一種數(shù)字舵的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種數(shù)字舵機，其包括：直流電機；角度傳感器，其感測所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度；控制電路板，其控制所述直流電機的轉(zhuǎn)動并接收所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值；其中，所述控制電路板控制所述直流電機執(zhí)行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根據(jù)所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值調(diào)節(jié)所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度在0-300度的范圍內(nèi)任意停止；所述第二控制模式是所述直流電機連續(xù)轉(zhuǎn)動360度。本發(fā)明所述的數(shù)字舵機最大的發(fā)明點在于集傳統(tǒng)舵機兩種控制模式于一身，使其應(yīng)用范圍擴大，消除了其實際應(yīng)用的局限性；其次采用異步串行總線與上位機進行通訊，簡化了上位機端的控制線路，降低了上位機的資源占用。
【專利說明】一種數(shù)字舵機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于小型輪、機器人驅(qū)動、小型仿人及仿生機器人關(guān)節(jié)以及需要進行位置控制的工業(yè)自動化領(lǐng)域，尤其涉及一種數(shù)字舵機。

【背景技術(shù)】
[0002]舵機，顧名思義是控制舵面的電動機。舵機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構(gòu)的動力來源。舵機最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。不僅在航模飛機中，在其他的模型運動中都可以看到它的應(yīng)用:船模上用來控制舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成:舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。舵機的輸入線共有三條:位于中間的紅色是電源線，一邊黑色的是地線，這兩根線給舵機提供最基本的能源保證，主要是電機的轉(zhuǎn)動消耗，而電源有兩種規(guī)格，一種是4.8乂，一種是6.分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)；另外一根線是控制信號線，舵機的控制信號為周期是20-的脈寬位置調(diào)制$91)信號，其中脈沖寬度通常從0.51118-2.508，相對應(yīng)輸出軸的位置為0-180度，呈線性變化。也就是說，給控制引腳提供一定的脈寬(111電平，07/57),它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。
[0003]由此可見，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍一般不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當(dāng)中。比方說機器人的關(guān)節(jié)、飛機的舵面等。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，特別是教育可重構(gòu)機器人技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的舵機技術(shù)逐漸滿足不了需求，如重構(gòu)機器人要求執(zhí)行單元不但能做角度轉(zhuǎn)動，在某種情況下還需要做圓周運動等，同時，在用到多個舵機的情況下，整個系統(tǒng)的控制及布線顯得繁瑣且可靠性不能得以保證，在這種情況下，數(shù)字舵機應(yīng)運而生。
[0004]數(shù)字舵機區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬舵機，模擬舵機需要給它不停的發(fā)送1^1信號，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個速度轉(zhuǎn)動，數(shù)字舵機則只需要發(fā)送一次？麗信號就能保持在規(guī)定的某個位置。因此數(shù)字舵機的出現(xiàn)得以實現(xiàn)48路舵機控制器的實現(xiàn)。按照舵機的轉(zhuǎn)動角度分為180度舵機和360度舵機。其中180度舵機只能在0度到180度之間運動，超過這個范圍，舵機就會出現(xiàn)超量程的故障，輕則齒輪打壞，重則燒壞舵機電路或者舵機里面的電機。