CN206226345U - 舵机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种舵机控制系统，其所控制的舵机至少包括电机和输出齿轮，该系统还包括信号滤波电路、芯片控制电路、电流放大电路、电机驱动电路、电机和反馈电路；信号滤波电路对输入的PWM信号滤波后传输给芯片控制电路，芯片控制电路对PWM信号处理后形成方波信号；反馈电路和芯片控制电路电连接，并机械连接于由电机驱动旋转的输出齿轮以产生反馈电压，反馈电压传输至芯片控制电路；芯片控制电路接收反馈电路产生的反馈电压并和方波信号相比较得到电压差，并根据电压差调整所述方波信号，所述电流放大电路将芯片控制电路传输过来的调整后的方波信号放大后形成放大电流，电机驱动电路接收放大电流并驱动电机旋转，电机驱动电路为H桥驱动电路。

Description

舵机控制系统

【技术领域】

本实用新型涉及机械控制领域，特别涉及到一种舵机控制系统。

【背景技术】

近年来，随着机器人和航空模型等领域的不断发展，舵机的使用越来越频繁。舵机实质上是一种伺服电机，可通过PWM信号(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制信号)给定转角信息使舵机带着负载旋转至指定角度，并且能够在指定角度保持、承受一定的扭矩。然而传统的舵机存在在上电启动瞬间不提供PWM信号的情况下，舵机内部电机会由于得到一驱动信号，发生抖动的现象，导致在使用舵机的时候整体稳定性下降。而且传统舵机的驱动功率较低，扭矩过小，在驱动大负载时容易停转而导致内部元器件损坏，影响舵机使用寿命，同时传统舵机在正常工作时电流过大，导致发热严重，效率低下、长时间工作后也会因发热严重而损坏，同时也浪费能源。因此有必要对传统的舵机进行有益的改良。

【实用新型内容】

为克服现有传统舵机存在的上述问题，本实用新型技术提供了舵机控制系统。

本实用新型技术的方案是提供一种舵机控制系统，其所控制的舵机至少包括电机和输出齿轮，所述电机带动输出齿轮旋转，该系统还包括信号滤波电路、芯片控制电路、电流放大电路、电机驱动电路、电机和反馈电路；所述信号滤波电路对输入的PWM信号滤波后传输给芯片控制电路，所述芯片控制电路对PWM信号处理后形成方波信号；所述反馈电路和芯片控制电路电连接，并机械连接于由电机驱动旋转的输出齿轮以产生反馈电压，所述反馈电压传输至芯片控制电路；所述芯片控制电路接收反馈电路产生的反馈电压并和所述方波信号相比较得到电压差，并根据所述电压差调整所述方波信号，所述电流放大电路将芯片控制电路传输过来的调整后的方波信号放大后形成放大电流，所述电机驱动电路接收放大电流并驱动所述电机旋转，所述电机驱动电路为H桥驱动电路。

优选地，所述芯片控制电路包括芯片U1，所述芯片U1型号为KC2463。

优选地，该舵机控制系统进一步包括抖动抑制电路，所述抖动抑制电路包括电容C13,所述电容C13一端接在芯片U1的TT端，所述电容C13另一端接地。

优选地，所述电容C13的电容值为470nF。

优选地，所述信号滤波电路包括电容C8，所述电容C8一端接于芯片U1的INPUT端，所述电容C8另一端接地。

优选地，所述电流放大电路包括第三三极管和第四三极管，所述第三三极管的控制端接于芯片U1的OUT4端，第四三极管的控制端接于芯片U1的OUT2端。

优选地，所述H桥驱动电路包括第一三极管，第二三极管，第五三极管和第六三极管；第三三极管的发射极接于第二三极管的基极，第三三极管的集电极接于第五三极管的基极并通过电阻接地，第二三极管的发射极接于电源，第二三极管的集电极连接于第六三极管的集电极；第四三极管的集电极接于第六三极管的基极并通过电阻接地，第四三极管的发射极接于第一三极管的基极，第一三极管的集电极连接于第五三极管的集电极，第一三极管的发射极接于电源；第五三极管的发射极和第六三极管的发射极通过电阻接地；电机一端接于第二三极管的集电极，另一端接于第一三极管的集电极。

