一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路制造技术

本发明专利技术公开了一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，本发明专利技术的舵机传动误差输入端数据采集电路包含电源转换模块(1)、MCU运算控制模块(2)、高速CAN通信模块(3)、电机驱动输出模块(4)、霍尔、磁编码信号输入模块(5)和直流无刷电机模块(6)。该发明专利技术提出了在直流无刷电机转子末端狭小的空间内安装永磁体和微型磁编码芯片，设计了直流无刷电机转子位置检测电路，磁编码器输出转子的位置信息给MCU控制器，得到舵机输入端的位置信息，进行传动误差测量，传动误差对舵机的齿轮箱减速器迭代设计具有指导意义，提高舵机的位置定位精度。

A data acquisition and control circuit of transmission error input end of small robot joint actuator

【技术实现步骤摘要】
一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路
本专利技术涉及一种小型机器人舵机传动误差输入端数据采集控制电路，特别是关于小型机器人关节舵机中小型直流无刷电机的控制与转子角度信息的获取电路。
技术介绍
机器人关节舵机包括控制器、电机、减速器三个关键部分，小型关节舵机的减速器主要是齿轮箱减速器。舵机的位置定位精度对机器人整体性能具有至关重要作用，舵机的传动误差能够直接反映舵机的定位精度，对内部齿轮箱减速器的迭代设计具有指导作用。在测试机器人关节舵机传动误差时需要得到舵机输入端与输出端的精确的角度信息。输出端能够使用圆光栅或高精度的编码器获取，由于舵机尺寸小、结构复杂输入端的角度信息较输出端难度大。在批量生产中为了节约成本某些关节舵机的输入端使用精度较差的电位器作为定位基准，但是这种电位器的位置信息并不能满足舵机传动误差测量的要求。所以需要一种能够准确反映输入端电机转子角度信息采集系统。测量舵机的传动误差时需要保证更换方便且不破坏舵机原有的结构，考虑替换被测舵机中原有电机与控制器，测量结束之后再将舵机还原最初状态，对被测舵机没有任何伤害。直流无刷电机相比直流有刷电机具有结构简单、效率高、寿命高、调速范围广、噪音小等优点。常用的直流无刷电机的控制方式有两种方式包括带霍尔传感器控制和无霍尔传感器，带霍尔传感器能够精确的获取换相信号，适合在传动误差测试中使用。该专利技术提出了一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，使用一种集成的驱动直流无刷电机的芯片，采集直流无刷电机的霍尔信号，使用六步换相法驱动直流无刷电机，MCU输出三路PWM波便能够驱动直流无刷电机工作，使用硬件、软件双重保护驱动电路的安全。采用一种微型的磁编码芯片获取转子的位置信息，在直流无刷电机转子尾部安装永磁体，磁编码芯片垂直固定在永磁体后端约1mm的位置，永磁体随转子转动时磁场发生变化，磁编码芯片通过磁场的变化解算出转子的位置信息，转子转一周磁编码芯片可输出1024脉冲信号，MCU倍频后可得到4096个脉冲信号。MCU实时获取转子的位置信息通过PID控制电机的转速与位置。MCU通过CAN通信方式按指定时间或指定角度向上位机传送转子的位置与速度信息。该系统电路能够准确获取舵机输入端转子的位置信息，满足传动误差计算要求，且表现较好的工作特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决测量舵机传动误差时不能准确获取输入端的位置信息的问题，在测量舵机传动误差时，为克服某些型号舵机不能准确反映输入端的位置信息的缺陷，本专利技术提供一种通用性强、方便拆卸、不破坏舵机原有的机构能够准确获取舵机输入端位置信息的数据采集系统。本专利技术的舵机传动误差输入端数据采集电路包含电源转换模块(1)、MCU运算控制模块(2)、高速CAN通信模块(3)、电机驱动输出模块(4)、霍尔、磁编码信号输入模块(5)和直流无刷电机模块(6)。电源转换模块(1)输入端接12V直流电源，同时该直流电源接入电机驱动输出模块(4)，电压转换模块(1)将外部电压转换为5V直流电压和3.3V直流电压，电压转换模块(1)的输出为MCU运算控制模块(2)、下载仿真接口、直流无刷电机模块(6)中的霍尔元件和磁编码元件供电；MCU运算控制模块(2)的输出一路接电机驱动输出模块(4)用于输出PWM波控制直流无刷电机，一路接高速CAN通信模块(3)，用于将位置、速度信号反馈给上位机；MCU运算控制模块(2)的输入一路接高速CAN通信模块(3)，用于接收上位机的指令；一路接电机驱动输出模块(4)，用于接收驱动芯片反馈的故障信息；一路接霍尔/磁编码信号(5)，用于接收直流无刷电机的霍尔信号和位置信号；电机驱动输出模块(4)的输出接直流无刷电机模块(6)，电机驱动输出模块(4)输出的三相电流经滤波稳流之后接入直流无刷电机的U、V、W接口驱动直流无刷电机工作；电机驱动输出模块(4)内部有错误诊断电路，出现故障时可及时停止工作并将错误信号反馈给MCU控制器，停止输出PWM波，保证电路的安全；直流无刷电机模块(6)内部装有霍尔元件，通过反馈的霍尔信号，使用六步换相法控制直流无刷电机工作，直流无刷电机转子尾部安装有永磁体，垂直永磁体约1mm的位置安装有磁编码芯片，磁编码芯片能够将转子位置信息反馈给MCU控制器，形成闭环控制，进行速度PID与位置PID调节。