【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人，尤其涉及一种机器人用多模态舵机电子控制板及其控制方法。
技术介绍
1、现有技术的舵机内部由直流电动机、变速齿轮组、可调电位器、电子控制板组成。其中，电子控制板作为舵机的核心，决定了舵机的控制精度和运行模式。高速转动的直流电动机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力输出，齿轮组的变速比越大，舵机输出扭力也越大，但输出转速越低。根据电子控制板对直流电机的控制模式，舵机可分为模拟舵机和数字舵机两类，二者内部结构和基本工作原理相同。减速齿轮组由马达驱动，其输出端带动一个线性比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为对应的比例电压反馈给控制电路，控制线路板将反馈电压与输入的控制脉冲信号进行比较，产生纠正脉冲，并驱动直流电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于零，从而达到使舵机精确定位的目的。
2、舵机一般具有三条控制线，分别为电源线、地线、控制线。电源线与地线用于提供内部直流马达及控制电路所需的能源，电压范围通常为4v-7v之间。控制线输入pwm信号，用以控制直流电机的运转速度。pwm控制信号的周期为20ms，当pwm信号的占空比改变时，对应的旋转角度如表1所示。
3、表1 舵机角度控制
4、
5、数字舵机和模拟舵机，在微处理器以外没有区别，二者最大的区别在于处理接收输入信号的方式。模拟舵机在空载的时候，没有动力被传送到直流电动机。当有信号输入使舵机转动，或者舵机的摇臂受到外力的时候，舵机做出反应，内部的直流电动机旋转产生动
6、如图8-9所示，分别为模拟舵机和数字舵机动力脉冲波形图。其中，（a）为空载情况，（b）为每个周期（20ms）输出窄脉冲，较小的动力输入到直流电动机，（c）为宽脉冲，较大的动力输入到直流电动机。
7、但是，目前数字舵机和模拟舵机仍然存在诸多缺陷，例如：1、模拟舵机不是一个精确的定位器件，即使是同一品牌同一批次的产品，在同一脉冲驱动时，偏差范围为±10°，超过±45°范围控制时，脉冲宽度和转动角度之间的线性关系变差。有些舵机安装有输出限位机构，对输出角度进行物理限位，当输出角度超过±90°时，会损坏输出限位机构或齿轮组等机械部件。2、模拟舵机由功率运算放大器等构成惠斯登电桥，根据接收到的模拟电压控制指令和机械连动位置传感器（电位器）反馈电压之间比较产生的差分电压，驱动直流电动机运转到指定位置。当脉冲较窄时，后续停顿时间较长，造成舵机控制精度不高，由于直流电动机为惰性器件，表现为舵机反应迟钝或根本就没有反应。3、数字舵机或模拟舵机，对直流电动机的控制采用电压控制，驱动是由4个功率开关组成的h桥电路，运用pwm技术条件供给直流电动机电压和控制极性，实现对直流电动机速度和旋转方向的控制，运行速度取决于施加在直流电动机上的平均电压。依据直流电动机的机械特性，当电源电压一定时，当负载变化时，如驱动旋转臂上下运行时，由于电源线阻抗、开关管导通电阻等因素影响，使得电机电枢绕组获得的电压不平稳，造成舵机实际输出扭矩不恒定。4、目前市场上舵机的可控运行角度范围可分为90°、180°、270°三种，在既能连续360°旋转，又能在一定角度范围内可定点控制的场合，如某些机械臂抓取夹紧机构的运转，采用一定角度范围内可控的舵机，会出现控制受限的问题，或者需要较为复杂的传动控制机构。因此，急需开发一种机器人用多模态舵机电子控制板以解决上述技术问题。
8、有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种机器人用多模态舵机电子控制板及其控制方法，能够实时监测判断旋转电位器的输出值，实现舵机位置的精确定位，大大提高了定位精度，同时降低了算法的复杂程度，提高了控制的响应速度，控制更加方便、快捷，扩大了舵机的效能和应用环境，具有广阔的应用前景，有利于推广应用。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供的一种机器人用多模态舵机电子控制板，由主控制器、通讯总线、目标位置输出模块、位置检测比较输出模块、pwm驱动及功率放大模块、mos管h桥和电流/电压采样模块组成，所述主控制器接收从通讯总线发来的控制命令，根据命令要求的旋转角度，通过目标位置输出模块，将角度值转变为对应的电压模拟量，所述电压模拟量作为位置检测比较输出模块的输入，所述主控制器根据位置检测比较输出模块的输出值，判断电动机的选择方向，所述主控制器输出pwm信号，pwm信号经过pwm驱动及功率放大模块后，使mos管h桥的相应桥臂导通或关断，当电动机旋转到目标位置后，位置检测比较输出模块的输出发生改变，主控制器关闭pwm信号输出，电动机停止转动，在电动机转动过程中，电流/电压采样模块实时对电流和电压进行采样，以实现恒功率或者恒转矩控制。
3、优选地，所述机器人用多模态舵机电子控制板的电路结构为：包括线性电源转换芯片u1，比较器u2，比较器u3，双向模拟开关u4，微控制器u5，共射双三极管模块u6，电流检测放大器u7，p型mos管q1和q2，n型mos管q3和q4，旋转电位器p1，舵机输入线接口p2和p4，编程接口p3；
4、旋转电位器p1作为电动机运转角度的位置传感器，其一端接3.3v电源电压，另一端接地，中间抽头作为输出信号与电容c10、u2的引脚3、u3的引脚4连接，节点标号angle，电阻r18为u2的输出上拉电阻，其一端接3.3v电源电压，另一端接u2的引脚1、u5的引脚41，节点标号raise，电阻r19为u3的输出上拉电阻，其一端接3.3v电源电压，另一端接u3的引脚1、u5的引脚38，节点标号faling，u2和u3的引脚5接3.3v电源电压，u2和u3的引脚2接地，电容c8、c7分别为u2、u3的电源滤波电容，其一端接地，另一端分别与u2的引脚5、u3的引脚5连接；
