CN107689754B - 一种舵机位置信息处理方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供舵机位置信息处理方法及系统，将舵机速度环传感器直连在电机轴上，实现对电机转速的测试。电机输出轴通过减速机构与舵片相连接，实现对舵片的控制。舵机在每次使用前，采用机械调零方式，将舵片对准机械零位，然后舵机上电。舵机上电后，速度环编码器将定时采集T周期内的编码器码值n，通过转换可得到当前周期内电机转速，结合减速器的减速比通过转换可得到当前周内舵机的偏转角度，进而得到舵机当前的位置，实现无位置传感器的电动舵机位置的估计，舵机不需要位置传感器，通过转换公式便可实现电动舵机位置的估计，降低了电动舵机的成本、体积、重量。

Description

一种舵机位置信息处理方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种舵机位置信息处理方法及系统。
背景技术
舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型，遥控机器人中已经得到了普遍应用。
舵机主要是由外壳、电路板、驱动马达、减速器与位置检测元件所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。
电动舵机是飞行器的执行机构，主要用于控制舵片偏转，控制飞行器的姿态、航向等。目前，电动舵机多采用速度环、位置环双环控制策略，速度环多采用编码器作为速度传感器，位置环多采用电位计或编码器作为位置传感器。双传感器控制方案虽然能提高位置环控制精度，但引入位置环传感器增加成本和电动舵机的体积、重量，为此本发明提供一种无位置环传感器的电动舵机位置估计方法，既降低成本，也减小电动舵机尺寸和重量。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种舵机位置信息处理方法及系统，无位置环传感器也可计算出舵机位置，既降低成本，也减小电动舵机尺寸和重量。
第一方面，本发明提供一种舵机位置信息处理方法，所述舵机包括安装在电机轴上用于测量T周期内电机旋转的角速度或速度的编码器以及安装在电机输出端的减速器，所述方法包括：
获取所述编码器的线数值m；
获取所述减速器的减速比j；
根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，其中，所述第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n为第二时刻T(k-1)与第一时刻T(k)之间的编码器码值变化范围，第一时刻晚于第二时刻；
根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置。
可选地，所述根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，包括：
根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算第一时刻T(k)的电机转速v电机转速(k)，计算公式如下
可选地，所述根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置，包括：
根据所述第二时刻的舵机位置值θ舵机位置(k-1)、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算得到T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)，计算公式如下：
可选地，所述获取所述编码器的线数值m之前，所述方法还包括：
对所述舵机进行机械调零。
可选地，所述对所述舵机进行机械调零，包括：
通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，以使得舵机的舵片对准机械零位。
第二方面，本发明提供一种舵机位置信息处理系统，所述舵机包括安装在电机轴上用于测量T周期内电机旋转的角速度或速度的编码器以及安装在电机输出端的减速器，所述方法包括：
获取单元，用于获取所述编码器的线数值m；
所述获取单元，还用于获取所述减速器的减速比j；
处理单元，用于根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，其中，所述第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n为第二时刻T(k-1)与第一时刻T(k)之间的编码器码值变化范围，第一时刻晚于第二时刻；
所述处理单元还用于根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置。
可选地，所述处理单元具体用于：
根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算第一时刻T(k)的电机转速v电机转速(k)，计算公式如下
可选地，所述处理单元具体用于：
根据所述第二时刻的舵机位置值θ舵机位置(k-1)、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算得到T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)，计算公式如下：
可选地，所述系统还包括：
调整单元，用于对所述舵机进行机械调零。
可选地，所述调整单元具体用于：
通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，以使得舵机的舵片对准机械零位。
本发明提供舵机位置信息处理方法及系统，将舵机速度环传感器直连在电机轴上，实现对电机转速的测试。电机输出轴通过减速机构与舵片相连接，实现对舵片的控制。舵机在每次使用前，采用机械调零方式，将舵片对准机械零位，然后舵机上电。舵机上电后，速度环编码器将定时采集T周期内的编码器码值n，通过转换可得到当前周期内电机转速，结合减速器的减速比通过转换可得到当前周内舵机的偏转角度，进而得到舵机当前的位置，实现无位置传感器的电动舵机位置的估计，舵机不需要位置传感器，通过转换公式便可实现电动舵机位置的估计，降低了电动舵机的成本、体积、重量。
附图说明
图1是本发明实施例中一种舵机位置信息处理方法的流程图；
图2是本发明实施例中一种舵机位置信息处理系统的结构图；
图3是本发明实施例中一种舵机位置信息处理系统的控制示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1和图2所示，本发明提供一种舵机位置信息处理方法，所述舵机包括安装在电机轴上用于测量T周期内电机旋转的角速度或速度的编码器以及安装在电机输出端的减速器，所述方法包括：
S101、获取所述编码器的线数值m；
S102、获取所述减速器的减速比j；
S103、根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，其中，所述第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n为第二时刻T(k-1)与第一时刻T(k)之间的编码器码值变化范围，第一时刻晚于第二时刻；
S104、根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置。
需要说明的是，编码器的线数值m以及减速器的减速比j可以根据需要进行灵活限定，对此不做限定。
在本方法中，将舵机速度环传感器直连在电机轴上，实现对电机转速的测试。电机输出轴通过减速机构与舵片相连接，实现对舵片的控制。舵机在每次使用前，采用机械调零方式，将舵片对准机械零位，然后舵机上电。舵机上电后，速度环编码器将定时采集T周期内的编码器码值n，通过转换可得到当前周期内电机转速，结合减速器的减速比通过转换可得到当前周内舵机的偏转角度，进而得到舵机当前的位置，实现无位置传感器的电动舵机位置的估计，舵机不需要位置传感器，通过转换公式便可实现电动舵机位置的估计，降低了电动舵机的成本、体积、重量。
可选地，所述根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，包括：