电源转换模块(1)包括5V降压电路和3.3V降压电路，外部12V电源经过第二插座P2的第三/第四引脚接熔断可恢复保险丝FB1、FB2接入第一电容C1两端，第一电容C1的一端为VCCIN，另一端为GND；第四芯片U4的第八引脚和第九引脚短接后接入外部输入电源VCCIN和第十五电容C15和第十一电容C11，第十五电容C15和第十一电容的另一端接GND；第十五电容C15和第十一电容起到稳流滤波作用。第四芯片U4的第三引脚和第七电阻R7、第九电阻R9连到一起，第九电阻R9另一端接GND，第七电阻R7另一端接电源输入VCCIN，通过调整第七电阻R7和第九电阻R9分压大小，能够给第一芯片U1信号；第四芯片U4的第七引脚接第十电阻R10，第十电阻R10另一端接GND，调整第十电阻R10的大小能够调整芯片的振荡频率；U4第十一引脚/第六引脚短接后接入GND；第四芯片U4的第五引脚接第六电阻R6和第十一电阻R11，第十一电阻R11一端接GND，第六电阻R6一端接电压输出端，通过调整第六电阻和第十一电阻能够调整输出电压，霍尔元件使用的是5V电压，在此调整第六电阻和第十一电阻使输出端电压为5V；第九电容C9和第十电容C10并联，一端接电压输出端VCC5V，一端接GND，保证输出5V电压的稳定性；第十四电容C14和第十二电阻R12串联，第十四电容C14另一端接第四芯片U4的第四引脚，第十二电阻R12另一端接GND；第四芯片U4的第一引脚和第二引脚短接连接第一电感L1，第一电感L1另一端接电压输出端VCC5V；第一芯片U1的第十引脚接第五电容C5，第五电容C5的另一端接第四芯片U4的第一引脚，第四芯片U4的第十引脚和第四芯片U4的开关引脚直接需要接一个旁路电容；第一芯片U1的第一引脚和第二电容C2相连接地，第一芯片U1的第三引脚和第二电容C2另一端相连接入VCC5V电压，第二电容C2具有稳压作用；第三电容C3和第四电容C4并联，一端接GND一端接第一芯片U1的第二引脚和第四引脚，第二第四引脚输出稳定的3.3V电压。高速CAN通信模块(3)的第二芯片U2的第一引脚与第三电阻R3连接，第三电阻R3另一端与第二电阻R2连接，第二电阻R2另一端接VCC3.3V；第二芯片U2的第四引脚与第五电阻R5连接，第五电阻R5另一端与第八电阻R8连接，第八电阻R8另一端接VCC3.3V；第十二电容C12与第十三电容C13并联，一端接VCC3.3V电压及第二芯片U2的第3引脚，另一端接GND，第十二电容C12与第十三电容C13起到滤波稳压作用；U2处理的信号CAN_H、CAN_L经第七引脚、第六引脚输出，输出信号经过第二电感L2，第二电感L2既能够抑制外部EMI信号传入，又能够衰减线路自身工作时产生的EMI信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：包含电源转换模块(1)、MCU运算控制模块(2)、高速CAN通信模块(3)、电机驱动输出模块(4)、霍尔、磁编码信号输入模块(5)和直流无刷电机模块(6)；/n电源转换模块(1)输入端接12V直流电源，同时该直流电源接入电机驱动输出模块(4)，电压转换模块(1)将外部电压转换为5V直流电压和3.3V直流电压，电压转换模块(1)的输出为MCU运算控制模块(2)、下载仿真接口、直流无刷电机模块(6)中的霍尔元件和磁编码元件供电；MCU运算控制模块(2)的输出一路接电机驱动输出模块(4)用于输出PWM波控制直流无刷电机，一路接高速CAN通信模块(3)，用于将位置、速度信号反馈给上位机；MCU运算控制模块(2)的输入一路接高速CAN通信模块(3)，用于接收上位机的指令；一路接电机驱动输出模块(4)，用于接收驱动芯片反馈的故障信息；一路接霍尔/磁编码信号(5)，用于接收直流无刷电机的霍尔信号和位置信号；电机驱动输出模块(4)的输出接直流无刷电机模块(6)，电机驱动输出模块(4)输出的三相电流经滤波稳流之后接入直流无刷电机的U、V、W接口驱动直流无刷电机工作；电机驱动输出模块(4)内部有错误诊断电路，出现故障时可及时停止工作并将错误信号反馈给MCU控制器，停止输出PWM波，保证电路的安全；直流无刷电机模块(6)内部装有霍尔元件，通过反馈的霍尔信号，使用六步换相法控制直流无刷电机工作，直流无刷电机转子尾部安装有永磁体，垂直永磁体1mm的位置安装有磁编码芯片，磁编码芯片能够将转子位置信息反馈给MCU控制器，形成闭环控制，进行速度PID与位置PID调节。/n...

