本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种总线舵机的控制系统及控制方法。
背景技术：
舵机最早应用在轮船、飞机、火箭等领域，在船模、航模、车模、及工业控制领域多有使用。自加藤一郎教授首次把舵机用在双足仿人形机器人上后，双足仿人形机器人得到了迅速发展，舵机是机器人中使用最多和最关键的部件，舵机的体积、结构、性能、控制方式都决定了机器人的整体性能和运行效果。一般的舵机实际是一个直流电机伺服控制系统，即：一个直流电机转动角度单闭环伺服控制机电系统。舵机主要由以下几个部分组成：输入给定、控制电路、直流电机、减速齿轮组、输出轴、位置检测及反馈、输出臂等。其工作原理是：输入给定提供舵机的输入信号，一般是由外部的控制器提供一个脉冲宽度调制波，脉冲宽度调制波的周期(t)一般是20ms，脉宽(t)是0.5ms～2.5ms，一定的脉宽对应控制输出臂转动一定的角度，当脉冲宽度从0.5ms向1.0ms、1.5ms、2.0ms、2.5ms变化时，舵机输出臂对应位置从-90°向-45°、0°、+45°、+90°转动。为了控制舵机输出臂的转动位置，只需要不断发送对应宽度的调制波即可。舵机的分类有多种方式，从机械结构和控制方式方面看，舵机分类情况如下：从机械结构的不同，把舵机可进行简单地分类：(1)从减速齿轮组的构成材料看：可分为金属齿或工程塑料齿舵机；(2)从输出轴的轴承看：可分为滑动轴承和滚动轴承舵机；(3)从舵机外壳的构成材料看：可分为铝合金壳体和塑料壳体；等等。随着舵机控制技术的不断发展，舵机从传统舵机(模拟舵机)发展到数字舵机，进而发展到总线舵机，单台总线舵机如图9所示，多台总线舵机控制总线连接示意图如图10所示。从舵机控制电路中是否含有微处理器，又把传统舵机分为模拟舵机和数字舵机。当控制电路中无微处理器时，称为模拟舵机；当控制电路中有微处理器时，可称为数字舵机。从输入给定信号的形式看，模拟舵机和数字舵机的输入给定信号均是脉宽调制波，周期一般是20ms；总线舵机的输入给定不是脉宽调制波，而是满足相应协议的通信数据包。从传统舵机的内部控制方法看，这种传统舵机的角度控制，是一个单闭环控制系统，传统舵机具有单闭环负反馈控制系统的优点和缺点。传统舵机的特点是：(1)具有一定的跟随性能，根据反馈什么量，就稳定什么量，反馈舵机输出臂的转动角度(位置)量就能稳定控制舵机的输出臂的转动角度(位置)，输出角度可以跟随给定变化而变化，但是跟随性能一般。(2)具有一定的抗扰性能，当负载扰动时，输出臂偏离了给定的转角后，因为负反馈的原理，舵机的输出臂能够调整回到原来给定的位置。从传统舵机的控制结构和系统性能看主要存在的缺点是：(1)没有电流负反馈，没有充分利用电机的电流过载能力，没有按照电机的最大允许电流启动、没有实现恒力矩启动，跟随性差、快速性差；(2)没有转速负反馈，无法恒定控制电机的转速，无法实现直接的速度控制，无法按照最佳五段速度图运行，无法实现柔性控制；(3)抗扰动性能差，当各种扰动出现时，输出臂偏离了原来位置后，系统才开始调节，导致系统超调量大、抖动大。从传统舵机的外部控制方式看，对外部mcu单元来说，对舵机的控制是开环的。即：外部mcu单元与传统舵机的控制之间的信号传输是单方向的，即信号是从外部mcu单元向传统舵机发出控制信号，舵机仅执行控制，舵机驱动负载转动到对应位置，舵机是否已经驱动负载转动到位如何、舵机健康状态如何，舵机并没有通路向外部mcu单元回馈，外部mcu单元无法得知真实状况。