一种基于多协议的混联舵机控制设备
阅读：753发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种基于多协议的混联舵机控制设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种基于多协议的混联 舵 机控制设备，包括：霍尔 传感器 、三相MOS管驱动单元、 位置 传感器 、三相 电流 采集单元和主控芯片；霍尔传感器用于采集三相直流无刷 电机 M的 相位 信息，并且计算当前相位和需要切换的下一个相位； 位置传感器 ，在 磁场 环境采集当前 输出轴 位置信息，并向主控芯片发送与采集到的当前输出轴位置信息相应的信息；主控芯片根据从位置传感器接收到的信息向三相MOS管驱动单元发送PWM 信号 ，以驱动三相直流无刷电机M。，下面是一种基于多协议的混联舵机控制设备专利的具体信息内容。
1.一种基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于包括：霍尔传感器、三相MOS管驱动单元、位置传感器、三相电流采集单元和主控芯片；霍尔传感器用于采集三相直流无刷电机M的相位信息，并且计算当前相位和需要切换的下一个相位；位置传感器，在磁场环境采集当前输出轴位置信息，并向主控芯片发送与采集到的当前输出轴位置信息相应的信息；
主控芯片根据从位置传感器接收到的信息向三相MOS管驱动单元发送PWM信号，以驱动三相直流无刷电机M。
2.根据权利要求1所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于还包括：通信模块，其包括用于接收及传递指令的CAN通信口和USART通信口。
3.根据权利要求2所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于，在通信模块中，CAN通信方式和485通信方式被设置成中断接收模式，其中当总线存在指令数据时触发中断调用去接收指令数据，并且将指令数据存在队列里而非直接解析，存在队列里面的指令数据由主程序检测并读取数据以进行指令解析。
4.根据权利要求1或2所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于还包括：协议解析器，用于解析主程序检测并读取的指令的协议类型，以便将指令分配到不同的协议组进行二次解析，其中在第二次解析时解析指令具体内容以将指令发送到消息队列中以便指令执行线程从消息队列中读取指令动作并进行执行。
5.根据权利要求1或2所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于，位置传感器是磁编码器。
6.根据权利要求1或2所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于，霍尔传感器采用六步换向法进行计算当前相位和需要切换的下一个相位。
7.根据权利要求1或2所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于，还包括用于利用实时位置纠偏反馈实现设定角度的位置PID调节的力矩调节单元，其采用速度和位置双闭环，在检测到力矩超过预定范围而导致位置偏移时，位置闭环反馈一个错误值至速度环，以驱动舵机输出与位置偏移量成正比的反向力矩。
8.根据权利要求7所述的基于多协议的混联舵机控制设备，其特征在于，力矩调节单元采用的舵机的速度PID调节公式为：
其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Td为积分时间常量，假设采样时间间隔为T，则在k时刻：
偏差为e(k)；
积分为e(k)+e(k-1)+e(k-2)+...+e(0)；
微分为(e(k)-e(k-1))/T；
对公式离散化之后得到：
由位置PID推算出增量式PID如下：
△u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))。
一种基于多协议的混联舵机控制设备
技术领域
背景技术
[0002] 随着机器人的发展，各种各样的机器人出现在了人们生活的视野，工业机器人的大功率机械臂已经发展的很成熟，服务机器人种类也五彩斑斓，从家庭的扫地机器人，到儿童的教育机器人，再到大型的巡逻机器人，服务机器人再近几年得到了飞速的发展；因为机器人的大部分能量来源为电力，所以机器人的大部分运动都有电机驱动，从简单的直流有刷电机到伺服电机，为了动作的准确性，电机的精度也越来越高。
[0003] 例如，中国专利申请CN201720938939.1公开了一种用控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线控制的舵机协议，包括指令发送，CAN接收器，角度传感器，步进电机等模块。该专利主要实现了通过CAN协议通信控制，并且控制协议单一，指令集简单，拓展性能差。