【技术特征摘要】
1.一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：包含电源转换模块(1)、MCU运算控制模块(2)、高速CAN通信模块(3)、电机驱动输出模块(4)、霍尔、磁编码信号输入模块(5)和直流无刷电机模块(6)；
电源转换模块(1)输入端接12V直流电源，同时该直流电源接入电机驱动输出模块(4)，电压转换模块(1)将外部电压转换为5V直流电压和3.3V直流电压，电压转换模块(1)的输出为MCU运算控制模块(2)、下载仿真接口、直流无刷电机模块(6)中的霍尔元件和磁编码元件供电；MCU运算控制模块(2)的输出一路接电机驱动输出模块(4)用于输出PWM波控制直流无刷电机，一路接高速CAN通信模块(3)，用于将位置、速度信号反馈给上位机；MCU运算控制模块(2)的输入一路接高速CAN通信模块(3)，用于接收上位机的指令；一路接电机驱动输出模块(4)，用于接收驱动芯片反馈的故障信息；一路接霍尔/磁编码信号(5)，用于接收直流无刷电机的霍尔信号和位置信号；电机驱动输出模块(4)的输出接直流无刷电机模块(6)，电机驱动输出模块(4)输出的三相电流经滤波稳流之后接入直流无刷电机的U、V、W接口驱动直流无刷电机工作；电机驱动输出模块(4)内部有错误诊断电路，出现故障时可及时停止工作并将错误信号反馈给MCU控制器，停止输出PWM波，保证电路的安全；直流无刷电机模块(6)内部装有霍尔元件，通过反馈的霍尔信号，使用六步换相法控制直流无刷电机工作，直流无刷电机转子尾部安装有永磁体，垂直永磁体1mm的位置安装有磁编码芯片，磁编码芯片能够将转子位置信息反馈给MCU控制器，形成闭环控制，进行速度PID与位置PID调节。