开环控制系统的缺点是显而易见的：(1)不能检测到舵机是否转动到位；(2)不能检测到舵机的健康状况，可靠性不高；(3)响应性慢；(4)舵机运行效率低；(5)无法平滑控制舵机转动速度、稳定性差；(6)抗扰性能不强。当把模拟舵机或数字舵机用于机器人时，模拟舵机和数字舵机主要存在如下缺点:(1)外部mcu单元给舵机的控制信号是单方向的，模拟舵机或数字舵机无法把舵机自身的健康状态信息回馈，导致舵机过载过热保护不足，舵机过载时常带来损坏舵机的问题；(2)外部mcu单元给舵机的控制信号是单方向的，模拟舵机或数字舵机无法把舵机自身的当前转动角度信息回馈，导致在开机启动阶段，无法控制舵机的初始的速度，存在对人体损伤的问题；存在开机启动电流大的问题；存在控制不柔顺的问题；(3)外部mcu单元给舵机的控制信号是单方向的，模拟舵机或数字舵机无法把舵机自身的工作状态信息(如转动角度、温度等)回馈，模拟舵机或数字舵机没有电流负反馈闭环，导致舵机的控制精度不高的问题；导致无法最大发挥舵机效能的问题；导致舵机能耗大的问题；(4)输入给定的脉宽调制波的周期是20ms，脉宽是0.5～2.5ms，存在舵机响应慢的问题，对舵机发出两次控制信号时存在时间间隔，存在舵机控制时间上的死区。传统舵机给舵机发出控制信号必须间隔20ms，存在控制死区的问题，存在控制精度不高的问题。存在舵机转动角度控制回滞的问题；(5)当输入信号变化小时，传统舵机存在响应慢或无反应的问题。(6)当有负载扰动时，抗扰性能不好，有时产生振荡的问题，导致舵机产生抖动的问题；(7)舵机没有led灯或声音指示工作状态，带来无法直观了解舵机的工作状态的问题。(8)舵机与舵机连接线是焊接在一起，不能插拔分开，使得在组装、更换、维修舵机时不方便、繁琐；(9)传统舵机没有夹线槽，传统舵机连接线出线时没有固定，常导致舵机连接线磨损夹断；(10)传统舵机的舵盘没有刻度标识，导致安装时对初始位置敏感的问题。(11)当由多台舵机甚至十几台传统舵机组成多路舵机控制系统时，每台传统舵机的连接线均需直接连接到多路舵机控制板的对应插座，带来了舵机控制系统走线杂乱缠绕的问题，带来了舵机控制器占用空间大的问题。如组成人形双足机器人系统时，常使用17～24个舵机，机器人控制板上需要17～24个舵机插座，17～24条舵机连接线杂乱缠绕，占用空间大，不利于安装调试、不利于机器人控制系统的小型化。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统舵机没有电流负反馈，没有充分利用电机的电流过载能力，没有按照电机的最大允许电流启动、没有实现恒力矩启动；跟随性差、快速性差；舵机负载保护和状态无法指示；没有转速负反馈，无法恒定控制电机的转速，无法实现直接的速度控制，无法按照最佳五段速度图运行，无法实现柔性控制；抗扰动性能差；各种扰动进入舵机时，产生振荡导致舵机抖动；舵机不能回送转角位置、负载电流、舵机转速、舵机温度；机器人开机无法获知舵机初始位置；机器人开机初始化时舵机速度可控；机器人开机启动负载逐渐加载；机器人运行安全保护如防夹手保护防过载保护；几十个舵机连线密密麻麻缠绕；舵机不能方便更换维修；没有夹线槽无法固定舵机连接线；舵机连接线易磨损。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种总线舵机的控制系统及控制方法。
本发明是这样实现的，一种总线舵机的控制系统，所述总线舵机的控制系统包括：
外部mcu单元，用于向总线舵机发出对总线舵机的控制指令，并根据通信接口回馈的舵机状态，如转动角度、负载电流、转动速度、舵机温升，通过比较及多种控制算法，不断对总线舵机发出各种控制指令；
