳接地，以减少电机的空间辐射。实施本发明实施例，有利于减少舵机对外产生的辐射。

Description

一种舵机
技术领域
本发明实施例涉及电动设备领域，尤其涉及一种舵机。
背景技术
舵机(英文叫Servo)是由直流电机、齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统，它通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一般用于控制某物体转动一定角度，比如应用于机器人的关节等。但是舵机在工作过程中，会因为舵机主板的电源线、信号线以及电机本身工作转动等原因产生一定的空间辐射和线辐射，这些产生的辐射不仅对舵机的外部器件的工作产生一定的干扰，同时也会影响操作舵机的人员的身体健康。
发明内容
本发明实施例提供一种舵机，以期减少舵机产生的辐射。
本发明实施例第一方面提供一种舵机，所述舵机包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块；
其中，所述信号端口模块与所述控制模块电连接、所述电源模块与所述控制模块电连接，所述控制模块与所述电机驱动电路模块电连接，所述电机驱动电路模块与所述电机电连接，所述电机与所述齿轮组模块连接，所述电机与所述反馈模块电连接；
所述电源模块用于为所述控制模块提供电源，所述信号端口模块包括电连接于所述控制模块的信号发送串口和信号接收串口，所述信号发送串口用以将所述控制模块的控制信号发送至外部器件，所述信号接收串口用以将外部器件的控制信号发送至所述控制模块，所述电机对外输出扭矩以驱动所述齿轮组模块转动，所述反馈模块检测所述电机的转动角度，产生反馈信号，反馈给所述控制模块，所述控制模块基于所述反馈模块产生的反馈信号，控制所述电机驱动电路模块，进而控制所述电机；
所述电机外壳接地，以减少所述电机的空间辐射。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述舵机还包括：第一滤波电路，所述第一滤波电路分别与所述电源模块、所述信号端口模块以及所述控制模块电连接，用于减少连接所述电源模块与所述控制模块、连接所述信号端口模块与所述控制模块之间的导线所产生的线辐射。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述电机包括电源线，所述舵机还包括：第二滤波电路，所述第二滤波电路与所述电机的电源线电连接，用于减少所述电机的电源线所产生的线辐射。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述反馈模块包括：电位器，
所述电位器电连接于所述电机和所述控制模块，用以检测所述电机的转动角度，并基于所述电机的转动角度产生反馈信号，反馈给所述控制模块。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述反馈模块包括：磁铁和磁编码器电路，所述磁铁与所述电机非接触连接，所述磁编码器电路与所述控制模块电连接，所述电机转动带动所述磁铁旋转，所述磁编码器电路基于所述磁铁的旋转角度，产生角度信号，反馈给所述控制模块。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述第一滤波电路为Π型滤波电路或LC滤波电路。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述第二滤波电路为Π型滤波电路或LC滤波电路。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述信号发送串口用以与另一所述舵机的信号接收串口串联。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述控制模块包括微控制单元，所述微控制单元采用32位或64位数据存储模式。
结合第一方面，在一些可能的实现方式中，所述微控制单元的供电电压为3.3V。
本发明提供的舵机，包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块，通过将电机外壳接地，将电机产生的空间辐射疏通到参考地，减少了舵机所产生的辐射，进而减小对舵机的外部器件的工作产生的干扰，同时也减小对操作舵机的人员的身体健康的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域低精度技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明第一实施例提供的一种舵机的结构示意图；
图2是本发明第二实施例提供的一种舵机的结构示意图；
图2-1是本发明第二实施例提供的磁铁的结构示意图；
图2-2是本发明第二实施例提供的磁铁与控制芯片的摆放位置示意图；