2.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：电源转换模块(1)包括5V降压电路和3.3V降压电路，外部12V电源经过第二插座P2的第三/第四引脚接熔断可恢复保险丝FB1、FB2接入第一电容C1两端，第一电容C1的一端为VCCIN，另一端为GND；第四芯片U4的第八引脚和第九引脚短接后接入外部输入电源VCCIN和第十五电容C15和第十一电容C11，第十五电容C15和第十一电容的另一端接GND；第十五电容C15和第十一电容起到稳流滤波作用；第四芯片U4的第三引脚和第七电阻R7、第九电阻R9连到一起，第九电阻R9另一端接GND，第七电阻R7另一端接电源输入VCCIN，通过调整第七电阻R7和第九电阻R9分压大小，能够给第一芯片U1信号；第四芯片U4的第七引脚接第十电阻R10，第十电阻R10另一端接GND，调整第十电阻R10的大小能够调整芯片的振荡频率；U4第十一引脚/第六引脚短接后接入GND；第四芯片U4的第五引脚接第六电阻R6和第十一电阻R11，第十一电阻R11一端接GND，第六电阻R6一端接电压输出端，通过调整第六电阻和第十一电阻能够调整输出电压，霍尔元件使用的是5V电压，在此调整第六电阻和第十一电阻使输出端电压为5V；第九电容C9和第十电容C10并联，一端接电压输出端VCC5V，一端接GND，保证输出5V电压的稳定性；第十四电容C14和第十二电阻R12串联，第十四电容C14另一端接第四芯片U4的第四引脚，第十二电阻R12另一端接GND；第四芯片U4的第一引脚和第二引脚短接连接第一电感L1，第一电感L1另一端接电压输出端VCC5V；第一芯片U1的第十引脚接第五电容C5，第五电容C5的另一端接第四芯片U4的第一引脚，第四芯片U4的第十引脚和第四芯片U4的开关引脚直接需要接一个旁路电容；第一芯片U1的第一引脚和第二电容C2相连接地，第一芯片U1的第三引脚和第二电容C2另一端相连接入VCC5V电压，第二电容C2具有稳压作用；第三电容C3和第四电容C4并联，一端接GND一端接第一芯片U1的第二引脚和第四引脚，第二第四引脚输出稳定的3.3V电压。


3.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：高速CAN通信模块(3)的第二芯片U2的第一引脚与第三电阻R3连接，第三电阻R3另一端与第二电阻R2连接，第二电阻R2另一端接VCC3.3V；第二芯片U2的第四引脚与第五电阻R5连接，第五电阻R5另一端与第八电阻R8连接，第八电阻R8另一端接VCC3.3V；第十二电容C12与第十三电容C13并联，一端接VCC3.3V电压及第二芯片U2的第3引脚，另一端接GND，第十二电容C12与第十三电容C13起到滤波稳压作用；U2处理的信号CAN_H、CAN_L经第七引脚、第六引脚输出，输出信号经过第二电感L2，第二电感L2既能够抑制外部EMI信号传入，又能够衰减线路自身工作时产生的EMI信号有效的减少EMI干扰，保证CAN通信线上的数据高速稳定的传输；第二芯片U2第六引脚和第七引脚之间接入第四电阻R4；第二芯片U2第二、第八、第九引脚接GND，第五引脚接3.3V电压。


4.根据权利要求3所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：所述的第二芯片U2是ATA6561CAN通信芯片。


5.根据权利要求1所述的一种小型机器人关节舵机传动误差输入端数据采集控制电路，其特征在于：电机驱动输出模块(4)包括第六芯片U6的第一、第二引脚接到第二十六电容C26的两端；第六芯片U6的第三引脚接第二十七电容C27的一端，另一端接输入直流电源正极VCCIN；第六芯片U6的第四、第十一引脚接直流电源的正极VCCIN；第六芯片U6的第五、第八、第九引脚分别接第三十三电容C33、第三十四电容C34、第三十五电容C35，再分别接入第三熔断恢复保险丝FB3、第四熔断恢复保险丝FB4、第五熔断恢复保险丝FB5之后输出接入直流无刷电机，驱动直流无刷电机工作，C35/C36/C37能够滤除部分直流无刷电机相线上的杂波电流，使直流无刷电机运行更平稳，第三熔断恢复保险丝FB3、第四熔断恢复保险丝FB4、第五熔断恢复保险丝FB5能够防止输出电流过大烧坏直流无刷电机；第六芯片U6...

【专利技术属性】
技术研发人员：石照耀，张攀，林家春，于渤，程慧明，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11