通信接口，与单舵机控制器和外部mcu单元连接，用于单舵机控制器与外部mcu单元的双向通讯；通信接口用于接收外部mcu单元发送来的数据包，并解析数据包，把解析所得的对舵机控制的指令和参数传送给单舵机控制器；同时也把单舵机控制器回送的反馈信号发送给外部mcu单元；
单舵机控制器，用于通过通信接口接收外部mcu单元发来的控制指令，适时把检测到的电流信号、温度信号、转速信号、位置信号回馈给外部mcu单元。总线舵机根据指令及控制算法，通过电机驱动模块，控制直流电机按照指令运转；
电机驱动模块，与单舵机控制器和直流电机连接，用于根据单舵机控制器发出的信号，对直流电机的转角、转速、电流进行控制；
直流电机，与减速单元连接，用于将直流电机输出的高转速、小扭矩转换为低转速、大扭矩输出，实现了力矩放大；
减速单元，与输出舵盘连接，均匀分布有刻度标识，实现组装；
输出舵盘，与负载和位置检测模块连接，通过输出舵盘将舵机的大扭矩与负载连接，驱动负载运转；
状态指示模块，与单舵机控制器连接，用于实现指示舵机的工作状态；
电流检测模块，与直流电机连接，用于检测直流电机的负载电流，并传送给单舵机控制器；
温度检测模块，与直流电机连接，用于检测直流电机的温度，并传送给单舵机控制器，经过比较可发出温升状态指示模块；
位置检测模块，与单舵机控制器和输出舵盘连接，用于检测输出舵盘的转动角度位置，并把信息传送到单舵机控制器；
速度检测模块，与直流电机连接，用于检测直流电机的转动速度，并传送给单舵机控制器。
进一步，所述总线舵机有往复旋转和连续旋转两种模式。
进一步，所述外部mcu单元与舵机通过总线方式连接，通过指令包双向传递信号。
进一步，多台总线舵机通过3芯的总线连接到外部mcu单元。
进一步，所述总线舵机的控制系统采用转动位置、速度、电流三闭环负反馈控制系统；
所述单舵机控制器与通信接口、电流检测模块、温度检测模块、速度检测模块、位置检测模块连接组成三闭环负反馈控制系统。
进一步，所述总线舵机设置单舵机控制器，单舵机控制器设置有记录舵机运行状况和健康状况的数据区。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述总线舵机的控制系统的单台总线舵机控制的方法，所述单台总线舵机控制的方法包括以下步骤：
步骤一，设定舵机的地址编号id；
步骤二，检查指定id的舵机是否已经连接；
步骤三，初始化舵机，初始化舵机的状态信息和操作信息；
步骤四，读取舵机的状态信息；
步骤五，通过指令包，发出对舵机的操作信息；
步骤六，通过指令包，发出舵机启动的指令信息；
步骤七，舵机按照操作信息表的约束开始运转；
步骤八，通过指令包，向外部mcu单元回送舵机的运行状态，并监控舵机的运行状态，指示运行状态及报警保护。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述总线舵机的控制系统的多台总线舵机控制的方法，所述多台总线舵机控制的方法包括以下步骤：
步骤一，依次设定舵机的地址编号id，同一总线连接范围内的id号不可重复；
步骤二，依次检查指定id的舵机是否已经连接；
步骤三，依次对各id的舵机初始化舵机，即初始化舵机的状态信息和操作信息；
步骤四，依次读取舵机的状态信息；
步骤五，通过指令包，依次对各id的舵机发出对舵机的操作信息；
步骤六，通过指令包，依次对各id的舵机，发出舵机启动的指令信息；
步骤七，舵机按照操作信息表的约束开始运转；
