專利名稱：具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置。
背景技術(shù)：
舵機(jī)是一種位置(角度)伺服控制器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)及航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)、DSP等數(shù)字控制系統(tǒng)非常容易與之接口。目前舵機(jī)主要分為兩類模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)。其兩種舵機(jī)均由馬達(dá)，齒輪及外殼構(gòu)成，但最大的差異在于控制電路。模擬舵機(jī)因?yàn)椴痪邆湮⑻幚砥鳎试谔厥馇闆r處理、控制死區(qū)及舵機(jī)反應(yīng)等情況較數(shù)字舵機(jī)有所缺陷。并且受體積、重量的限制，舵機(jī)一般安裝在 空間狹小的飛行器機(jī)翼或艙體內(nèi)部，眾多的機(jī)載電子設(shè)備同時(shí)一起工作，不同程度地通過電纜進(jìn)人舵機(jī)，干擾舵機(jī)的模擬電壓控制信號(hào)，增加舵機(jī)誤動(dòng)作概率，嚴(yán)重時(shí)甚至危及飛行器安全。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀而提供一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，該裝置接口簡單、控制準(zhǔn)確、電磁兼容性好，可以在不同情況、不同場合應(yīng)用。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案提供一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，所述裝置包括信號(hào)輸入單元、主控制芯片、電機(jī)控制單元和位置反饋單元；所述信號(hào)輸入單元與所述主控制芯片連接，用于接收舵機(jī)預(yù)期位置信息，并將所述預(yù)期位置信息發(fā)送到所述主控制芯片；所述位置反饋單元分別與所述舵機(jī)和主控制芯片連接，用于檢測所述舵機(jī)的實(shí)際位置，并將所述實(shí)際位置信息發(fā)送到所述主控制芯片；所述主控制芯片與所述電機(jī)控制單元連接，用于對(duì)所述預(yù)期位置信息和所述實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果向所述電機(jī)控制單元發(fā)送控制信號(hào)；所述電機(jī)控制單元與所述舵機(jī)連接，用于根據(jù)所述主控制芯片發(fā)送的控制信號(hào)，控制所述舵機(jī)向預(yù)期位置運(yùn)動(dòng)。其中，所述信號(hào)輸入單元包括PWM輸入接口、編碼器輸入接口、串口輸入接口、第一反相器、第二反相器、RS232串口芯片和輸入信號(hào)選擇子單元；所述第一反相器的輸入端與所述PWM輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接；所述第二反相器的輸入端與所述編碼器輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接；所述RS232串口芯片的輸入端與所述串口輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接；所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸出端與所述主控制芯片連接，用于在所述第一反相器、第二反相器和RS232串口芯片的輸出信號(hào)中選擇一路發(fā)送到所述主控制芯片。其中，所述主控制芯片包括位置比較模塊和PID模塊；所述位置比較模塊分別與所述信號(hào)輸入單元、位置反饋單元和PID模塊連接，用于對(duì)所述預(yù)期位置信息和所述實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送到所述PID模塊；所述PID模塊與所述電機(jī)控制單元連接，用于根據(jù)比較結(jié)果生成控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)發(fā)送到所述電機(jī)控制單元。其中，所述位置反饋單元為其主軸與所述舵機(jī)主軸連接在一起的高精度電位器。 其中，所述電機(jī)控制單元為H橋驅(qū)動(dòng)電路。其中，所述裝置還包括過流檢測單元，分別與所述電機(jī)控制單元和主控制芯片連接，用于檢測通過所述電機(jī)控制單元的電流值，并將檢測結(jié)果發(fā)送到所述主控制芯片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型的數(shù)字舵機(jī)控制裝置充分避免了電磁等噪聲對(duì)數(shù)字舵機(jī)控制準(zhǔn)確性、電磁兼容性的影響，并且此數(shù)字舵機(jī)控制裝置還提供了多種輸入接口，以供不同距離要求的應(yīng)用。使用本實(shí)用新型的數(shù)字舵機(jī)控制裝置控制的舵機(jī)可以準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的到達(dá)預(yù)定位置并可在電磁較高、噪聲較大的環(huán)境中正常運(yùn)行，同時(shí)最大通過電流可達(dá)到12A。