优选地，反馈电路包括电阻R18和滑动变阻器R5，滑动变阻器R5包括三端，其中一端通过电阻接于所述芯片U1的VREG端，所述滑动变阻器R5的另一端通过电阻接地，所述滑动变阻器R5的中间端通过电阻R18接至芯片U1的POT端。

优选地，所述芯片U1的RT端通过电阻R12接地，用来设置所述芯片U1的CL端的充电电流。

优选地，所述电阻R12阻值为18KΩ，所述CL端的充电电流为100μA

与现有技术相比，经实际反复试验测量，本实用新型与传统同类型舵机的舵机控制系统相比，具有以下的有益效果：

1.传统同类型舵机的电机驱动电路多数采用半桥驱动电路，即只有由本实用新型中的第一三极管Q1和第二三极管Q2组成的上半桥电路，甚至有些直接不要三极管驱动，直接通过芯片U1的输出端OUT2和OUT4输出电流至电机两端，导致舵机驱动功率低，扭矩小，只能驱动很小的外部负载，而本实用新型采用由4个三极管构成H型驱动电路，每个三极管工作在饱和开关的状态下时，每个三极管能通过的最大电流可达到1.5A,大大加大了允许通过电机的电流额度，对于提供电机的驱动功率和扭矩提供了更好的方案。即使电机因外部负载过大而停转，三极管也不会因为堵转电流过大而烧掉，对内部芯片进行保护，使得舵机运行周期更长。

2.在传统的舵机电路中，芯片U1的四个输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别与H桥中的第一三极管Q1、第二三极管Q2、第五三极管Q5、第六三极管Q6的基极相连，这样导致占用芯片U1的IO口(输入输出端口，如OUT1、OUT2、OUT3、OUT4)过多，通过芯片U1的电流过大，消耗的功率过大，芯片U1容易发热烧坏。本实用新型通过第三三极管Q3同时控制H桥中的第二三极管Q2和第五三极管Q5的基极，通过第四三极管Q4同时控制H桥中的第一三极管Q1和第六三极管Q6的基极，第三三极管Q3和第四三极管Q4的基极分别连到芯片U1的OUT2和OUT4，只使用两个输出口。另外两个输出口OUT1和OUT3只需通过一个电阻接地，或者直接悬空即可。经实际测量整个芯片工作以后消耗的电流直接降低1/5。芯片发热良好，在30°左右，比传统的舵机电路的温度降低了10°。所以本实用新型电流放大电路中的第三三极管Q3和第四三极管Q4除了与H桥驱动电路中的三极管形成复合管放大驱动电流外，还有简化电路、降低功耗的效果，

