一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统及方法，系统包括舵机和电脑客户端，舵机作为下位机用来接收上位机的指令并做出动作，以及反馈数据包至上位机，舵机包括舵机主控制器、温度传感器、电流检测芯片A、电流检测芯片B、电位器、舵机内部驱动及舵机内部电机，电脑客户端作为上位机用以发送控制指令至下位机并可视化呈现下位机的数据；本发明专利技术舵机系统使用两个电流检测芯片测量舵机的实际运行电流，且集成在舵机内部，无需外加其他装置，使用时只需要接受舵机的反馈数据包即可读取数据。具有数据精确、占用空间小和开发简单等特点。特别是较好地解决了如何获取舵机精确运行电流和精确控制输出力矩的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统及方法
本专利技术属于传感器检测和控制科学领域，具体涉及电流检测技术应用，内容包括舵机运行电流的检测及舵机力矩的控制等。
技术介绍
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。目前市面上常见的舵机，大多只具备基本功能，在一些特定的领域内难以应用。比如：在机器人的设计中，设计者不仅需要舵机具有普通舵机的功能，还需要舵机具有实时电流反馈、输出力矩反馈等功能，实验证明运行电流最能精确地反应舵机的力矩状态。电流检测技术是一种可以实时检测电路中电流的技术，通过对传感器检测到的电流数据进行科学的处理分析，并根据电流和力矩的曲线计算实时力矩，则可以解决舵机实时力矩测量和控制的难题。如果能将电流检测技术和微控制器控制技术结合，再把舵机的控制、监测、保护和切断功能相关联，则可以做出一款可以即时精确反映实时运行电流和实时输出力矩的舵机。在此基础上，还可以编写控制程序对舵机的输出力矩进行调控，达到精确控制舵机的效果。舵机检测的问题主要包括在两环节即舵机电流的检测和舵机输出力矩的检测。目前电流检测方案也算不少，但很少应用于计算舵机力矩。韩国企业生产的Dynamixel-AX-12A型号舵机实现了反馈舵机电流的功能，但阅读其说明书可以了解到，它所测的负载力矩是推测值而不是实测值，数据缺乏真实性且精度不高。日本企业生产的DynPick-WEF-6A系列6轴力矩传感器可以精确测量力矩，但其体积较大，较为笨重，无法应用在小型舵机的控制中。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统及方法，舵机系统使用两个电流检测芯片测量舵机的实际运行电流，且集成在舵机内部，无需外加其他装置，使用时只需要接受舵机的反馈数据包即可读取数据。具有数据精确、占用空间小和开发简单等特点。特别是较好地解决了如何获取舵机精确运行电流和精确控制输出力矩的难题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统，包括舵机和电脑客户端，所述舵机作为下位机用来接收上位机的指令并做出动作，以及反馈数据包至上位机，舵机包括舵机主控制器、温度传感器、电流检测芯片A、电流检测芯片B、电位器、舵机内部驱动及舵机内部电机，所述电脑客户端作为上位机用以发送控制指令至下位机并可视化呈现下位机的数据；舵机主控制器的模数转换模块分两路采集电流检测芯片A和电流检测芯片B反馈的电压，并在舵机主控制器内部转换为电流数据存储，舵机主控制器同时对采集的电流数据按照直流电机的电流力矩曲线进行计算得出当前的舵机输出力矩；电脑客户端通过总线或串口模式发送指令数据包至舵机，指示舵机的角度、力矩、速度、运行时间指标，舵机按照数据包做出响应的同时，发送反馈数据包到电脑客户端。进一步的，所述反馈数据包内容包括实时电流、实时输出力矩、实时温度、实时位置、实时速度和实时方向。一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的方法，，包括以下步骤：1)由电脑客户端通过串口或总线发送指令数据包到舵机；2)舵机主控制器接受指令数据包，解码分析数据包内的命令；3)舵机主控制器控制舵机内部电机对命令做出相应的动作，以相应速度、力矩达到指定角度并保持该角度；4)舵机主控制器负责处理电流、力矩、温度、位置、速度和方向数据，发送反馈数据包到电脑客户端；5)舵机保持前一次指令所要求的动作，等待下一个指令到来。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：1、本专利技术采用两个专业的电流检测芯片检测舵机电流，保障了数据的准确性。2、本专利技术提出的电流检测芯片安装方式可以集成在舵机内部，不占用外部空间。3、本专利技术根据电流检测芯片的输出数据和电机参数，精确计算舵机真实力矩负载。4、本专利技术内部采用STM32系列芯片作为舵机主控制器，处理速度快，开发简单。