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例的一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的信號(hào)輸入單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的H橋驅(qū)動(dòng)電路的電路圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的過流檢測單元的電路圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的舵機(jī)部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不用來限制本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型實(shí)施例的一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括信號(hào)輸入單元、主控制芯片、電機(jī)控制單元、位置反饋單元和過流檢測單元；所述信號(hào)輸入單元與所述主控制芯片連接，用于接收舵機(jī)預(yù)期位置信息，并將所述預(yù)期位置信息發(fā)送到所述主控制芯片。所述位置反饋單元分別與所述舵機(jī)和主控制芯片連接，用于檢測所述舵機(jī)的實(shí)際位置，并將所述實(shí)際位置信息發(fā)送到所述主控制芯片；本實(shí)施例中，所述位置反饋單元為其主軸與舵機(jī)主軸直接通過套件連接在一起的3或5圈高精度電位器，以保證舵機(jī)的準(zhǔn)確性。所述主控制芯片與所述電機(jī)控制單元連接，用于對(duì)所述預(yù)期位置信息和所述實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果向所述電機(jī)控制單元發(fā)送控制信號(hào)；本實(shí)施例中所述主控制芯片使用高性能、低功耗的AVR Megal6L單片機(jī)，此單片機(jī)具有多ADC輸入、多PWM產(chǎn)生方式等特點(diǎn)，充分滿足了本實(shí)用新型的要求。本實(shí)施例中所述主控制芯片包括位置比較模塊和PID模塊；所述位置比較模塊分別與所述信號(hào)輸入單元、位置反饋單元和PID模塊連接，用于對(duì)所述預(yù)期位置信息和所述實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送到所述PID模塊；所述PID模塊與所述電機(jī)控制單元連接，用于根據(jù)比較結(jié)果生成控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)發(fā)送到所述電機(jī)控制單元。所述電機(jī)控制單元與所述舵機(jī)連接，用于根據(jù)所述主控制芯片發(fā)送的控制信號(hào)，控制所述舵機(jī)向預(yù)期位置運(yùn)動(dòng)；本實(shí)施例中，所述電機(jī)控制單元使用H橋驅(qū)動(dòng)電路，H橋驅(qū)動(dòng)電路可以穩(wěn)定、精確的控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并可以通過較大的電壓及電流。所述過流檢測單元分別與所述電機(jī)控制單元和主控制芯片連接，用于檢測通過所述電機(jī)控制單元的電流值，并將檢測結(jié)果發(fā)送到所述主控制芯片。本實(shí)施例中，在舵機(jī)使用當(dāng)中因控制對(duì)象不同，需要的扭力也因此不同，這樣通過電流也就有可能超過12A，此模塊 是檢測電流值并把此值送入主制控芯片中。本實(shí)用新型實(shí)施例的信號(hào)輸入單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，所述信號(hào)輸入單元包括PWM輸入接口、編碼器輸入接口、串口輸入接口、第一反相器、第二反相器、RS232串口芯片和輸入信號(hào)選擇子單元；本實(shí)施例中的第一反相器和第二反相器采用統(tǒng)一的一個(gè)74HC14
-H-* I I
心/T 所述第一反相器的輸入端與所述PWM輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接；所述第二反相器的輸入端與所述編碼器輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接；所述RS232串口芯片的輸入端與所述串口輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接；所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸出端與所述主控制芯片連接，用于在所述第一反相器、第二反相器和RS232串口芯片的輸出信號(hào)中選擇一路發(fā)送到所述主控制芯片。其中，PWM輸入接口、編碼器輸入接口和串口輸入接口組成信號(hào)輸入端，本實(shí)用新型提供3種不同的輸入方式，用戶可以根據(jù)自身情況任選其一；第一反相器、第二反相器和RS232串口芯片為輸入端口控制芯片，主要功能為轉(zhuǎn)換及整形，以得到更精確的預(yù)期位置；由于這幾種輸入信號(hào)為或的關(guān)系，用戶只能選擇其中一種進(jìn)行控制，所以通過輸入信號(hào)選擇子單元進(jìn)行選擇。本實(shí)用新型實(shí)施例的H橋驅(qū)動(dòng)電路的電路圖如圖3所示。