而360度舵機轉(zhuǎn)動的方式和普通的電機類似，可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動，不過我們只可以控制它轉(zhuǎn)動的方向和速度，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動角度。數(shù)字舵機從根本顛覆了舵機的控制電路板體系，相對于傳統(tǒng)模擬舵機，數(shù)字舵機的兩個優(yōu)勢是:其一、因為微處理器的關(guān)系，數(shù)字舵機可以在將動力脈沖發(fā)送到舵機馬達(dá)之前，對輸入的信號根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進行處理。這意味著動力脈沖的寬度，就是說激勵馬達(dá)的動力，可以根據(jù)微處理器的程序運算而調(diào)整，以適應(yīng)不同的功能要求，并優(yōu)化舵機的性能；其二、數(shù)字舵機以高得多的頻率向馬達(dá)發(fā)送動力脈沖。就是說，相對與傳統(tǒng)的50脈沖/秒，現(xiàn)在是300脈沖/秒。雖然因為頻率高的關(guān)系，每個動力脈沖的寬度被減小了，但馬達(dá)在同一時間里收到更多的激勵信號，并轉(zhuǎn)動得更快。這也意味著不僅僅舵機馬達(dá)以更高的頻率響應(yīng)發(fā)射機的信號，而且“無反應(yīng)區(qū)”變小；反應(yīng)變得更快；加速和減速時也更迅速、更柔和；數(shù)字舵機提供更高的精度和更好的固定力量。此外還有防抖動，響應(yīng)速度快的優(yōu)點。
[0005]從上文可以看到，一般的數(shù)字舵機，雖然解決了傳統(tǒng)舵機的控制問題，但其轉(zhuǎn)動角度范圍還是只有180度，同時對于一臺數(shù)字舵機要么是在角度可控模式即位置控制模式(在正負(fù)90度調(diào)節(jié)或是0-180度)，要么就是電機模式(360度旋轉(zhuǎn))，二者沒有得到很好的兼顧，使其在實際應(yīng)用中受到很大的局限性。
[0006]進一步的是，對于傳統(tǒng)的數(shù)字舵機還具有以下待解決的技術(shù)問題:
[0007]其一、傳統(tǒng)舵機無反饋，不能形成閉環(huán)控制，使得控制系統(tǒng)精度低，可靠性差；
[0008]其二、傳統(tǒng)舵機每裝一個電機都需要一路？？1單獨控制，上位機控制電路復(fù)雜，資源占用較多；
[0009]其三、傳統(tǒng)舵機每一個都要連接到控制電路上，如果使用的較多布線比較復(fù)雜、繁多，易造成信號干擾，穩(wěn)定性較差；
[0010]其四、傳統(tǒng)舵機無溫度、負(fù)載、電壓等反饋和保護。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明基于現(xiàn)有數(shù)字舵機存在的上述缺陷，提供了一種新型的數(shù)字舵機，該舵機最大的發(fā)明點在于集傳統(tǒng)舵機兩種控制模式于一身，使其應(yīng)用范圍擴大，消除了其實際應(yīng)用的局限性。
[0012]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0013]一種數(shù)字舵機，其包括:
[0014]直流電機；
[0015]角度傳感器，其感測所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度；
[0016]控制電路板，其控制所述直流電機的轉(zhuǎn)動并接收所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值；其中，
[0017]所述控制電路板控制所述直流電機執(zhí)行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根據(jù)所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值調(diào)節(jié)所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度在0-300度的范圍內(nèi)任意停止；所述第二控制模式是所述直流電機連續(xù)轉(zhuǎn)動360度。
[0018]優(yōu)選的是，所述數(shù)字舵機還包括:
[0019]上位機，其與所述控制電路板通過串行通訊總線進行通訊連接，用于向所述控制電路板發(fā)送控制信號，一臺上位機與不超過254個的所述控制電路板通訊連接。
[0020]優(yōu)選的是，所述直流電機的供電電壓為5-127，且所述控制電路板中含有1⑶模塊，其供電電壓為〖V，來自于所述直流電機的供電電能。
[0021]優(yōu)選的是，所述1⑶模塊通過？10算法發(fā)送？麗信號，所述？麗信號通過橋驅(qū)動來控制直流電機在上述兩種控制模式下工作。
