[发明专利]一种总线舵机的控制系统及控制方法

说明书

本发明属于自动控制技术领域，公开了一种总线舵机的控制系统及控制方法，设定舵机的地址编号ID；检查指定ID的舵机是否已经连接；初始化舵机，初始化舵机的状态信息和操作信息；读取舵机的状态信息；通过指令包，发出对舵机的操作信息；通过指令包，发出舵机启动的指令信息；总线舵机按照操作信息表的约束开始运转；通过指令包，总线舵机回送指示运行状态及报警保护。本发明形成转角位置、转速、电流反馈控制三闭环负反馈控制系统，具有良好的静特性和动态性能，启动时间短，动态响应快，超调量较小；本发明充分利用了直流电机过载能力；可以实现五段速度图运行；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，能够快速及时调整转速偏差。

技术领域

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。