图3是本发明第三实施例提供的一种舵机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)，就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。EMC包括干扰(EMI)和抗干扰(EMS)。其中，电磁波会与电子元件作用，产生干扰现象，称为EMI(Electromagnetic Interference)。例如，TV荧光屏上常见的“雪花”，便表示接受到的讯号被干扰。同时，EMS指的是设备的抗干扰能力。本发明则是针对舵机的EMI，即减小舵机产生的干扰。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供的一种舵机的结构示意图，所述舵机100包括：电源模块101、信号端口模块102、控制模块103、电机驱动电路模块104、电机105、齿轮组模块106、反馈模块107；
其中，所述信号端口模块102与所述控制模块103电连接、所述电源模块101与所述控制模块103电连接，所述控制模块103与所述电机驱动电路模块104电连接，所述电机驱动电路模块104与所述电机105电连接，所述电机105与所述齿轮组模块106连接，所述电机105与所述反馈模块107电连接。
具体地，所述电源模块101用于为所述控制模块103提供电源。
所述信号端口模块102包括电连接于所述控制模块103的信号发送串口1021和信号接收串口1022，所述信号发送串口1021用以将所述控制模块103的控制信号发送至外部器件，所述信号接收串口1022用以将外部器件的控制信号发送至所述控制模块103。所述信号发送串口1021和所述信号接收串口1022同时电连接于所述控制模块103，并相互独立向所述控制模块103传递信号，从而使得所述舵机100可以在单位时间内同时接收和发送信号指令，进而利用控制模块103对电机105进行控制，从而提高舵机100的控制效率和运行效率。所述信号端口模块102由设置于舵机100主板上连接信号数据线的引脚构成。所述信号发送串口1021和所述信号接收串口1022分别设置于两个连接不同信号数据线上的引脚上。由于所述信号发送串口1021和所述信号接收串口1022相互独立，因此所述信号发送串口1021上的信号与所述信号接收串口1022上的信号不会相互干扰，从而保证了舵机100的有效控制。本实施方式中，所述信号发送串口1021和所述信号发送串口1021通过在舵机100上设置数据连接器(未图示)采用有线通信方式与外部器件进行通信。
本实施方式中，所述控制模块103设置于舵机100的主板上，所述控制控制模块103包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，所述微控制单元采用32位或64位数据存储模式，从而所述微控制单元可以兼容目前多数计算机终端的操作系统，并且实现大数据的通信模式。所述微控制单元可以经所述信号发送串口1021向外部器件发送控制信号，该外部器件可以是计算机终端也可以是其他舵机，或者是总舵机，以实现将舵机的工作信息反馈至外部器件或者将不属于本舵机的控制信号传递至其他舵机。所述微控制单元可以经所述信号接收串口1022接收外部器件的控制信号，以实现外部器件向舵机发送控制信号控制舵机运行，或者是从其他舵机处接收控制信号。
所述电机105用于对外输出扭矩以驱动所述齿轮组模块106转动，所述反馈模块107检测所述电机105的转动角度，产生反馈信号，反馈给所述控制模块103，所述控制模块103基于所述反馈模块107产生的反馈信号，控制所述电机驱动电路模块104，进而控制所述电机105。
其中，所述电机105接收直流电，所述电机105为无核心马达。所述电机105根据所述微控制单元的IC控制信号判断转动方向。所述电机105通过齿轮组模块106将转动扭矩输出至舵盘，舵盘可以将转动扭矩输出至其他舵机或者输出至负载部件。电机105是一个辐射干扰源，本发明实施例中，所述电机105外壳接地，以将其辐射的能量疏通到参考地，进而减少所述电机105的空间辐射，其中，所述电机105辐射波形表现为毛刺噪声。
本发明提供的舵机，包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块，通过将电机外壳接地，将电机产生的空间辐射疏通到参考地，减少了舵机所产生的辐射，进而减小对舵机的外部器件的工作产生的干扰，同时也减小对操作舵机的人员的身体健康的影响。
请参阅图2，图2是本发明第二实施例提供的一种舵机的结构示意图，所述舵机100包括本发明第一实施例中的电源模块101、信号端口模块102、控制模块103、电机驱动电路模块104、电机105、齿轮组模块106、反馈模块107。
本实施方式中，所述舵机100还可以进一步包括：第一滤波电路108，所述第一滤波电路108分别与所述电源模块101、所述信号端口模块102以及所述控制模块103电连接，用于减少连接所述电源模块101与所述控制模块103、连接所述信号端口模块102与所述控制模块103之间的导线所产生的线辐射。其中，所述第一滤波电路108为Π型滤波电路或LC滤波电路。
具体地，所述电源模块101与所述控制模块103通过VCC线和GND线连接，所述信号端口模块102与所述控制模块103通过通信接收线和通信发送线连接，本发明实施例中，在连接所述电源模块101与所述控制模块103的两个导线、连接所述信号端口模块102与所述控制模块103之间的的两个导线共四条导线之间增加四个第一滤波电路108，以减少连接所述电源模块101与所述控制模块103、连接所述信号端口模块102与所述控制模块103之间的导线所产生的线辐射。