[0022]優(yōu)選的是，所述1⑶模塊根據(jù)反饋信息控制直流電機，所述反饋信息包括上述角度轉(zhuǎn)動值，還包括轉(zhuǎn)動速度值、系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)溫度；
[0023]其中，所述模塊還與報警模塊通訊連接，其根據(jù)所述反饋信息控制報警模塊是否發(fā)出報警信息。
[0024]優(yōu)選的是，所述1⑶模塊為采用跳“腕職8做為主控芯片。
[0025]優(yōu)選的是，所述串行通訊總線采用異步串行通訊方式，通過以奶異步串行接口統(tǒng)一控制，每個舵機的控制電路板設(shè)定不同的節(jié)點地址，多個舵機的控制電路板選擇性地采用統(tǒng)一運動方式或單個獨立控制。
[0026]優(yōu)選的是，在所述第二控制模式中，所述控制電路板控制所述直流電機作為直流減速電機，連續(xù)轉(zhuǎn)動360度。
[0027]本發(fā)明所提供的數(shù)字舵機具備以下有益效果:
[0028]其一、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機集兩種工作模式于一身，即根據(jù)角度傳感器檢測的電機轉(zhuǎn)動角度值設(shè)置的位置控制模式(即第一控制模式)和可360度連續(xù)轉(zhuǎn)動的電機控制模式(即第二控制模式)，且在位置控制模式下，該數(shù)字舵機擁有0-300。的轉(zhuǎn)動范圍，在此范圍內(nèi)具備精確位置控制性能，速度可調(diào)；而在電機控制模式下，該數(shù)字舵機可以作為直流減速電機使用，速度可調(diào)；兩種工作控制模式可以根據(jù)需要任意調(diào)整；
[0029]其二、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機可根據(jù)包括直流電機當(dāng)前角度轉(zhuǎn)動值、轉(zhuǎn)動速度值、系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)溫度在內(nèi)的反饋信息進行直流電機的控制，不僅在舵機內(nèi)部形成了閉環(huán)控制，使得控制系統(tǒng)精度提高，可靠性增強，還使得舵機不至于因溫度過高、負(fù)載過大和過壓欠壓等因素受到損壞，起到了對直流電機的保護作用；
[0030]其三、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機通過串行通訊總線與上位機進行通訊連接，使得一臺上位機可與不超過254個的本發(fā)明提供的數(shù)字舵機控制電路板通訊連接，其大大簡化了上位機控制電路，降低了上位機的資源占用；
[0031]其四、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機采用異步串行總線通訊方式，通過口八尺I異步串行接口統(tǒng)一控制，且為多個舵機時，每個舵機可以設(shè)定不同的節(jié)點地址，多個舵機可以統(tǒng)一運動也可以單個獨立控制；這樣就會減少繁雜的布線，從而避免因布線繁瑣所造成的信號干擾，穩(wěn)定性差的缺陷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明所述的數(shù)字舵機的原理框圖；
[0033]圖2為本發(fā)明所述的數(shù)字舵機與上位機通訊時的其中一個實施例的以奶電路原理圖。

【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0035]這里，本發(fā)明首先對出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語進行解釋一下:
[0036]？？1 (^11186 ？0811:1011 10(1111^1:1011):是一種脈沖位置根據(jù)被調(diào)信號的變化而變化的調(diào)制方法。:在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱？10控制，又稱？10調(diào)節(jié)。？10控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明提供一種數(shù)字舵機，其包括:直流電機；角度傳感器，其感測所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度；控制電路板，其控制所述直流電機的轉(zhuǎn)動并接收所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值；其中，所述控制電路板控制所述直流電機執(zhí)行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根據(jù)所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值調(diào)節(jié)所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度在0-300度的范圍內(nèi)任意停止；所述第二控制模式是所述直流電機連續(xù)轉(zhuǎn)動360度?？