CN201871239U

CN201871239U - 一种智能机器人舵机驱动器

Info

Publication number: CN201871239U
Application number: CN2010205742965U
Authority: CN
Inventors: 王铁流; 林志杰; 高强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2020-10-15

Abstract

本实用新型是一种智能机器人舵机驱动器，主要用于仿生学机器人舵机中，也可以用于传统航模中，属于机器人控制技术领域。本实用新型针对传统航模舵机存在的无反馈、无过压、过流、过温保护，设计了本实用新型中的驱动器，使舵机具有CAN双向通信，两个外部接口，可以安装在标准舵机内部，具有电机温度、H桥温度、电源电压、电流检测及保护功能，可以设定、存储和读取舵机运行参数。本舵机驱动器包括：CAN总线接口、CAN驱动器、微控制器、两路温度检测装置、一路电源电压检测装置、一路电流检测装置、电机驱动器和电源等。本实用新型结构紧凑，安装方便，智能化高，控制精度高，反应灵敏，可安装在多种型号舵机中作为通用舵机驱动器。

Description

一种智能机器人舵机驱动器

技术领域

本实用新型是一种基于STM32微控制器和CAN总线的机器人舵机数字智能驱动器，主要用于仿生学机器人舵机中，也可以用于汽车、船、飞机模型舵机中，属于机器人控制技术领域。

背景技术

舵机最早用于航空模型中，主要用于调整航模飞机舵面，来控制航模飞机飞行姿态。由于它结构紧凑，体积小，力矩较大，控制较为简单，在仿生学机器人关节上广泛应用。

一般来讲，传统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。

工作原理：控制电路板接收来自信号线的脉宽调制(PWM)信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的控制信号为PWM信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的占空比的PWM信号，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上。

这种传统舵机主要存在以下这些不足：

(1)采用集中式布线控制，不便于分布式控制系统使用，机器人关节众多，

采用集中式控制对主控制器负担重，且布线复杂，易受干扰。

(2)无法反馈舵机状态，不便于机器人获取关节角度、力矩等信息。

(3)无法设定和存储舵机参数，不便于机器人设定关节地址、速度、起始终止位置等信息。

(4)无电压，电流，温度监测和保护，容易在使用中过载造成舵机的永久损坏。

实用新型内容

本实用新型主要针对舵机在机器人上应用存在的以上问题，提供了一种基于STM32微控制器的数字化智能舵机，该舵机具有CAN双向通信，两个外部接口，结构紧凑，可以安装在标准舵机内部(控制器小于等于17×36mm)，结构紧凑，安装方便，智能化高，控制精度高，反应灵敏，可安装在多种型号舵机中作为通用舵机驱动器。

本实用新型具有电机温度、H桥温度、电源电压、电流检测及保护功能，可以设定、存储和读取以下参数：舵机位置、舵机编号、起始终止位置、旋转角度修正、警告温度、PID参数、状态自动反馈速率，电机可以装载或卸载，舵机速度、位置、电机温度、H桥温度、电源电压、电流状态可以实时自动反馈。其具体技术方案如下：

本舵机驱动器包括：CAN总线接口、CAN驱动器、微控制器、两路温度检测装置、一路电源电压检测装置、一路电流检测装置、电机驱动器、稳压电源。CAN总线接口与CAN总线驱动器相连接，用于接收和发送CAN总线信号；CAN驱动器与微控制器相连接；微控制器与电机驱动器相连接；电机驱动器与电机相连接；一路温度传感器固定在电机驱动器上，与微控制器相连接，用于检测电机驱动器温度；另外一路温度传感器固定在电机上，与微控制器相连接，用于检测电机表面温度；电源电压检测装置，一端并连在电源两端，另外一端与微控制相连接；电流检测装置，一端与电机驱动器相连接，另外一端与微控制器相连接，用于检测通过电机驱动器的电流大小；位置电位器与微控制器相连接，用于检测舵机的位置，其中位置电位器位于航模舵机主体内部；电源芯片分别给各个芯片电路供电。

本发明的工作原理如下：

上位机发送命令给CAN总线，舵机驱动器结点接收到信号之后由微控制器处理执行对应命令，微控制器通过CAN总线给上位机发送反馈数据；微控制器实时采集并可以发送电位器的位置信号、电机驱动器温度传感器信号、电机温度传感器信号、电源电压检测装置信号、电流传感器信号；微控制器根据上位机发送的位置命令，实时控制电机正向或反向旋转，最终旋转到命令指定位置；微控制器可以接收、存储或者发送舵机参数：地址、启动位置、旋转角度修正、自动反馈速率、电机警告温度、电机驱动器警告温度、运行最高电压值、最低电压值、最高电流值、PID参数(PID的P参数、I参数、D参数、死区大小)、旋转最大位置、旋转最小位置、PWM输出最大值、PWM输出最小值、电机是否卸载：微控制器根据电压检测装置，测得电压值大于最高电压设定值时，或者电压值小于最低电压设定值时，卸载电机，通过上位机发送命令恢复；微控制器根据电流检测装置，测得电流大于最高电流设定值时，卸载电机，通过上位机发命令恢复；位置电位器采样精度为12位。

本发明较传统舵机驱动器有如下优势：

(1)集成度高，性能可靠，结构紧凑，可内置于标准舵机中。

(2)采用CAN总线接口，双向通信，方便数据传输，每个舵机驱动器作为一个节点，形成分布式结构，留有两个总线接口，节点可以并联或者串联在一起，灵活多变，大大简化布线。