[0004] 又比如，中国专利申请CN200620047637.7公开了一种舵机控制器，通过MCU和舵机之间加载一个控制器来控制舵机。这种方法对一个舵机控制比较方便，但是多于多舵机控制系统就无法满足需求，而且一般机器人都包含多个舵机结构。
[0005] 目前大部分舵机都是由有刷电机，电位器，驱动电路组成，传统有刷电机的缺陷，已不满足机器人技术快速发展的需求，我们经常遇到的问题是换相容易产生高温之电弧、火花、金属屑，而且寿命短、不容易控制，精度不够等缺点，使舵机的维修率提高，增加了产品成本。在调试中看来，舵机的不稳定性，经常导致机器人失足，重心不稳，或舵机摆动幅度过大，导致关节部位卡住无法定位，这些都是不可接受的。
[0006] 在舵机控制协议上，大多数的舵机都只是支持CAN或者485总线其中的一种，没有得到两者兼并的功能，在指令协议上，基本上都只支持一种指令协议的解析及控制，这种控制方法使舵机的使用局限性较大，不能更好的进行。
发明内容
[0007] 本发明旨在解决舵机在通信和控制的时候能够支持更多的总线和协议问题。因此在本发明中，提出了CAN总线和485总线并存的方式，使舵机的应用场景更加灵活、多样，更好的适应不同的控制平台和不同的控制协议，适应性更强，控制更加方便；在本发明中也提出了多指令并存和切换的控制方法，即多种指令协议并存，能够切换多种控制方案，使舵机的控制更加灵活，让编程更加方便。
[0008] 根据本发明，提供了一种基于多协议的混联舵机控制设备包括：霍尔传感器、三相MOS管驱动单元、位置传感器、三相电流采集单元和主控芯片；霍尔传感器用于采集三相直流无刷电机M的相位信息，并且计算当前相位和需要切换的下一个相位；位置传感器，在磁场环境采集当前输出轴位置信息，并向主控芯片发送与采集到的当前输出轴位置信息相应的信息；主控芯片根据从位置传感器接收到的信息向三相MOS管驱动单元发送PWM信号，以驱动三相直流无刷电机M。
[0009] 优选地，基于多协议的混联舵机控制设备还包括：通信模块，其包括用于接收及传递指令的CAN通信口和USART通信口。
[0010] 优选地，在通信模块中，CAN通信方式和485通信方式被设置成中断接收模式，其中当总线存在指令数据时触发中断调用去接收指令数据，并且将指令数据存在队列里而非直接解析，存在队列里面的指令数据由主程序检测并读取数据以进行指令解析。
[0011] 优选地，基于多协议的混联舵机控制设备还包括：协议解析器，用于解析主程序检测并读取的指令的协议类型，以便将指令分配到不同的协议组进行二次解析，其中在第二次解析时解析指令具体内容以将指令发送到消息队列中以便指令执行线程从消息队列中读取指令动作并进行执行。
[0012] 优选地，位置传感器是磁编码器。
[0013] 优选地，霍尔传感器采用六步换向法进行计算当前相位和需要切换的下一个相位。
[0014] 优选地，基于多协议的混联舵机控制设备包括用于利用实时位置纠偏反馈实现设定角度的位置PID调节的力矩调节单元，其采用速度和位置双闭环，在检测到力矩超过预定范围而导致位置偏移时，位置闭环反馈一个错误值至速度环，以驱动舵机输出与位置偏移量成正比的反向力矩。
[0015] 优选地，力矩调节单元采用的舵机的速度PID调节公式为：
[0016]
[0017] 其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Td为积分时间常量，假设采样时间间隔为T，则在k时刻：
[0018] 偏差为e(k)；
[0019] 积分为e(k)+e(k-1)+e(k-2)+...+e(0)；
[0020] 微分为(e(k)-e(k-1))/T；
[0021] 对公式离散化之后得到：
[0022]
[0023] 由位置PID推算出增量式PID如下：
[0024] △u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))。
[0025] 本发明使用无刷直流电机BLDC用作舵机驱动的方法，无刷直流电机BLDC比传统的有刷电机寿命长，减少了机械换向，避免在换向时产生火花，可以用作特殊场合；并且电子换相突破了机械换向带来的速度上限，使转速提到了更大的提升。而且对于舵机的通信方面，因为采用了CAN/485两种总线通信方式，所以在用户选择控制平台和方法上，提供了很大的便利，不会因为用户平台的接口数量不够而被限制，并且两种总线都支持多个设备挂载功能，在实现串联控制上面提供了方便。附图说明
[0026] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
[0028] 图2示意性地示出了CAN协议模型。
[0029] 图3示意性地示出了485通信模型。
[0030] 图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备的通信模块中指令接收模型。
[0031] 图5示意性地示出了三相H桥拓扑结构。
[0032] 图6示意性地示出了三相通电顺序与磁场。