3.与传统同类型的舵机相比，由于抖动抑制电路的存在，舵机上电瞬间发生抖动的现象被消除。舵机在实际使用过程中更加平稳，精度更良好。

【附图说明】

图1是舵机的立体结构示意图。

图2是去掉外壳的舵机的立体结构示意图。

图3是舵机控制系统的总体模块电路图。

图4是舵机控制系统中的信号滤波电路、芯片控制电路、反馈电路和抖动抑制电路的电路图。

图5是舵机控制系统中的电流放大电路，电机驱动电路和电机的电路图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1-图2，舵机10包括：外壳11、设置在外壳11外的舵盘12、电机13(或叫马达)、齿轮组14、控制电路板15和电位计16(或叫电位器、滑动变阻器)，舵盘12与外部负载固连，带动负载旋转，外壳11内部形成一空腔，电机13、齿轮组14、控制电路板15和电位计16均收容于所述空腔内。舵机10的工作原理是：控制电路板15接受从外部输入的控制信号控制电机13旋转，电机13带动由若干个相互啮合齿轮组成的齿轮组14旋转，经过齿轮组14的传动作用后，电机13的旋转动作被齿轮组14传输至舵盘12，从而使舵盘12旋转。电机13包括电机轴，齿轮组14包括电机齿轮141、输出齿轮142和中间的若干传动齿轮。电机齿轮141与电机轴啮合经传动齿轮将电机轴的旋转转变为输出齿轮142的旋转，输出齿轮142中穿设有输出轴1421，输出齿轮142通过输出轴1421带动舵盘12旋转，从而舵盘12带动外部负载旋转。电位计16与控制电路板15电连接，且电位计16与输出齿轮142机械连接。电位计16用于检测输出齿轮142旋转角度的大小。即将输出齿轮142旋转过程中的角度变化信号转变为电位计16的电位变化信号，控制电路板15接收该电位变化信号，并对该电位变化信号跟控制信号进行处理后用以控制电机13旋转，从而达到控制输出齿轮142的正转或反转，并精确控制输出齿轮142旋转角度，从而达到控制舵机的舵盘12到达目标位置的目的。

请参阅图3，本实用新型提供一种舵机控制系统20。该舵机控制系统20用于控制舵机10按指定的方向旋转到指定的目标位置，即舵机控制系统20控制舵机10按照预定的方向旋转预定的角度。该舵机控制系统20包括依次连接的信号滤波电路21、芯片控制电路22、电流放大电路23，电机驱动电路24、电机13、输出齿轮142和反馈电路26。

各电路模块的功能概述如下：信号滤波电路21接收外部输入的PWM信号a,PWM信号a中包含有无用信号，所述无用信号是指开关信号和电磁干扰信号，信号滤波电路21滤除PWM信号a中的无用信号后产生PWM信号b，并将PWM信号b传输至芯片控制电路22。芯片控制电路22接收经信号滤波电路21处理得到的PWM信号b，并对接收到的PWM信号b进行处理后得到方波信号c。

反馈电路26一端直接与芯片控制电路22电连接，另一端与输出齿轮142机械连接。电机13带动输出齿轮142旋转，反馈电路26通过检测输出齿轮142的转过的角度产生一反馈电压，并将该反馈电压传输至芯片控制电路22中和上述的方波信号c相比较，比较结果为一电压差，并根据所述电压差调整所述方波信号c形成方波信号d，所述电流放大电路23将芯片控制电路22传输过来的调整后的方波信号d放大后形成放大电流i，并将放大电流i传输给电机驱动电路24。在芯片控制电路22的控制下，放大电流i可驱动电机13交替的正转或者反转。即电机13正转或者反转的角度大小是由电位计16检测得到的反馈电压经反馈电路26输入到芯片控制电路22内部与方波信号c比较后得到的电压差的大小决定的。

舵机10发生抖动现象一般是因为电源电压不足或电源容量过小造成的，虽然大多数情况下电源电路中都有稳压措施，但在电源电压不足或电源容量过小或电机13瞬间受到过大电流冲击时，稳压电路也会受到影响，由此造成电源电压严重波动，舵机控制系统20输出的方波信号d波形失常，引起舵机抖动。本实用新型的舵机控制系统20进一步包括抖动抑制电路27，抖动抑制电路27直接与芯片控制电路22电连接，用于抑制舵机在最初上电的过程中由于受到电源电压的影响而发生的抖动，从而使舵机10上电瞬间发生抖动的现象被消除，舵机10在实际使用过程中旋转更加平稳，控制精度更良好。

请一并参阅图4-图5，图4和图5示出了本实用新型提供的舵机控制系统20各电路模块的具体电路，且仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，其中字母相同的端点代表电连接导通。各电路模块组成元件及元件之间的连接关系详述如下：

芯片控制电路22包括集成电路芯片U1，实施例中，所述芯片U1型号为KC2463。其共包括16个外接端口，如图4所示，16个外接端口根据芯片U1管脚的编号顺序依次包括：