附图说明图1本专利技术舵机系统工作流程示意图。图2为本专利技术电路部分原理图。图3为配套电脑客户端显示界面截图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。本舵机系统主要分为下位机和上位机两个大部分。舵机是下位机，用来接收上位机的指令并做出动作，还要反馈数据包到上位机。电脑客户端是上位机，可以用来发送控制指令给下位机，并且可以可视化呈现下位机的数据。要实现舵机电流的精确测量首先需要确定电流检测芯片的位置，通常电流检测芯片位置确定是在靠近要测量电路的高电压一侧，与其它专利技术不同的是本专利技术采用了双电流检测芯片的设计，该设计的最大好处是避免在电机换向后导致的低电压一侧电流采样失灵问题，同时本实施中采用较为成熟的美信公司的芯片级MAX471型号高精度、高边电流检测放大器作为电流检测芯片，避免因硬件问题导致采样误差过大，从而尽可能准确地反映出舵机的实时电流数据。本实施例采用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6(以下简称STM32)作为舵机主控制器，STM32的模数转换模块分两路采集电流检测芯片A和电流检测芯片B反馈的电压，并在舵机主控制器内部转换为电流数据存储起来，同时对采集的电流数据按照直流电机的电流力矩曲线进行计算，从而得出当前的舵机输出力矩。由电脑客户端通过总线或串口模式发送指令数据包到舵机，指示舵机的角度、力矩、速度、运行时间指标，舵机按照数据包做出响应的同时，发送反馈数据包到电脑客户端。反馈数据包内容主要包括实时电流、实时输出力矩、实时温度、实时位置、实时速度、实时方向，从而形成一个完整的舵机控制系统，达到实时精确反馈的目的。系统工作流程图如图1所示。具体实施过程中舵机系统工作流程如下：1)首先安装舵机到机器人的关节部位，用螺丝固定；2)由图3电脑客户端的命令发送区写入命令，打包为指令数据包，通过串口或总线发送至舵机主控制器。3)舵机主控制器接受指令数据包，解码分析数据包内的命令；4)电流检测芯片和温度传感器开始工作，实时测量舵机运行电流、温度、位置和方向，并在舵机主控制器中计算当前负载力矩。5)舵机把上述数据打包，通过串口或总线方式发送反馈数据包至图3电脑客户端，在客户端进行可视化展示。6)舵机保持前一次指令所要求的动作，等待下一个指令到来。此外，当其他控制器控制舵机时，开发者可以利用舵机传回的反馈数据包进行控制，调整算法来适应需求。本专利技术并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本专利技术的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本专利技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本专利技术的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统，其特征在于，包括舵机和电脑客户端，所述舵机作为下位机用来接收上位机的指令并做出动作，以及反馈数据包至上位机，舵机包括舵机主控制器、温度传感器、电流检测芯片A、电流检测芯片B、电位器、舵机内部驱动及舵机内部电机，所述电脑客户端作为上位机用以发送控制指令至下位机并可视化呈现下位机的数据；舵机主控制器的模数转换模块分两路采集电流检测芯片A和电流检测芯片B反馈的电压，并在舵机主控制器内部转换为电流数据存储，舵机主控制器同时对采集的电流数据按照直流电机的电流力矩曲线进行计算得出当前的舵机输出力矩；电脑客户端通过总线或串口模式发送指令数据包至舵机，指示舵机的角度、力矩、速度、运行时间指标，舵机按照数据包做出响应的同时，发送反馈数据包到电脑客户端。

【技术特征摘要】
1.一种实时精确反馈运行电流和输出力矩的舵机系统，其特征在于，包括舵机和电脑客户端，所述舵机作为下位机用来接收上位机的指令并做出动作，以及反馈数据包至上位机，舵机包括舵机主控制器、温度传感器、电流检测芯片A、电流检测芯片B、电位器、舵机内部驱动及舵机内部电机，所述电脑客户端作为上位机用以发送控制指令至下位机并可视化呈现下位机的数据；舵机主控制器的模数转换模块分两路采集电流检测芯片A和电流检测芯片B反馈的电压，并在舵机主控制器内部转换为电流数据存储，舵机主控制器同时对采集的电流数据按照直流电机的电流力矩曲线进行计算得出当前的舵机输出力矩；电脑客户端通过总线或串口模式发送指令数据包至舵机，指示舵机的角度、力矩、速度、运行时间指标，舵机按照数据包做出响...

【专利技术属性】
技术研发人员：任超，栾龙，马书根，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12