[0033] 图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备的协议解析器的协议解析操作。
[0034] 图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备的协议解析器的命令执行流程。
[0035] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
[0036] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
[0037] <第一实施例>
[0038] 图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备的系统框图。
[0039] 如图1所示根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备包括：霍尔传感器100、三相MOS管驱动单元200、位置传感器300、和主控芯片400；霍尔传感器100用于采集三相直流无刷电机M的相位信息，并且计算当前相位和需要切换的下一个相位(例如采用六步换向法进行计算)；位置传感器300(例如，位置传感器300是磁编码器，比如AS5600磁编码器)，在磁场环境采集当前输出轴位置信息，并向主控芯片400发送与采集到的当前输出轴位置信息相应的信息；主控芯片400根据从位置传感器300接收到的信息向三相MOS管驱动单元200(例如，TI的8302驱动芯片)发送PWM(脉冲宽度调制)信号，以驱动三相直流无刷电机M(例如通过6桥MOS管驱动三相直流无刷电机M)。
[0040] 在通信方面预留了CAN通信口和USART通信口，指令可以通过两种通信方式进行接收。具体地，如图1所示，基于多协议的混联舵机控制设备还包括：通信模块500，其包括用于接收及传递指令的CAN通信口和USART通信口。
[0041] 例如，舵机的主控芯片采用的STM32f103，这是ST公司推出的一款低功耗的32位ARM架构微控制器，其内核是Cortex-M3，在伺服电机方面的应用尤为广泛；芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种外设。霍尔传感器100通过GPIO中断读取，磁编码器300通过IIC通信读取位置信息，通过高级定时器产生PWM去驱动三相直流无刷电机，上层可以通过CAN/USART去给舵机发送指令。
[0042] <通信方式>
[0043] 舵机通信方式有两种，既可以通过CAN总线发送指令到舵机，又能通过485总线发送指令。CAN总线是ISO国际标准化的串行通信协议，CAN协议是通过数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧、帧间隔5种类型进行的，本方案选择的总线为数据帧；数据帧由帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束7段组成。
[0044] CAN协议的主要模型如图2所示，在总线上，CAN通信通过一根高位数据线CAN_H和一根低位数据线CAN_L分别与与第一单元1和第二单元2等通信，比串口少一根地线，其中多个CAN从机挂载在总线上，当有一个主机发送数据时，所有从机都能接收到数据。
[0045] 485总线是半双工工作方式，采用平衡发送查分接收，具有抑制共模干扰的能力；发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号，因此485总线包含A、B两路信号线和地线，就可以实现多个节点串联通信，其通信模型如图3所示。
[0046] 485总线包含一个使能口，这个接口是控制这个节点上的设备处于发送模式还是接收模式，当前节点处于发送模式时需要给使能高电平，需要处于接收模式时，给使能低电平。
[0047] 在通信模块500中，CAN通信方式和485通信方式被设置成中断接收模式，其中当总线存在指令数据时，就会触发中断调用去接收指令数据，并且将指令数据存在队列里面，并非直接拿去解析，这样也是防止数据量大的情况下丢数据发生；主程序检测到队列里有数据时就会去读取数据来进行指令解析；通信模块500中指令接收模型如下图4所示。
[0048] <直流无刷电机驱动>
[0049] 优选地，本设计采用的电机为无刷直流电机BLDC，优于传统的有刷电机，使用寿命长，返修率低等直流无刷电机为三相供电，其中定子为永磁铁构成，在电机内部形成一个固定的磁场，转子为三相线圈，需要通过给线圈供电形成和定子成90°磁场才能驱动电机转动，所以在无刷电机转动的过程中，需要不断的给转子换相切换转子磁场来提供动力。
[0050] 驱动无刷电机三相的为三相H桥逆变器，是由六个P-MOSFET组成，通过控制MOS的开关来控制三相的电流方向，其三相H桥的拓扑结构如图5所示。这是其中B相的桥电路原理图，当需要驱动当Q202打开，Q203关闭时，VB则导通，同时在A相的相应的器件分别关闭和打开，相应端口就会被接地；此时电流会从B相流入A相流出，根据电流的流向，在电机内部形成两个磁场，两个磁场通过矢量相加得到一个与永磁铁磁场成90度的电磁场。
