专利名称：一种智能机器人舵机驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种基于STM32微控制器和CAN总线的机器人舵机数字智能驱动 器，主要用于仿生学机器人舵机中，也可以用于汽车、船、飞机模型舵机中，属于机器人控制 技术领域。
背景技术：
舵机最早用于航空模型中，主要用于调整航模飞机舵面，来控制航模飞机飞行姿 态。由于它结构紧凑，体积小，力矩较大，控制较为简单，在仿生学机器人关节上广泛应用。一般来讲，传统舵机主要由以下几个部分组成舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位 计、直流电机、控制电路板等。工作原理控制电路板接收来自信号线的脉宽调制(PWM)信号，控制电机转动，电 机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的， 舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反 馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。舵机的 控制信号为PWM信号，其中脉冲宽度从0. 5ms-2. 5ms，相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性 变化。也就是说，给它提供一定的占空比的PWM信号，它的输出轴就会保持在一个相对应的 角度上。这种传统舵机主要存在以下这些不足(1)采用集中式布线控制，不便于分布式控制系统使用，机器人关节众多，采用集中式控制对主控制器负担重，且布线复杂，易受干扰。(2)无法反馈舵机状态，不便于机器人获取关节角度、力矩等信息。(3)无法设定和存储舵机参数，不便于机器人设定关节地址、速度、起始终止位置
^fn 息。(4)无电压，电流，温度监测和保护，容易在使用中过载造成舵机的永久损坏。
实用新型内容本实用新型主要针对舵机在机器人上应用存在的以上问题，提供了一种基于 STM32微控制器的数字化智能舵机，该舵机具有CAN双向通信，两个外部接口，结构紧凑，可 以安装在标准舵机内部(控制器小于等于17 X 36mm)，结构紧凑，安装方便，智能化高，控制 精度高，反应灵敏，可安装在多种型号舵机中作为通用舵机驱动器。本实用新型具有电机温度、H桥温度、电源电压、电流检测及保护功能，可以设定、 存储和读取以下参数舵机位置、舵机编号、起始终止位置、旋转角度修正、警告温度、PID 参数、状态自动反馈速率，电机可以装载或卸载，舵机速度、位置、电机温度、H桥温度、电源 电压、电流状态可以实时自动反馈。其具体技术方案如下本舵机驱动器包括CAN总线接口、CAN驱动器、微控制器、两路温度检测装置、一 路电源电压检测装置、一路电流检测装置、电机驱动器、稳压电源。CAN总线接口与CAN总线驱动器相连接，用于接收和发送CAN总线信号；CAN驱动器与微控制器相连接；微控制器与 电机驱动器相连接；电机驱动器与电机相连接；一路温度传感器固定在电机驱动器上，与 微控制器相连接，用于检测电机驱动器温度；另外一路温度传感器固定在电机上，与微控制 器相连接，用于检测电机表面温度；电源电压检测装置，一端并连在电源两端，另外一端与 微控制相连接；电流检测装置，一端与电机驱动器相连接，另外一端与微控制器相连接，用 于检测通过电机驱动器的电流大小；位置电位器与微控制器相连接，用于检测舵机的位置， 其中位置电位器位于航模舵机主体内部；电源芯片分别给各个芯片电路供电。