5、线性电源转换芯片u1的型号为reg1117-3.3，其引脚3与二极管d1的负极、电容c1、电容c2连接，二极管d1的正极接到电路输入电源vin，电容c1、c2的另一端接地，u1的引脚2接地，u1的引脚2、u1的引脚4与电容c3、电容c4连接，节点标号3.3v，电容c3、c4的另一端接地；
6、舵机输入线接口p2的引脚1、舵机输入线接口p4的引脚1接地，p2的引脚2、p4的引脚2为外部电源输入引脚，与极性电容c15的正极连接，节点标号vin，电容c15的负极接地，p2的引脚3、p4的引脚3为控制信号输入端，与电阻r3连接；
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1.一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，由主控制器、通讯总线、目标位置输出模块、位置检测比较输出模块、PWM驱动及功率放大模块、MOS管H桥和电流/电压采样模块组成，所述主控制器接收从通讯总线发来的控制命令，根据命令要求的旋转角度，通过目标位置输出模块，将角度值转变为对应的电压模拟量，所述电压模拟量作为位置检测比较输出模块的输入，所述主控制器根据位置检测比较输出模块的输出值，判断电动机的选择方向，所述主控制器输出PWM信号，PWM信号经过PWM驱动及功率放大模块后，使MOS管H桥的相应桥臂导通或关断，当电动机旋转到目标位置后，位置检测比较输出模块的输出发生改变，主控制器关闭PWM信号输出，电动机停止转动，在电动机转动过程中，电流/电压采样模块实时对电流和电压进行采样，以实现恒功率或者恒转矩控制。
2.根据权利要求1所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，所述机器人用多模态舵机电子控制板的电路结构为：包括线性电源转换芯片U1，比较器U2，比较器U3，双向模拟开关U4，微控制器U5，共射双三极管模块U6，电流检测放大器U7，P型MOS管Q1和Q2，N
3.根据权利要求2所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，Q1、Q2、Q3、Q4构成H桥变换电路，Q1、Q2起电动机正反转切换开关的作用，Q3、Q4的驱动波形为PWM，用于电动机转速的调节，当电机正转时，Q1的VGS为高电平，Q1截止；Q2的VGS为低电平，Q2导通；Q3的VGS为低电平，Q3截止；Q4的VGS为高电平，Q4导通；当Q1、Q2的VGS为高电平，当Q3、Q4的VGS为低电平，Q1、Q2、Q3、Q4全部截止，直流电动机停转；当电机反转时，Q1的VGS为低电平，Q1导通；Q2的VGS为高电平，Q2截止；Q3的VGS为高电平时，Q3导通；Q4的VGS为低电平，Q4截止。
4.根据权利要求3所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，采用三线制输入方式，分别为电源线、地线、控制线，所述控制线为通讯输入线，采用串行单总线数字控制信号，控制方式为每个舵机分配ID号后，总线上最多可以挂接253个舵机，采用双向模拟开关CH443K作为信号选择器件，Vin为电源输入端，GND为电源地，BUS为控制信号输入，在多个舵机应用场合，可以通过P2或P4进行级联，TX3、RX3分别为微控制器U5串口3的发送端和接收端，电阻R3起电平兼容限流和消抖去振铃作用，当CH443K的SEL端为低电平时，CH0通道被选通，总线传输数据可以被微控制器接收；当SEL为高电平时，CH1通道被选通，微控制器可以将数据发送到通讯总线。
5.根据权利要求4所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，数据帧格式中，帧头固定为0xFE，ID取值范围为0x00-0xFD，0x00为特殊处理标志，ID为需要单独控制的舵机ID编号时，取值范围为0x01-0xFD，命令字节依据不同的操作而定，数据字节依据命令的不同代表不同的含义，如设定旋转角度命令，数据字节包括角度设定值和旋转速度值，校验由两个字节组成，为帧头、ID、命令、数据等字节的异或和，然后分别取高4位和低4位，如计算得到的异或和为0x2C，则校验字节为0x20、0x0C，当微控制器串口接收到数据后，进行帧头判定、校验计算和ID匹配，当上述三个条件都满足时，才认为接收到了有效数据帧，为了实现一个命令控制多个舵机同步运行，当命令中的ID号为0x00时，微处理器将或略ID匹配，此时，挂接在通讯总线上的舵机将同时动作。
6.根据权利要求5所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，采用位置信息设定，判断比较输出的控制方式，采用比较器TLV9021-Q1作为判断比较环节，该器件为轨至轨比较器，最大失调电压仅为1.5mV，切换频率可达3MHz，DAC_PWM为微控制U5输出的PWM信号，该信号经过两级RC滤波后，得到平稳的模拟电压Analog，改变PWM信号的占空比，即可改变输出的电压值，Analog电压信号作为比较器的基准，施加到比较器U2的反向端、U3的同相端，该信号同时输入到微控制的AD口，微控制器对该信号采集判断，作为改变DAC_PWM信号后，直流电机是否驱动运行的控制依据，P1为5K/320°旋转电位器，用于舵机运转角度的检测，P1输出信号Angle经过电容C10滤波后，施加到U2的同相端和U3的反相端，运放U2、U3的输出信号Raise、Faling作为检测输出信号施加到微控制器的I/O口，I/O口设置为中断检测模式。
7.根据权利要求6所述的一种机器人用多模态舵...