步骤八，通过指令包，向外部mcu单元回送舵机的运行状态，并监控舵机的运行状态，指示运行状态及报警保护。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述总线舵机的控制系统的人形机器人。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述总线舵机的控制系统的航模。
本发明的优点及积极效果为：本发明解决了传统舵机没有电流负反馈，没有充分利用电机的电流过载能力，没有按照电机的最大允许电流启动、没有实现恒力矩启动的问题，解决了传统舵机跟随性差、快速性差的问题，解决了舵机负载保护和状态指示模块的问题；解决了传统舵机没有转速负反馈，无法恒定控制电机的转速，无法实现直接的速度控制，无法按照最佳五段速度图运行，无法实现柔性控制的问题；解决了传统舵机抗扰动性能差的问题，解决了当各种扰动进入舵机时，产生振荡导致舵机抖动的问题；在机器人系统中，用总线舵机替换传统舵机时，解决了舵机不能回送转角位置、负载电流、舵机转速、舵机温度的问题，解决了机器人开机无法获知舵机初始位置的问题，解决了机器人开机初始化时舵机速度可控的问题，解决了机器人开机启动负载逐渐加载的问题；解决了机器人运行安全保护如防夹手保护防过载保护等的问题；解决了几十个舵机连线密密麻麻缠绕的问题；解决了舵机不能方便更换维修的问题，解决了因没有夹线槽无法固定舵机连接线的问题，解决了舵机连接线易磨损的问题，解决了舵盘上没有标识的问题。大大提高了舵机快速性、稳定性、可靠性、易用性，用于机器人时极大地提高了机器人的各方面的性能。
本发明提供的总线舵机形成了转角位置、转速、电流反馈控制三闭环负反馈控制系统，具有如下的优点：
(1)具有良好的静特性；
(2)具有良好的动态性能，启动时间短，动态响应快，超调量较小；充分利用了直流电机过载能力；
(3)可以实现五段速度图运行；
(4)系统抗扰性能强，电流闭环及时调整因电压波动对转速的影响，在转速还没有偏差时就快速及时调整。
附图说明
图1是本发明实施例提供的总线舵机的控制系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的总线舵机的位置转速电流控制三闭环系统的稳态结构图。
图3是本发明实施例提供的总线舵机的位置转速电流控制三闭环系统的稳态结构图说明。
图4是本发明实施例提供的总线舵机正转的五段速度运行图。
图5是本发明实施例提供的总线舵机的正反转速度示意图。
图6是本发明实施例提供的传统舵机的启动电流转速关系示意图。
图7是本发明实施例提供的直流电机的最佳启动电流与转速关系示意图。
图8是本发明实施例提供的总线舵机的启动电流转速关系示意图。
图9是本发明实施例提供的单台总线舵机结构示意图。
图10是本发明实施例提供的多台总线舵机控制总线连接示意图。
图中：1、外部mcu单元；2、通信接口；3、单舵机控制器；4、电机驱动模块；5、直流电机；6、减速单元；7、输出舵盘；8、状态指示模块；9、负载；10、电流检测模块；11、温度检测模块；12、位置检测模块；13、速度检测模块；14、总线舵机；15、id002舵机；16、id00n舵机；17、总线vcc；18、总线data；19、总线gnd；20、id001舵机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的总线舵机的控制系统包括：外部mcu单元1、通信接口2、单舵机控制器3、电机驱动模块4、直流电机5、减速单元6、输出舵盘7、状态指示模块8、负载9、电流检测模块10、温度检测模块11、位置检测模块12、速度检测模块13。