本实施方式中，所述电机105包括电源线，所述舵机100还包括：第二滤波电路109，所述第二滤波电路109与所述电机105的电源线电连接，用于减少所述电机105的电源线所产生的线辐射。其中，所述第二滤波电路109为Π型滤波电路或LC滤波电路。
可以理解的，电源线上的干扰来自很多地方，如大负荷的变动、电火花放电、空间电磁场、电机的启动和停止等。滤波电路主要是考虑滤出两种干扰，即共模干扰和差模干扰。所谓共模干扰是指公共电源线的相线、中线及安全地线均感应同样幅度及相位的干扰。电磁场对电源线的耦合均为共模干扰。所谓差模干扰是指公共电源线中相线与中线所感应的干扰幅度大体相等，但相位差180度。差模干扰主要来源于公共电源线上连接的其他设备。对于差模干扰，滤波电路主要加在相线与中线之间以抑制不需要的干扰，而不包括安全地线。
作为一种可选的实施方式，所述反馈模块107可以是电位器，所述电位器电连接于所述电机105和所述控制模块103，用以检测所述电机105的转动角度，并基于所述电机105的转动角度产生反馈信号，反馈给所述控制模块103。
所述电机105根据所述电位器的电压差判断转动角度。具体的，所述舵机100可以实现330度范围内转动，也可以实现360度连续转动。
所述电位器与所述电机105并联，所述微控制单元向所述电位器的正负两端发发送电压信号，以使所述电位器的正负两端形成电压差，而所述电机105在微控制单元的电压信号驱动下开始工作。而当电机105开始转动后，电位器正负两端的电压差开始慢慢减小，最终电位器正负两端的电压差变为零，而此时电机105停止转动，进而使得电机105转动一定角度后停止。同理，在电机105转动360度后，继续通过微控制单元向电位器发送电压差信号，进而再次驱动电机105转动，从而使得电机105可以连续转。
作为一种可选的实施方式，所述反馈模块107还可以由磁铁和磁编码器电路组成，所述磁铁与所述电机105非接触连接，所述磁编码器电路与所述控制模块103电连接，所述电机105转动带动所述磁铁旋转，所述磁编码器电路基于所述磁铁的旋转角度，产生角度信号，反馈给所述控制模块103。
具体地，进一步地，所述磁编码器电路模块包括控制芯片，所述控制芯片包括霍尔传感器，所述霍尔传感器用于检测所述磁铁的旋转角度，所述控制芯片基于所述霍尔传感器检测得到的所述磁铁的旋转角度产生角度信号。
进一步地，所述磁铁为对径极化的圆柱型结构，具体请参考图2-1所示，图2-1是本发明第二实施例提供的磁铁的结构示意图，所述磁铁与所述霍尔传感器同轴放置，其摆放位置示意图请参考图2-2所示，图2-2是本发明第二实施例提供的磁铁模块与控制芯片的摆放位置示意图。
具体地，磁编码器电路模块包括的控制芯片能够感应放在控制芯片上方的磁铁的角度位置。采用控制芯片内部的霍尔传感器检测硅表面的磁通分布。霍尔传感器位于控制芯片中心附近的圆形阵列，用于传递磁场分布的电压响应。霍尔传感器的输出随着磁铁的旋转而变化。控制芯片在一个12位/11位AD和坐标旋转数字计算器进行计算，再通过数字处理和过滤，将转换后的数据通过I2C/SPI输出给控制模块103。同时可以输出PWM或DA信号。将信号送给控制模块103进行处理。
其中，所述信号发送串口1021用以与另一所述舵机100的信号接收串口1022串联。
具体地，进一步地，所述信号发送串口1021用以与另一所述舵机100的信号接收串口1022串联。本实施方式中，多个所述舵机100之间可以相互串接，即相邻两个舵机100的信号发送串口1021与信号接收串口1022相串联。从而当外部主机向其中某一个舵机100发送控制信号时，仅需向第一个舵机100发送控制信号即可。当第一个舵机100的微控制单元通过所述信号接收串口1022接收主机控制信后，识别到该控制信号并非本机控制信号吗，则通过信号发送串口1021向另一舵机100发送控制信号，其他舵机100按照相同方式传递控制信号，直至该控制信号达到特定的舵机100为止。从而省去主机向多个舵机100之间分别发送控制信号，简化通信结构。
其中，所述微控制单元的供电电压为DC3.3V。
具体地，所述微控制单元的供电电压为DC3.3V。所述电源模块101可将DC6V～DC8.4V的电压转化为所述微控制单元的运行电压DC3.3V。
本发明提供的舵机，包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块，通过将电机外壳接地，将电机产生的空间辐射疏通到参考地，进而减少了舵机中电机所产生的空间辐射，同时，通过第一滤波电路、第二滤波电路也可以减少舵机主板和电机产生的线辐射，从而减小对舵机的外部器件的工作产生的干扰，同时也减小对操作舵机的人员的身体健康的影响。
请参阅图3，图3是本发明第三实施例提供的一种舵机的结构示意图，所述舵机100包括本发明第二实施例中的电源模块101、信号端口模块102、控制模块103、电机驱动电路模块104、电机105、齿轮组模块106、反馈模块107、第一滤波电路108和第二滤波电路109。
进一步，所述磁编舵机100还可以包括：电流采样电路110，其中，所述电流采样电路110的第一端口与所述电机105模块电连接，所述电流采样电路110的第二端口与所述控制模块103电连接，所述电流采样电路110用于在检测到所述电机105模块的工作电流超过预设电流阈值时产生反馈信号，反馈给所述控制模块103。