VREG端:其功能是内部稳压源输出，该VREG端通过电阻R4和电阻R21连接于电位器R5的一端，且连接于脉冲展宽电容C3的一端，脉冲展宽电容C3的另一端接地；

CST端：该CST端连接脉冲展宽电阻R8的一端，且通过脉冲展宽电容C7接地；

CDB端：该CDB端通过电容C6接地用于设置死区范围；

INPUT端：用于控制信号输入，本实施例中，PWM信号通过电阻R11输入到芯片U1的INPUT端；

RT端：该RT端通过电阻R12接地，用来设置CL端的充电电流，一实施例中，若电阻R12阻值为18KΩ，则CL端的充电电流为100μA；

CL端：该CL端通过电容C9接地，用于设置内部脉宽；

TT端：该TT端通过电容C13接地，用于消除舵机10上电之初舵机的抖动现象；

POT端:该POT端是反馈电压的输入端，并通过电容C12接地；

GND端:该GND端是接地端；

OUT1-OUT4端:OUT1-OUT4都是芯片U1的电压输出端；

NC端：该NC端悬空；

VCC端：该VCC端是电源输入端；

CFT端：该CFT端通过电容C4接地用来设定最小固定输出脉宽。

信号滤波电路21包括电容C8，具有滤除PWM信号中干扰信号的作用。电容C8一端接在芯片U1的INPUT端，电容C8另一端接地。

电流放大电路23包括第三三极管Q3和第四三极管Q4。芯片U1的OUT4端连接第三三极管Q3的基极(控制端)，第三三极管Q3的集电极经电阻R17接地，第三三极管Q3的发射极经电阻R6连接所述电机驱动电路24并经电阻R6和电阻R1连接电源VCC。芯片U1的OUT2端连接第四三极管Q4的基极(控制端)，第四三极管Q4的集电极经电阻R16接地，第四三极管Q4的发射极经电阻R7连接所述电机驱动电路24并经电阻R7和电阻R2连接电源VCC。第三三极管Q3和第四三极管Q4皆用于放大从芯片U1输出的方波信号d形成放大电流i，以将足够大的放大电流i传输给电机驱动电路24。

如图5所示，电机驱动电路24为一H桥驱动电路(也称全桥驱动电路)，用于驱动电机13旋转。电机13在图3中表示为电机M。电机驱动电路24包括第一三极管Q1，第二三极管Q2，第五三极管Q5和第六三极管Q6。第三三极管Q3的发射极经电阻R6接于第二三极管Q2的基极，第三三极管Q3的集电极接于第五三极管Q5的基极。第二三极管Q2的发射极接于电源VCC，第二三极管Q2的集电极接于第六三极管Q6的集电极。第五三极管Q5的基极通过电阻R17接地。

第四三极管Q4的集电极接于第六三极管Q6的基极并通过电阻R16接地，第四三极管Q4的发射极经电阻R7接于第一三极管Q1的基极。第一三极管Q1的发射极接于电源VCC，第一三极管Q1的集电极接于电机M并接于第五三极管Q5的集电极。

电机M一端接于第二三极管Q2的集电极与第六三极管Q6的集电极，另一端接于第五三极管Q5的集电极和第一三极管Q1的集电极。

当OUT4为高电平、OUT2为低电平时，第三三极管Q3导通，第四三极管Q4截止，于是第二三极管Q2、电机M和第五三极管Q5形成一回路，该回路为控制电机M逆时针旋转的反转回路。

当OUT4为低电平、OUT2为高电平时，第四三极管Q4导通，第三三极管Q3截止，于是第一三极管Q1、电机M和第六三极管Q6形成一回路，该回路为控制电机M顺时针旋转的正转回路。

反馈电路26包括电阻R18和滑动变阻器R5，滑动变阻器R5包括三端，其中一端通过电阻R4和电阻R21接于芯片U1的VREG端。滑动变阻器R5的另外一端通过电阻R3和电阻R20接地，滑动变阻器R5的中间端通过电阻R18接至芯片U1的POT端。同时滑动变阻器R5的中间端跟一传动件固定连接，所述传动件为组成舵机10的部分结构，即舵机10本身包括所述传动件。而传动件跟齿轮组14的输出齿轮142相连。