(3)本舵机驱动器具有过压，过流，过温自动保护，在超过额定值时，实施保护，卸载电机，延长系统寿命。

(4)STM32F103微控制器具有72MHz主频，处理速度快，内部AD具有12位的高精度采集，最高1MHz转换速率。

(5)STM32F103微控制器可以接收、存储或者发送舵机设置参数。

(6)可以实时反馈电位器的位置信号、电机驱动器温度传感器信号、电机温度传感器信号、电源电压检测装置信号、电流传感器信号，便于监控。

附图说明

图1本实用新型的电路结构图

图2本实用新型的组装结构图

图3本实用新型的接口示意图

图中：1、舵机驱动器，2、稳压电源，3、电源电压检测装置，4、CAN总线驱动器，5、低通滤波器，6、电位器，7、微控制器，8、Flash存储，9、信号调理电路，10、电机H桥驱动器，11、电机驱动器，12、电机温度检测装置，13、电流检测装置，14、电机驱动器温度检测装置，15、直流电机，16、航模舵机主体，17、电机的温度传感器，18、电机驱动器的温度传感器，19、航模舵机底盖，20、总线接口，21、航模舵机固定螺丝，22、电源(VCC)，23、地(GND)，24、CAN总线H(CANH)，25、CAN总线L(CANL)

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图2所示，本实例由三大部分组成：航模舵机主体16、舵机驱动器1、航模舵机底盖19。其中直流电机15和电位器6位于航模舵机主体16中，舵机驱动器1安装在航模舵机主体16的空腔内，底部由航模舵机底盖19密封，即舵机驱动器1完全安装在航模舵机内部，使用航模舵机固定螺丝21固定航模舵机主体16、舵机驱动器1和航模舵机底盖19。

直流电机15的电路接口与电机驱动器11输出接口相连接。电机驱动器的温度传感器18紧挨着电机驱动器11，表面采用铜片连接，起到导热的作用，用来实时采集电机驱动器的温度。电机的温度传感器17贴在直流电机15表面，电机的温度传感器17接口与舵机驱动器1对应的温度传感器接口连接，用于实时采集电机表面的温度。

电位器6与舵机驱动器1的电位器接口连接，用于实时采集电位器6的数值。总线接口20固定在舵机驱动器1的一端。如图3所示，总线接口20包括：电源(VCC)22，地(GND)23，CAN总线H(CANH)24，CAN总线L(CANL)25，用于连接上位机或者其它舵机总线，其中电源(VCC)22和地(GND)23部分给舵机提供电源，CAN总线用于接收命令或者发送舵机状态设置信息，该接口包含两个总线接口，方便连接上下级。

总线接口20与CAN总线驱动器4连接，如图1所示，CAN总线驱动器4与微控制器7连接，用于发送和接收CAN总线数据。总线接口20的电源部分与稳压电源2连接，用于给舵机控制器1上的芯片电路供电，电源电压检测装置3并联在电源(VCC)22，地(GND)23两端，电源电压检测装置与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电源电压大小。

电位器6通过低通滤波器5与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电位器6的数值。

电机温度检测装置12包括电机的温度传感器17，电路接口与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电机表面温度。电机驱动器温度检测装置14包括电机驱动器的温度传感器18，电路接口与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电机驱动器11表面温度。

电机驱动器11由信号调理电路9与电机H桥驱动器10组成，微控制器7通过两路PWM控制电机驱动器11，电机驱动器11与直流电机15接口连接，用于驱动直流电机15正向反向旋转或者停止。电流检测装置13串联在电源(VCC)22和电机H桥驱动器10之间，其输出端与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电机H桥驱动器电流的大小。

微控制器7使用的是STM32F103微控制器，内部带有Flash存储8，用于存储舵机的配置信息，微控制器7可以根据上位机通过CAN总线发来的命令，写入或者读取配置信息。微控制器7内部带有12位精度的A/D转换器，用于采集各传感器数据。

微控制器7通过电机驱动器11控制直流电机15旋转，同时带动电位器6旋转，微控制器7通过实时采集电位器6的数值和设定值进行比较，直至旋转到设定值时，停止直流电机15旋转。

微控制器7实时采集来自电源电压检测装置3、电机驱动器温度检测装置14、电机温度检测装置12、电流检测装置13的信号，与设定的极限值进行比较，当超过极限值时，卸载直流电机15，即电机驱动器11停止给直流电机15供电。

本舵机驱动器1结构非常紧凑，可以安装在标准航模舵机内部，带有电流、电压、温度保护装置，功能多，系统稳定，应用灵活，满足一般机器人关节的应用需要。

Claims

1.一种智能机器人舵机驱动器，其特征在于：包括CAN总线接口、CAN总线驱动器(4)、微控制器(7)、两路温度检测装置、一路电源电压检测装置、一路电流检测装置、电机驱动器和稳压电源，其中：

CAN总线接口与CAN总线驱动器(4)相连接，用于接收和发送CAN总线信号，CAN驱动器与微控制器(7)相连接；

所述电机驱动器包括信号调理电路（9）和电机H桥驱动器(10)，微控制器通过信号调理电路与电机H桥驱动器(10)相连接，电机H桥驱动器(10)与电机相连接；

所述两路温度检测装置为两路温度传感器，一路温度传感器固定在电机驱动器上，与微控制器相连接，用于检测电机驱动器温度；另一路温度传感器固定在电机上，与微控制器相连接，用于检测电机表面温度；

所述电源电压检测装置，一端并连在电源两端，另外一端与微控制相连接；

所述电流检测装置，一端与电机驱动器相连接，另外一端与微控制器相连接，用于检测通过电机驱动器的电流大小；

所述位置电位器与微控制器相连接，将检测到的舵机位置信号传送给微控制器；

稳压电源为以上各部分提供电源。