进一步地，所述磁编舵机100还包括：电压采样电路111，其中，所述电压采样电路111的第一端口与所述电机105模块电连接，所述电压采样电路111的第二端口与所述控制模块103电连接，所述电压采样电路111用于在检测到所述电机105模块的工作电压超过预设电压阈值时产生反馈信号，反馈给所述控制模块103。
进一步地，所述磁编舵机100还包括：温度采样电路112，其中，所述温度采样电路112的第一端口与所述电机105模块电连接，所述温度采样电路112的第二端口与所述控制模块103电连接，所述温度采样电路112用于在检测到所述电机105模块的温度超过预设温度阈值时产生反馈信号，反馈给所述控制模块103。
进一步地，所述述磁编舵机100还包括电连接于所述控制模块103的报警器，所述报警器根据反馈信号发出报警提示，即当出现温度过高、电压过小或过大、电流过小或过大时，所述控制模块103会控制报警器发出报警信息，以提醒工作人员，进而起到对所述磁编舵机100的保护。所述报警器可以通过提示灯的方式进行报警，或者是通过发出蜂鸣音的方式报警。
可以理解的是，所述舵机100可以应用于智能机器人上，在接收机器人控制指令情况下，舵机100运行进而向机器人的部件输出扭矩，以实现转动动作，同时根据机器人所承受的负载向机器人反馈转动动作。
本发明提供的舵机，包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块，通过将电机外壳接地，将电机产生的空间辐射疏通到参考地，进而减少了舵机中电机所产生的空间辐射，同时，通过第一滤波电路、第二滤波电路也可以减少舵机主板和电机产生的线辐射，从而减小对舵机的外部器件的工作产生的干扰，同时也减小对操作舵机的人员的身体健康的影响。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时包括上述方法实施例中记载的任何一种数据通信方法的部分或全部步骤。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种舵机，其特征在于，所述舵机包括：电源模块、信号端口模块、控制模块、电机驱动电路模块、电机、齿轮组模块、反馈模块；
其中，所述信号端口模块与所述控制模块电连接、所述电源模块与所述控制模块电连接，所述控制模块与所述电机驱动电路模块电连接，所述电机驱动电路模块与所述电机电连接，所述电机与所述齿轮组模块连接，所述电机与所述反馈模块电连接；
所述电源模块用于为所述控制模块提供电源，所述信号端口模块包括电连接于所述控制模块的信号发送串口和信号接收串口，所述信号发送串口用以将所述控制模块的控制信号发送至外部器件，所述信号接收串口用以将外部器件的控制信号发送至所述控制模块，所述电机对外输出扭矩以驱动所述齿轮组模块转动，所述反馈模块检测所述电机的转动角度，产生反馈信号，反馈给所述控制模块，所述控制模块基于所述反馈模块产生的反馈信号，控制所述电机驱动电路模块，进而控制所述电机；
所述电机外壳接地，以减少所述电机的空间辐射。
2.如权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述舵机还包括：第一滤波电路，所述第一滤波电路分别与所述电源模块、所述信号端口模块以及所述控制模块电连接，用于减少连接所述电源模块与所述控制模块、连接所述信号端口模块与所述控制模块之间的导线所产生的线辐射。
3.如权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述电机包括电源线，所述舵机还包括：第二滤波电路，所述第二滤波电路与所述电机的电源线电连接，用于减少所述电机的电源线所产生的线辐射。
4.如权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述反馈模块包括：电位器，
所述电位器电连接于所述电机和所述控制模块，用以检测所述电机的转动角度，并基于所述电机的转动角度产生反馈信号，反馈给所述控制模块。
5.如权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述反馈模块包括：磁铁和磁编码器电路，所述磁铁与所述电机非接触连接，所述磁编码器电路与所述控制模块电连接，所述电机转动带动所述磁铁旋转，所述磁编码器电路基于所述磁铁的旋转角度，产生角度信号，反馈给所述控制模块。
6.如权利要求2所述的舵机，其特征在于，所述第一滤波电路为Π型滤波电路或LC滤波电路。
7.如权利要求3所述的舵机，其特征在于，所述第二滤波电路为Π型滤波电路或LC滤波电路。
8.如权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述信号发送串口用以与另一所述舵机的信号接收串口串联。
9.根据权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述控制模块包括微控制单元，所述微控制单元采用32位或64位数据存储模式。
10.根据权利要求9所述的舵机，其特征在于，所述微控制单元的供电电压为3.3V。
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