抖动抑制电路27包括电容C13，电容C13一端直接接到芯片U1的TT端，另一端接地。

舵机控制系统20的控制过程详述如下：

外部的PWM信号在通过芯片U1的INPUT端的输入到芯片U1之前，先通过电容C8滤除PWM信号a的无用信号后得到PWM信号b，PWM信号b通过INPUT端传至芯片U1中，经芯片U1内部逻辑控制、触发、单稳态触发和脉冲展宽后形成方波信号c。所述方波信号从OUT2端或OUT4端输出经放大后通过H桥驱动电路驱动电机M旋转。当电机M旋转的时候，带动齿轮组14旋转，输出齿轮142带动所述传动件旋转，传动件带动滑动变阻器R5的中间端滑动，从而滑动变阻器R5的中间端的电压即反馈电压就会随着电机M旋转而变化，反馈电压通过电阻R18输入到芯片U1中的POT端，跟芯片U1的内部方波信号c进行比较。方波信号c和反馈电压进行比较后，比较结果为一电压差，所述电压差经芯片U1内部处理后得到一组占空比和电压差成正比的方波信号d。通过芯片U1控制OUT2端或OUT4端之一为高电平，另一为低电平实现电机的正反转控制，例如OUT4为高电平，OUT2端为低电平，则反转回路导通，电机M反转；若OUT2端为高电平，OUT4端为低电平，则正转回路导通，电机M正转。

当反馈电压和方波信号c两者相比电压差为0时，芯片U1的OUT2端、OUT4端都为低电平，电机驱动电路24中的正转回路和反转回路都不导通，电机M停止旋转。当反馈电压和方波信号c的电压差为正时，芯片U1的OUT4端为高电平输出方波信号d，OUT2为低电平，H桥驱动电路的反转回路导通，电机M反转。当两者电压差为负时，芯片U1的OUT2端为高电平输出方波信号c，OUT4为低电平，电机驱动电路24中的正转回路导通，电机M正转。不管是反转还是正转，当电机13带动传动件滑动到使得反馈电压和调制电压c的电压差压为0时，即表示舵机10的旋转角度已经到达跟芯片U1的INPUT端输入的PWM信号对应的目标位置，则电机M会立即停止旋转，实现PWM信号控制舵机10旋转到目标位置的目的。

与现有技术相比，经实际反复试验测量，本实用新型与传统同类型舵机的舵机控制系统相比，具有以下的有益效果：

1.传统同类型舵机的电机驱动电路多数采用半桥驱动电路，即只有由本实用新型中的第一三极管Q1和第二三极管Q2组成的上半桥电路，甚至有些直接不要三极管驱动，直接通过芯片U1的输出端OUT2和OUT4输出电流至电机两端，导致舵机驱动功率低，扭矩小，只能驱动很小的外部负载，而本实用新型采用由4个三极管构成H型驱动电路，每个三极管工作在饱和开关的状态下时，每个三极管能通过的最大电流可达到1.5A,大大加大了允许通过电机的电流额度，对于提供电机的驱动功率和扭矩提供了更好的方案。即使电机因外部负载过大而停转，三极管也不会因为堵转电流过大而烧掉，对内部芯片进行保护，使得舵机运行周期更长。

2.在传统的舵机电路中，芯片U1的四个输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别与H桥中的第一三极管Q1、第二三极管Q2、第五三极管Q5、第六三极管Q6的基极相连，这样导致占用芯片U1的IO口(输入输出端口，如OUT1、OUT2、OUT3、OUT4)过多，通过芯片U1的电流过大，消耗的功率过大，芯片U1容易发热烧坏。本实用新型通过第三三极管Q3同时控制H桥中的第二三极管Q2和第五三极管Q5的基极，通过第四三极管Q4同时控制H桥中的第一三极管Q1和第六三极管Q6的基极，第三三极管Q3和第四三极管Q4的基极分别连到芯片U1的OUT2和OUT4，只使用两个输出口。另外两个输出口OUT1和OUT3只需通过一个电阻接地，或者直接悬空即可。经实际测量整个芯片工作以后消耗的电流直接降低1/5。芯片发热良好，在30°左右，比传统的舵机电路的温度降低了10°。所以本实用新型电流放大电路中的第三三极管Q3和第四三极管Q4除了与H桥驱动电路中的三极管形成复合管放大驱动电流外，还有简化电路、降低功耗的效果，