本发明的工作原理如下上位机发送命令给CAN总线，舵机驱动器结点接收到信号之后由微控制器处理执 行对应命令，微控制器通过CAN总线给上位机发送反馈数据；微控制器实时采集并可以发 送电位器的位置信号、电机驱动器温度传感器信号、电机温度传感器信号、电源电压检测装 置信号、电流传感器信号；微控制器根据上位机发送的位置命令，实时控制电机正向或反 向旋转，最终旋转到命令指定位置；微控制器可以接收、存储或者发送舵机参数地址、启 动位置、旋转角度修正、自动反馈速率、电机警告温度、电机驱动器警告温度、运行最高电压 值、最低电压值、最高电流值、PID参数(PID的P参数、I参数、D参数、死区大小)、旋转最 大位置、旋转最小位置、PWM输出最大值、PWM输出最小值、电机是否卸载微控制器根据电 压检测装置，测得电压值大于最高电压设定值时，或者电压值小于最低电压设定值时，卸载 电机，通过上位机发送命令恢复；微控制器根据电流检测装置，测得电流大于最高电流设定 值时，卸载电机，通过上位机发命令恢复；位置电位器采样精度为12位。本发明较传统舵机驱动器有如下优势(1)集成度高，性能可靠，结构紧凑，可内置于标准舵机中。(2)采用CAN总线接口，双向通信，方便数据传输，每个舵机驱动器作为一个节点， 形成分布式结构，留有两个总线接口，节点可以并联或者串联在一起，灵活多变，大大简化 布线。(3)本舵机驱动器具有过压，过流，过温自动保护，在超过额定值时，实施保护，卸 载电机，延长系统寿命。(4)STM32F103微控制器具有72MHz主频，处理速度快，内部AD具有12位的高精度 采集，最高IMHz转换速率。(5)STM32F103微控制器可以接收、存储或者发送舵机设置参数。(6)可以实时反馈电位器的位置信号、电机驱动器温度传感器信号、电机温度传感 器信号、电源电压检测装置信号、电流传感器信号，便于监控。
图1本实用新型的电路结构图图2本实用新型的组装结构图图3本实用新型的接口示意图图中1、舵机驱动器，2、稳压电源，3、电源电压检测装置，4、CAN总线驱动器，5、低 通滤波器，6、电位器，7、微控制器，8、Flash存储，9、信号调理电路，10、电机H桥驱动器，11、 电机驱动器，12、电机温度检测装置，13、电流检测装置，14、电机驱动器温度检测装置，15、直流电机，16、航模舵机主体，17、电机的温度传感器，18、电机驱动器的温度传感器，19、航 模舵机底盖，20、总线接口，21、航模舵机固定螺丝，22、电源(VCC)，23、地(GND)，24、CAN总 线 H (CANH)，25、CAN 总线 L (CANL)
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明如图2所示，本实例由三大部分组成航模舵机主体16、舵机驱动器1、航模舵机底 盖19。其中直流电机15和电位器6位于航模舵机主体16中，舵机驱动器1安装在航模舵 机主体16的空腔内，底部由航模舵机底盖19密封，即舵机驱动器1完全安装在航模舵机内 部，使用航模舵机固定螺丝21固定航模舵机主体16、舵机驱动器1和航模舵机底盖19。直流电机15的电路接口与电机驱动器11输出接口相连接。电机驱动器的温度传 感器18紧挨着电机驱动器11，表面采用铜片连接，起到导热的作用，用来实时采集电机驱 动器的温度。电机的温度传感器17贴在直流电机15表面，电机的温度传感器17接口与舵 机驱动器1对应的温度传感器接口连接，用于实时采集电机表面的温度。电位器6与舵机驱动器1的电位器接口连接，用于实时采集电位器6的数值。总 线接口 20固定在舵机驱动器1的一端。如图3所示，总线接口 20包括电源(VCC) 22，地 (GND) 23，CAN总线H(CANH) 24，CAN总线L (CANL) 25，用于连接上位机或者其它舵机总线，其 中电源(VCC) 22和地(GND) 23部分给舵机提供电源，CAN总线用于接收命令或者发送舵机 状态设置信息，该接口包含两个总线接口，方便连接上下级。总线接口 20与CAN总线驱动器4连接，如图1所示，CAN总线驱动器4与微控制器 7连接，用于发送和接收CAN总线数据。总线接口 20的电源部分与稳压电源2连接，用于 给舵机控制器1上的芯片电路供电，电源电压检测装置3并联在电源(VCC) 22，地(GND)23 两端，电源电压检测装置与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电源电压大 小。