通信接口2与单舵机控制器3和外部mcu单元1连接，用于单舵机控制器3与外部mcu单元1的双向通讯；通信接口2用于接收外部mcu单元1发送来的数据包，并解析数据包，把解析所得的对舵机控制的指令和参数传送给单舵机控制器3。同时也把单舵机控制器3回送的反馈信号发送给外部mcu单元1。
外部mcu单元1与通信接口2连接。外部mcu单元1负责向总线舵机14发出对总线舵机14的控制指令，并根据通信接口2回馈的舵机状态，如转动角度、负载电流、转动速度、舵机温升，通过比较及多种控制算法，不断对总线舵14发出各种控制指令。外部mcu单元1发出的指令有：复位指令、写数据、读数据、设置波特率、批量控制等指令。
电机驱动模块4与单舵机控制器3和直流电机5连接，电机驱动模块4根据单舵机控制器3发出的信号，对直流电机5的转角、转速、电流进行控制。
直流电机5与减速单元6连接，通过减速单元6，将直流电机5输出的高转速、小扭矩转换为低转速、大扭矩输出，实现了力矩放大。
直流电机5与电流检测模块10连接，通过电流检测模块10，检测直流电机5的负载电流，并传送给单舵机控制器3。
直流电机5与温度检测模块11连接，通过温度检测模块11，检测直流电机5的温度，并传送给单舵机控制器3，经过比较可发出温升状态指示模块。
直流电机5与速度检测模块13连接，通过速度检测模块13，检测直流电机5的转动速度，并传送给单舵机控制器3。
单舵机控制器3与通信接口2、电流检测模块10、温度检测模块11、速度检测模块13、位置检测模块12连接。从而构成了转动位置、电流、转速、三闭环控制系统，参见图2、图3。图2是总线舵机的位置转速电流控制三闭环系统的稳态结构图；图3是总线舵机的位置转速电流控制三闭环系统的稳态结构图说明；图3上标出了电流负反馈环、转速负反馈环、转角位置负反馈环；与传统舵机的转角位置控制单闭环系统的稳态结构图相比，可看出本发明所述总线舵机的三闭环系统的特点和优点。
单舵机控制器3通过通信接口2接收外部mcu单元1发来的控制指令，适时把检测到的电流信号、温度信号、转速信号、位置信号回馈给外部mcu单元1。总线舵机根据指令及控制算法，通过电机驱动模块4，控制直流电机5按照指令运转。
通过状态指示模块8，用声波或发光的方式，如用led灯的颜色指示舵机的工作状态：如得电状态、通讯状态、报警状态等；或用特定声波来指示。
减速单元6与输出舵盘7连接、输出舵盘7上均匀分布有刻度标识，方便组装。
输出舵盘7与负载9和位置检测模块12连接，通过输出舵盘7将舵机的大扭矩与负载连接，驱动负载运转。通过位置检测模块12，检测输出舵盘7的转动角度位置，并把该信息传送到单舵机控制器3。
本发明实施例提供了一种用于总线舵控制系统的方法包括以下步骤。
所述用于对单台总线舵机控制的方法包括以下步骤：
步骤一：设定了舵机的地址编号，即id。
步骤二：检查指定id的舵机是否已经连接。
步骤三：初始化舵机，即初始化舵机的状态信息和操作信息。
步骤四：读取舵机的状态信息。
步骤五：通过指令包，发出对舵机的操作信息。
步骤六：通过指令包，发出舵机启动的指令信息。
步骤七：舵机按照操作信息表的约束开始运转。
步骤八：通过指令包，向外部mcu单元回送舵机的运行状态，并监控舵机的运行状态，指示运行状态及报警保护。
本发明实施例提供了一种用于总线舵机控制的方法，所述用于对多台总线舵机控制的方法包括以下步骤：
步骤一：依次设定舵机的地址编号id，同一总线连接范围内的id号不可重复。
步骤二：依次检查指定id的舵机是否已经连接。
步骤三：依次对各id的舵机初始化舵机，即初始化舵机的状态信息和操作信息。
步骤四：依次读取舵机的状态信息。