3.与传统同类型的舵机相比，由于抖动抑制电路的存在，舵机上电瞬间发生抖动的现象被消除。舵机在实际使用过程中旋转更加平稳，控制精度更良好。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的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实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.舵机控制系统，其所控制的舵机至少包括电机和输出齿轮，所述电机带动输出齿轮旋转，其特征在于：该系统还包括信号滤波电路、芯片控制电路、电流放大电路、电机驱动电路、电机和反馈电路；

所述信号滤波电路对输入的PWM信号滤波后传输给芯片控制电路，所述芯片控制电路对PWM信号处理后形成方波信号；

所述反馈电路和芯片控制电路电连接，并机械连接于由电机驱动旋转的输出齿轮以产生反馈电压，所述反馈电压传输至芯片控制电路；

所述芯片控制电路接收反馈电路产生的反馈电压并和所述方波信号相比较得到电压差，并根据所述电压差调整所述方波信号，所述电流放大电路将芯片控制电路传输过来的调整后的方波信号放大后形成放大电流，所述电机驱动电路接收放大电流并驱动所述电机旋转，所述电机驱动电路为H桥驱动电路。

2.如权利要求1所述的舵机控制系统，其特征在于：所述芯片控制电路包括芯片U1，所述芯片U1型号为KC2463。

3.如权利要求2所述的舵机控制系统，其特征在于：该舵机控制系统进一步包括抖动抑制电路，所述抖动抑制电路包括电容C13,所述电容C13一端接在芯片U1的TT端，所述电容C13另一端接地。

4.如权利要求3所述的舵机控制系统，其特征在于:所述电容C13的电容值为470nF。

5.如权利要求2所述的舵机控制系统，其特征在于:所述信号滤波电路包括电容C8，所述电容C8一端接于芯片U1的INPUT端，所述电容C8另一端接地。

6.如权利要求2所述的舵机控制系统，其特征在于:所述电流放大电路包括第三三极管和第四三极管，所述第三三极管的控制端接于芯片U1的OUT4端，第四三极管的控制端接于芯片U1的OUT2端。

7.如权利要求6所述的舵机控制系统，其特征在于:所述H桥驱动电路包括第一三极管，第二三极管，第五三极管和第六三极管；

第三三极管的发射极接于第二三极管的基极，第三三极管的集电极接于第五三极管的基极并通过电阻接地；

第二三极管的发射极接于电源，第二三极管的集电极连接于第六三极管的集电极；

第四三极管的集电极接于第六三极管的基极并通过电阻接地，第四三极管的发射极接于第一三极管的基极；

第一三极管的集电极连接于第五三极管的集电极，第一三极管的发射极接于电源；

第五三极管的发射极和第六三极管的发射极通过电阻接地；

电机一端接于第二三极管的集电极，另一端接于第一三极管的集电极。

8.如权利要求2所述的舵机控制系统，其特征在于:反馈电路包括电阻R18和滑动变阻器R5，滑动变阻器R5包括三端，其中一端通过电阻接于所述芯片U1的VREG端，所述滑动变阻器R5的另一端通过电阻接地，所述滑动变阻器R5的中间端通过电阻R18接至芯片U1的POT端。

9.如权利要求2所述的舵机控制系统，其特征在于:所述芯片U1的RT端通过电阻R12接地，用来设置所述芯片U1的CL端的充电电流。

10.如权利要求9所述的舵机控制系统，其特征在于:所述电阻R12阻值为18KΩ，所述CL端的充电电流为100μA。