电位器6通过低通滤波器5与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采 集电位器6的数值。电机温度检测装置12包括电机的温度传感器17，电路接口与微控制器7内部A/ D转换器接口连接，用于实时采集电机表面温度。电机驱动器温度检测装置14包括电机驱 动器的温度传感器18，电路接口与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电机 驱动器11表面温度。电机驱动器11由信号调理电路9与电机H桥驱动器10组成，微控制器7通过两路 PWM控制电机驱动器11，电机驱动器11与直流电机15接口连接，用于驱动直流电机15正 向反向旋转或者停止。电流检测装置13串联在电源(VCC) 22和电机H桥驱动器10之间， 其输出端与微控制器7内部A/D转换器接口连接，用于实时采集电机H桥驱动器电流的大 小。微控制器7使用的是STM32F103微控制器，内部带有Flash存储8，用于存储舵机 的配置信息，微控制器7可以根据上位机通过CAN总线发来的命令，写入或者读取配置信 息。微控制器7内部带有12位精度的A/D转换器，用于采集各传感器数据。微控制器7通过电机驱动器11控制直流电机15旋转，同时带动电位器6旋转，微控制器7通过实时采集电位器6的数值和设定值进行比较，直至旋转到设定值时，停止直流 电机15旋转。微控制器7实时采集来自电源电压检测装置3、电机驱动器温度检测装置14、电机 温度检测装置12、电流检测装置13的信号，与设定的极限值进行比较，当超过极限值时，卸 载直流电机15，即电机驱动器11停止给直流电机15供电。本舵机驱动器1结构非常紧凑，可以安装在标准航模舵机内部，带有电流、电压、 温度保护装置，功能多，系统稳定，应用灵活，满足一般机器人关节的应用需要。
权利要求1. 一种智能机器人舵机驱动器，其特征在于包括CAN总线接口、CAN总线驱动器0)、 微控制器(7)、两路温度检测装置、一路电源电压检测装置、一路电流检测装置、电机驱动器 和稳压电源，其中CAN总线接口与CAN总线驱动器(4)相连接，用于接收和发送CAN总线信号，CAN驱动 器与微控制器(7)相连接；所述电机驱动器包括信号调理电路(9)和电机H桥驱动器(10)，微控制器通过信号调 理电路与电机H桥驱动器(10)相连接，电机H桥驱动器(10)与电机相连接；所述两路温度检测装置为两路温度传感器，一路温度传感器固定在电机驱动器上，与 微控制器相连接，用于检测电机驱动器温度；另一路温度传感器固定在电机上，与微控制器 相连接，用于检测电机表面温度；所述电源电压检测装置，一端并连在电源两端，另外一端与微控制相连接； 所述电流检测装置，一端与电机驱动器相连接，另外一端与微控制器相连接，用于检测 通过电机驱动器的电流大小；所述位置电位器与微控制器相连接，将检测到的舵机位置信号传送给微控制器； 稳压电源为以上各部分提供电源。
专利摘要本实用新型是一种智能机器人舵机驱动器，主要用于仿生学机器人舵机中，也可以用于传统航模中，属于机器人控制技术领域。本实用新型针对传统航模舵机存在的无反馈、无过压、过流、过温保护，设计了本实用新型中的驱动器，使舵机具有CAN双向通信，两个外部接口，可以安装在标准舵机内部，具有电机温度、H桥温度、电源电压、电流检测及保护功能，可以设定、存储和读取舵机运行参数。本舵机驱动器包括CAN总线接口、CAN驱动器、微控制器、两路温度检测装置、一路电源电压检测装置、一路电流检测装置、电机驱动器和电源等。本实用新型结构紧凑，安装方便，智能化高，控制精度高，反应灵敏，可安装在多种型号舵机中作为通用舵机驱动器。
文档编号A63H27/20GK201871239SQ20102057429
公开日2011年6月22日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者林志杰, 王铁流, 高强 申请人:北京工业大学