[0051] 由此推出在A B C三相其中两相通电得到六种不同的内部磁场方向，每个方向互成60度，并且其通电顺序时固定的，因为这样才能是磁场朝一个方向旋转；磁场的旋转方向和三相通电顺序关系如图6所示，其中S和N分别表示磁场的南极和北极。
[0053]
[0054] 在考虑稳态时有 iA＝-iB＝const (2)
[0055] 所以上诉方程可以简化为(3)
[0056] U-2△U＝2RiA+EAB (3)
[0057] U-2△U＝2RiA+Ken (4)
[0058] 则可得BLDC的机械特性：
[0059]
[0060] 其中
[0061] △U MOS管导通压降
[0062] RA＝Rb＝Rc 相电阻
[0063] EAB＝EA-EB 线反向电动势
[0064] Ke 平均反电动势系数
[0065] KT 平均转矩系数
[0066] 在开始转动的时候，通过霍尔传感器得到当前转子位置，然后驱动对应的相位，在下一个相位的时候，通过中断实时更新相位信息形成换相动作。
[0067] <多协议转换>
[0068] 根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备还可以包括一个协议解析器。图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的基于多协议的混联舵机控制设备的协议解析器的协议解析操作。
[0069] 如图7所示，本发明在处理舵机的指令解析上面，支持多种指令协议，当数据指令从队列里读取出来之后通过解析器，解析数据的协议类型，然后分配到不同的协议组去进行二次解析，第二次解析主要是解析指令的具体传达的命令，最后把命令发送到消息队列里，指令执行线程从消息队列里读取指令动作并进行执行。
[0070] 协议解析器把指令是哪种协议的指令进行解析分类(例如，可分为第一类协议类型11、第二类协议类型12、第三类协议类型13、第四类协议类型14)，这样才能把指令传入不同的指令解析器；协议解析器是通过数据指令包的数据头格式，不同的协议，其头数据格式是不一样；指令解析时候，得到的具体执行命令会传到消息队列里面，如图8所示。
[0071] ＜力矩保持＞
[0072] 本发明在舵机锁住扭矩上面，还包括一个力矩调节单元，实现了设定角度的位置PID调节，运用实时位置纠偏反馈，运用速度和位置双闭环保证位置的不偏离；当力矩过大而出现位置偏移时，位置闭环会反馈一个错误值，并将这个值给到速度环，就会驱动舵机输出一个反向力矩，这个力矩和位置偏移量成正比，当这个力矩等于外部作用力的时候舵机趋于稳定。
[0073] 舵机的速度PID调节主要公式为：
[0074]
[0075] 其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常量，Td为积分时间常量，假设采样时间间隔为T，则在k时刻：
[0076] 偏差为e(k)；
[0077] 积分为e(k)+e(k-1)+e(k-2)+...+e(0)；
[0078] 微分为(e(k)-e(k-1))/T；
[0079] 对公式离散化之后得到：
[0080]
[0081] 由位置PID推算出增量式PID如下：
[0082] △u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))。
[0083] <发明效果>
[0084] 本发明提出了多种通信协议同时接收指令数据的方法，通过数据队列预存指令，主程序循环监听队列，一旦有新数据存入就取出新数据进行解析，这样既加快了数据的存取速度，也避免了接收大量数据出现丢失的请况。
[0085] 本发明提出了使用无刷直流电机BLDC用作舵机驱动的方法，通过检测转子当前位置实时实现电子换相，并通过三相H桥MOS管开关进行三相驱动，包括实时电流检测，电机问题监控等异常报警功能。
[0086] 本发明使用多协议方法解析指令，可以通过多种指令类型进行控制，无需重新烧写固件即可实现多种协议自由切换和控制。
[0087] 本发明使用无刷直流电机BLDC用作舵机驱动的方法，无刷直流电机BLDC比传统的有刷电机寿命长，减少了机械换向，避免在换向时产生火花，可以用作特殊场合；并且电子换相突破了机械换向带来的速度上限，使转速提到了更大的提升。而且对于舵机的通信方面，因为采用了CAN/485两种总线通信方式，所以在用户选择控制平台和方法上，提供了很大的便利，不会因为用户平台的接口数量不够而被限制，并且两种总线都支持多个设备挂载功能，在实现串联控制上面提供了方便。
[0088] 需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[0089] 可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
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