梢?，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機具備了兩種工作模式，可簡稱為位置控制模式(即第一控制模式)和電機控制模式(即第二種控制模式)，從圖1中可看到，當(dāng)數(shù)字舵機控制直流電機執(zhí)行位置控制模式時，其是根據(jù)直流電機當(dāng)前的轉(zhuǎn)動角度值進行控制的，即通過角度傳感器監(jiān)測的電機轉(zhuǎn)動角度，反饋給形成閉環(huán)，進而進行直流電機的控制。
[0038]進一步的是，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機還包括:上位機，其與所述控制電路板通過串行通訊總線進行通訊連接，用于向所述控制電路板發(fā)送控制信號，一臺上位機與不超過254個的所述控制電路板通訊連接。其中所述串行通訊總線采用異步串行通訊方式，通過以尺丁異步串行接口統(tǒng)一控制，每個舵機的控制電路板設(shè)定不同的節(jié)點地址，多個舵機的控制電路板選擇性地采用統(tǒng)一運動方式或單個獨立控制。該設(shè)計大大簡化了上位機控制電路，降低了上位機的資源占用，而且采用異步串行通訊的方式，減少了繁雜的布線，從而避免因布線繁瑣所造成的信號干擾，穩(wěn)定性差的缺陷。
[0039]本發(fā)明中所述直流電機的供電電壓為5-127，且所述控制電路板中含有1⑶模塊，其供電電壓為〖V，來自于所述直流電機的供電電能。參見圖1，其中系統(tǒng)電壓模塊為外部供電電壓，電壓范圍在6-127，其中還包括有訊電壓模塊，其用于將系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)化成5乂以向10^供電。而從圖中可以看到，系統(tǒng)電壓還作為電機的供電電壓，因此這里所說此口模塊的供電電壓來自于所述直流電機的供電電能。
[0040]如圖1所述，所述1⑶模塊通過？10算法發(fā)送？麗信號，所述？麗信號通過橋驅(qū)動電路來控制直流電機在上述兩種控制模式下工作。這里所說的II橋驅(qū)動電路是本領(lǐng)域所熟知的直流電機驅(qū)動電路，所以這里不做詳細(xì)介紹。
[0041]本發(fā)明所提供的數(shù)字舵機為了實現(xiàn)對直流電機的保護，還內(nèi)置有溫度、電壓、負(fù)載檢測模塊，如圖1所示，這些檢測模塊均電連接至所述模塊，因此，本發(fā)明中還包括:所述101模塊根據(jù)反饋信息控制直流電機，所述反饋信息包括上述角度轉(zhuǎn)動值，還包括轉(zhuǎn)動速度值、系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)溫度；其中，所述模塊還與報警模塊通訊連接，其根據(jù)所述反饋信息控制報警模塊是否發(fā)出報警信息。即當(dāng)出現(xiàn)比如說溫度過高、系統(tǒng)負(fù)載過大、電壓過小或過大時，所述模塊會控制報警模塊發(fā)出報警信息，以提醒工作人員，進而起到對直流電機的保護?？赏ㄟ^設(shè)置系統(tǒng)檢測指示燈來實現(xiàn)，在整個系統(tǒng)不正常時紅燈報警；也可以通過設(shè)置蜂鳴器等方式來進行報警。
[0042]本發(fā)明在所述第二控制模式中，所述控制電路板控制所述直流電機作為直流減速電機，連續(xù)轉(zhuǎn)動360度。即相當(dāng)于在圖1中的直流電機處還包括有金屬減速齒輪組，通過減速齒輪組來實現(xiàn)電機的減速。其中所述減速齒輪組用于將所述電機的高轉(zhuǎn)速、低扭矩輸出轉(zhuǎn)化為低轉(zhuǎn)速、高扭矩輸出。
[0043]本發(fā)明中所述1⑶模塊為采用謂？…郵職8做為主控芯片，其對外通過半雙工串口接受以奶總線通訊協(xié)議，一方面轉(zhuǎn)化為控制指令控制電機運動，另一方面反饋舵機狀態(tài)，如轉(zhuǎn)動角度、轉(zhuǎn)動速度、系統(tǒng)電壓、負(fù)載、溫度；對內(nèi)通過？10算法輸出？麗信號通過!I橋驅(qū)動來控制電機，并監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。而從圖1右下角也可以看到，其包括半雙工串口模塊，作為該數(shù)字舵機的通訊總線，舵機通過它接受或上傳協(xié)議。同時，參見圖1，其還包括數(shù)字舵機三線接口，即電源線接口、接地線接口和控制信號接口，每個舵機上有兩個，串聯(lián)在一起，可以使每個舵機都可以連接在一起，只有一個舵機直接連到控制器上統(tǒng)一控制。