根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算第一时刻T(k)的电机转速v电机转速(k)，计算公式如下：
可选地，所述根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置，包括：
根据所述第二时刻的舵机位置值θ舵机位置(k-1)、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算得到T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)，计算公式如下：
可选地，所述获取所述编码器的线数值m之前，所述方法还包括：
S100、对所述舵机进行机械调零，具体地，可以通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，使得舵机的舵片对准机械零位，在进行舵机位置计算时候降低计算结果的误差。
结合多级位置信息处理方法，本方法的一种实施例的具体实施步骤如下：
步骤一：安装电机速度传感器
如附图1所示，将编码器固定在电动舵机的电机轴上，使用编码器可准确测量T周期内电机旋转的角速度或速度，编码器为m线。
步骤二：安装减速器
将减速器固定在电机的输出轴上，减速器的输出端与舵片直连，电机通过减速器带动舵片偏转，减速器的减速比为j。
步骤三：传感器数据转换
设定编码器线数为m，采样周期为T，T(k)时刻编码器码值变化量为n，减速器减速比为j，则利用下述计算公式可计算得到T(k)电机的转速v电机转速(k)。
利用下述计算公式可计算得到T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)。
其中，θ舵机位置(k-1)为舵机T(k-1)时刻舵机位置。
步骤四：舵机调零
通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，使舵机的舵片对准机械零位。
通过采用本发明提供的舵机位置信息处理方法，通过编码器和减速器即可计算出舵机的位置，不需要使用位置传感器，可以有效降低舵机的成本，减小舵机的体积，同时还可以提高控制精度。
对应地，本发明实施例中还提供一种舵机位置信息处理系统，所述舵机包括安装在电机轴上用于测量T周期内电机旋转的角速度或速度的编码器以及安装在电机输出端的减速器，所述方法包括：
获取单元，用于获取所述编码器的线数值m；
所述获取单元，还用于获取所述减速器的减速比j；
处理单元，用于根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，其中，所述第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n为第二时刻T(k-1)与第一时刻T(k)之间的编码器码值变化范围，第一时刻晚于第二时刻；
所述处理单元还用于根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置。
可选地，所述处理单元具体用于：
根据所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算第一时刻T(k)的电机转速v电机转速(k)，计算公式如下
可选地，所述处理单元具体用于：
根据所述第二时刻的舵机位置值θ舵机位置(k-1)、所述线数值m、减速比j、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n计算得到T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)，计算公式如下：
可选地，所述系统还包括：
调整单元，用于对所述舵机进行机械调零。
可选地，所述调整单元具体用于：
通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，以使得舵机的舵片对准机械零位。
结合图3所示，舵机位置信息处理系统除包括上述单元外，还包括舵机伺服系统控制器、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)驱动器、无刷直流电机、减速器、速度传感器，其中舵机伺服系统控制器包括位置控制器、速度控制器。舵机伺服系统控制器主要用于接收舵机偏转指令，并进行处理后，输出PWM波至PWM驱动器，驱动无刷直流电机旋转，通过减速器带动舵面旋转。
按照本发明完成上述设计后，给舵机上电发送舵机指令，舵机根据上述设计及转换公式可以实现舵机速度及位置的估计，进而实现舵机速度环位置环的双环控制。
本发明的舵机不需要位置环传感器，通过速度环传感器可以估计出舵机位置角度，可以有效降低电动舵机的成本、体积等，同时此方法的控制精度可精确到0.1～0.2度。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种舵机位置信息处理方法及系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种舵机位置信息处理方法，其特征在于，所述舵机包括安装在电机轴上用于测量T周期内电机旋转的角速度或速度的编码器以及安装在电机输出端的减速器，所述方法包括：
获取所述编码器的线数值m；
获取所述减速器的减速比j；
根据所述线数值m、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，其中，所述第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n为第二时刻T(k-1)与第一时刻T(k)之间的编码器码值变化范围，第一时刻晚于第二时刻；
所述第一时刻T(k)的电机转速v电机转速(k)的计算公式如下：
根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置：
所述T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)，计算公式如下：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述编码器的线数值m之前，所述方法还包括：
对所述舵机进行机械调零。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述舵机进行机械调零，包括：
通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，以使得舵机的舵片对准机械零位。
4.一种舵机位置信息处理系统，其特征在于，所述舵机包括安装在电机轴上用于测量T周期内电机旋转的角速度或速度的编码器以及安装在电机输出端的减速器，所述舵机位置信息处理系统包括：
获取单元，用于获取所述编码器的线数值m；
所述获取单元，还用于获取所述减速器的减速比j；
处理单元，用于根据所述线数值m、采样周期T及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的电机转速，其中，所述第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n为第二时刻T(k-1)与第一时刻T(k)之间的编码器码值变化范围，第一时刻晚于第二时刻；
所述第一时刻T(k)的电机转速v电机转速(k)的计算公式如下：
所述处理单元还用于根据所述第二时刻的舵机位置值、所述线数值m、减速比j及第一时刻T(k)所述编码器码值变化量n确定所述第一时刻T(k)的舵机所在位置；
所述T(k)时刻舵机位置θ舵机位置(k)，计算公式如下：
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
调整单元，用于对所述舵机进行机械调零。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调整单元具体用于：
通过舵片或外部电位计对舵机进行机械调零，以使得舵机的舵片对准机械零位。
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