【技术特征摘要】
1.一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，由主控制器、通讯总线、目标位置输出模块、位置检测比较输出模块、pwm驱动及功率放大模块、mos管h桥和电流/电压采样模块组成，所述主控制器接收从通讯总线发来的控制命令，根据命令要求的旋转角度，通过目标位置输出模块，将角度值转变为对应的电压模拟量，所述电压模拟量作为位置检测比较输出模块的输入，所述主控制器根据位置检测比较输出模块的输出值，判断电动机的选择方向，所述主控制器输出pwm信号，pwm信号经过pwm驱动及功率放大模块后，使mos管h桥的相应桥臂导通或关断，当电动机旋转到目标位置后，位置检测比较输出模块的输出发生改变，主控制器关闭pwm信号输出，电动机停止转动，在电动机转动过程中，电流/电压采样模块实时对电流和电压进行采样，以实现恒功率或者恒转矩控制。
2.根据权利要求1所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，所述机器人用多模态舵机电子控制板的电路结构为：包括线性电源转换芯片u1，比较器u2，比较器u3，双向模拟开关u4，微控制器u5，共射双三极管模块u6，电流检测放大器u7，p型mos管q1和q2，n型mos管q3和q4，旋转电位器p1，舵机输入线接口p2和p4，编程接口p3；
3.根据权利要求2所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，q1、q2、q3、q4构成h桥变换电路，q1、q2起电动机正反转切换开关的作用，q3、q4的驱动波形为pwm，用于电动机转速的调节，当电机正转时，q1的vgs为高电平，q1截止；q2的vgs为低电平，q2导通；q3的vgs为低电平，q3截止；q4的vgs为高电平，q4导通；当q1、q2的vgs为高电平，当q3、q4的vgs为低电平，q1、q2、q3、q4全部截止，直流电动机停转；当电机反转时，q1的vgs为低电平，q1导通；q2的vgs为高电平，q2截止；q3的vgs为高电平时，q3导通；q4的vgs为低电平，q4截止。
4.根据权利要求3所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，采用三线制输入方式，分别为电源线、地线、控制线，所述控制线为通讯输入线，采用串行单总线数字控制信号，控制方式为每个舵机分配id号后，总线上最多可以挂接253个舵机，采用双向模拟开关ch443k作为信号选择器件，vin为电源输入端，gnd为电源地，bus为控制信号输入，在多个舵机应用场合，可以通过p2或p4进行级联，tx3、rx3分别为微控制器u5串口3的发送端和接收端，电阻r3起电平兼容限流和消抖去振铃作用，当ch443k的sel端为低电平时，ch0通道被选通，总线传输数据可以被微控制器接收；当sel为高电平时，ch1通道被选通，微控制器可以将数据发送到通讯总线。
5.根据权利要求4所述的一种机器人用多模态舵机电子控制板，其特征在于，数据帧格式中，帧头固定为0xfe，id取值范围为0x00-0xfd，0x00为特殊处理标志，id为需要单独控制的舵机id编号时，取值范围为0x01-0xfd，命令字节依据不同的操作而定，数据字节依据命令的不同代表不同的含义，如设定旋转角度命令，数据字节包括角度设定值和旋转速度值，校验由两个字节组成，为帧头、id、命令、数据等字节的异或和，然后分别取高4位和低4位，如计算得到的异或和为0x2c，则校验字节为0x20、0x0c，当微控制器串口接收到数据后，进行帧头判定、校验计算和id匹配，当上述三个条件都满足时，才认为接收到了有效数据帧，为了实现一个命令控制多个舵机同步运行，当命令中的id号为0x00时，微处理器将或略id匹配，此时，挂接在通讯总线上的舵机将...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨凤彪，张其，尹利，
申请(专利权)人：保定卡雷尔机器人技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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