[0044]總的來說，本發(fā)明提供的數(shù)字舵機本體內(nèi)包含一個小型控制系統(tǒng)，其功能分別如下:
[0045]其一、內(nèi)含電壓模塊，可將電機供電電壓5-127轉(zhuǎn)化為訊向1(11供電；
[0046]其二、所述模塊結(jié)合電位器反饋及？10算法對電機控制形成閉環(huán)，結(jié)合傳感器對舵機進行過壓、過熱、過載、欠壓檢測并保護；
[0047]其三、有系統(tǒng)檢測指示燈，在整個系統(tǒng)不正常時紅燈報警；
[0048]其四、采用異步串行總線通訊方式，可與不超過254個數(shù)字舵機通過總線組成鏈型，通過以奶異步串行接口統(tǒng)一控制。每個舵機可以設(shè)定不同的節(jié)點地址，多個舵機可以統(tǒng)一運動也可以單個獨立控制；
[0049]其四、通訊指令集開放，通過異步串行接口與用戶的上位機(控制器或？機)通訊，可對其進行參數(shù)設(shè)置、功能控制。通過異步串行接口發(fā)送指令，舵機可以設(shè)置為電機控制模式或位置控制模式。在電機控制模式下，舵機可以作為直流減速電機使用，速度可調(diào)；在位置控制模式下，舵機擁有0-300度的轉(zhuǎn)動范圍，在此范圍內(nèi)具備精確位置控制性能，速度可調(diào)。
[0050]本發(fā)明圖2給出了所述數(shù)字舵機與上位機通訊時其中一個實施例的以奶電路原理圖。圖中74此126為一個含有四個緩沖器的集成電路。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以參照該電路原理圖進行本發(fā)明所述數(shù)字舵機的使用。
[0051]盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字舵機，其特征在于，包括: 直流電機； 角度傳感器，其感測所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度； 控制電路板，其控制所述直流電機的轉(zhuǎn)動并接收所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值；其中， 所述控制電路板控制所述直流電機執(zhí)行第一控制模式和第二控制模式，所述第一控制模式是根據(jù)所述角度傳感器感測到的轉(zhuǎn)動角度值調(diào)節(jié)所述直流電機的轉(zhuǎn)動角度在0-300度的范圍內(nèi)任意停止；所述第二控制模式是所述直流電機連續(xù)轉(zhuǎn)動360度。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字舵機，其特征在于，還包括: 上位機，其與所述控制電路板通過串行通訊總線進行通訊連接，用于向所述控制電路板發(fā)送控制信號，一臺上位機與不超過254個的所述控制電路板通訊連接。
3.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字舵機，其特征在于，所述直流電機的供電電壓為5-127，且所述控制電路板中含有1(11模塊，其供電電壓為〖V，來自于所述直流電機的供電電能。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字舵機，其特征在于，所述模塊通過？10算法發(fā)送信號，所述？麗信號通過!I橋驅(qū)動來控制直流電機在上述兩種控制模式下工作。
5.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字舵機，其特征在于，所述模塊根據(jù)反饋信息控制直流電機，所述反饋信息包括上述角度轉(zhuǎn)動值，還包括轉(zhuǎn)動速度值、系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)負(fù)載和系統(tǒng)溫度； 其中，所述模塊還與報警模塊通訊連接，其根據(jù)所述反饋信息控制報警模塊是否發(fā)出報警信息。
6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)字舵機，其特征在于，所述1⑶模塊為采用八11116職8做為主控芯片。
7.如權(quán)利要求6所述的數(shù)字舵機，其特征在于，所述串行通訊總線采用異步串行通訊方式，通過蘭?I異步串行接口統(tǒng)一控制，每個舵機的控制電路板設(shè)定不同的節(jié)點地址，多個舵機的控制電路板選擇性地采用統(tǒng)一運動方式或單個獨立控制。
8.如權(quán)利要求7所述的數(shù)字舵機，其特征在于，在所述第二控制模式中，所述控制電路板控制所述直流電機作為直流減速電機，連續(xù)轉(zhuǎn)動360度。
【文檔編號】G05D3/12GK104407625SQ201410504266
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】胡濤 申請人:北京博創(chuàng)尚和科技有限公司