步骤五：通过指令包，依次对各id的舵机发出对舵机的操作信息。
步骤六：通过指令包，依次对各id的舵机，发出舵机启动的指令信息。
步骤七：舵机按照操作信息表的约束开始运转。
步骤八：通过指令包，向外部mcu单元回送舵机的运行状态，并监控舵机的运行状态，指示运行状态及报警保护。
以下结合附图对本发明的工作原理做详细的说明：
本发明实现总线舵机良好性能的工作原理如下：
第一步：在总线舵机中，设置了转角位置速度控制三闭环系统，根据给定的运行电流值，总线舵机按照给定的运行电流值，提供恒力矩驱动负载。参考图6、图7、图8。总线舵机的启动电流转速关系示意图如图8所示，可看到电机的运转电流快速上升到直流电机最大允许电流idm，并维持在最大允许电流idm启动，实现了恒力矩驱动负载；在最大允许电流idm驱动下，总线舵机的直流电机的转速按照最大加速度运行，上升到直流电机的最大允许转速，在转速稍有超调量δnmax时即回调到直流电机的最大允许转速，实现了总线舵机的恒力矩启动，实现了舵机的快速响应。对照传统舵机的启动电流转速关系示意图(如图6所示)直流电机的启动电流没有按照直流电机的最大允许电流启动，无法实现恒力矩启动，直流电机的转速缓慢上升，快速响应性能不佳。图7直流电机的最佳启动电流与转速关系示意图。对照图6、图7、图8可见本发明所述的总线舵机的直流电机的启动电流和转速关系与图7最佳启动电流与转速关系基本一致。
第二步：根据给定的运行速度值，总线舵机按照给定的速度运行，根据给定的速度曲线图，总线舵机按照给定的速度曲线图运行。如给定舵机的正转五段速度运行图如图4所示，总线舵机有五个运行阶段：
(1)高速启动阶段：0～t1；
(2)高速运行阶段：t1～t2；
(3)最快减速阶段：t2～t3；
(4)柔性运行阶段：t3～t4；
(5)柔性停车阶段：t4～t5；
总线舵机在高速启动阶段0～t1，充分利用了直流电机的过载能力，转速快速达到指令指定的速度n；在高速运行阶段t1～t2，总线舵机的直流电机按照指令指定的速度稳定运行；在最快减速阶段t2～t3，总线舵机的转角即将到达指定转角，总线舵机的直流电机按照最大的减速度快速减速；在柔性运行阶段t3～t4，总线舵机柔性接近目标角度；在柔性停车阶段：t4～t5，总线舵机精确停车，超调量很小，在可控范围以内，消除了振荡和抖动。
总线舵机反转时的速度示意图如图5所示，在正转时，实现了按照五段速度图设定运行。在反转时，也实现了按照五段速度图设定运行。总线舵机正反转性能俱佳。实现了总线舵机的如下的优点：(1)具有良好的静特性；(2)具有良好的动态性能，启动时间短，动态响应快，超调量较小；充分利用了直流电机过载能力；(3)可以实现五段速度图运行；(4)系统抗扰性能强，电流闭环及时调整因电压波动对转速的影响，在转速还没有偏差时就快速及时调整了。
第三步；根据给定的转角位置值，总线舵机按照五段速度曲线图快速稳定运转到指定角度位置。因采取了五段速度图控制，总线舵机的转速超调量和调整时间都在一定可控范围以内，消除了舵机抖动。同时启动加速和减速的速率、运行速度、柔性运行速度是可通过指令包随时设置的。
第四步：总线舵机根据外部mcu单元的指令，总线舵机不断把运行状态回送外部mcu单元，外部mcu单元可以监控总线舵机当前的转动角度、转动速度、驱动电流、舵机的温度等指标，可根据需要适时做出调整。
第五步：当遇到夹手等情况时，总线舵机检测到驱动力矩超过设定值时，可及时撤销力矩，同时发出报警信息，如led闪烁等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。