其中NPN型三極管Q5和Q6的基極為PWM信號(hào)H橋輸入端，輸入端分為兩個(gè)，分別控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的不同方向。當(dāng)需要電機(jī)向一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則向相應(yīng)方向輸入端提供PWM信號(hào)，另一端則為低電平，但兩端不可全為高電平。NPN型三極管Q5和Q6主要作用是開啟預(yù)期轉(zhuǎn)動(dòng)方向的主控三極管并可以保證三極管同時(shí)開啟，起到保護(hù)、同步等重要作用。電阻R5、R6、R7、R8為保護(hù)電阻，保護(hù)H橋主控三極管。三極管Q1、Q2、Q3和Q4為主控三極管，是H橋核心部分。通過同時(shí)開啟對(duì)交線處兩個(gè)三極管使電機(jī)向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以根據(jù)輸入的PWM波的占空比調(diào)整電機(jī)的速度。[0044]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的過流檢測單元的電路圖。其中，運(yùn)算放大器U3A的正極輸入端為電流檢測輸入端，與H橋驅(qū)動(dòng)電路相連；電阻R14和R15為比例電阻，這兩個(gè)電阻的比值決定對(duì)所測值的放大倍數(shù)；運(yùn)算放大器U3A用于放大所測值大小并輸出；信號(hào)Ii+為電路輸出信號(hào)，發(fā)送到主控制芯片。圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的舵機(jī)部分的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，舵機(jī)主軸I用于連接被控設(shè)備；減速器2由三層齒輪組成，主要目的為降低旋轉(zhuǎn)速度及加大扭矩、扭力；電位器3為位置反饋的重要元件，其主軸與舵機(jī)主軸直接通過套件連在一起，本實(shí)用新型使用3或5圈高精度電位器，以保證舵機(jī)的準(zhǔn)確性；直流電機(jī)4為核心動(dòng)力部件，帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)使被控設(shè)備達(dá)到預(yù)定位置。當(dāng)采用本實(shí)施例的數(shù)字舵機(jī)控制裝置時(shí)，用戶經(jīng)由PWM輸入接口(編碼器輸入接口、串口輸入接口)向主控制芯片提供舵機(jī)預(yù)期位置，此時(shí)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，位置反饋單元開始檢測舵機(jī)所處位置并把此數(shù)據(jù)送入主控制芯片；主控制芯片將預(yù)期位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，并將比較值送入PID中進(jìn)行處理，并把處理值送入電機(jī)控制單元；當(dāng)預(yù)期位置與實(shí)際 位置相同時(shí)，則停止舵機(jī)運(yùn)動(dòng)；如果用戶改變預(yù)期位置則重復(fù)此過程。其中主控制芯片使用的AVR Megal6L單片機(jī)；電機(jī)控制單元使用H橋控制電路以確保主控制芯片對(duì)舵機(jī)控制準(zhǔn)確性；信號(hào)輸入電路使用了 RS232串口芯片及74HC14芯片以對(duì)輸入信號(hào)整形；位置反饋單元使用3 5圈高精度電位器以保證舵機(jī)位置的準(zhǔn)確性及可調(diào)性。具體工作過程如下用戶通過選擇信號(hào)輸入端(由PWM輸入接口、編碼器輸入接口和串口輸入接口組成)中的輸入方式向舵機(jī)提供預(yù)期位置信號(hào)，使用PWM輸入時(shí)一般使用50Hz、5V高電平、范圍在I 2ms ;此信號(hào)經(jīng)過輸入端口控制芯片(根據(jù)不同的輸入方式分別采用第一反相器、第二反相器和RS232串口芯片)的整形后送入主控制芯片中進(jìn)行處理，此步作用是獲取準(zhǔn)確的預(yù)期位置信號(hào)，去除噪聲對(duì)此信號(hào)的影響；主控制芯片中獲取信號(hào)，計(jì)算位置值并將此值送入PID，此時(shí)PID將此值及位置反饋單元中檢測到的實(shí)際位置值對(duì)比并進(jìn)行運(yùn)算，然后經(jīng)由主控制芯片得到2路PWM波；接收到PWM波的H橋電路驅(qū)動(dòng)圖5中的直流電機(jī)4，向預(yù)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到預(yù)期位置。在圖5中，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)由減速器2傳至舵機(jī)主軸1，減速的目的是降低速度及加大舵機(jī)扭力；當(dāng)舵機(jī)主軸I轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位器3也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并實(shí)時(shí)的向主控制芯片傳送舵機(jī)的實(shí)際位置；當(dāng)實(shí)際位置與預(yù)期位置相同時(shí)，H橋驅(qū)動(dòng)電路則會(huì)收到2個(gè)持續(xù)的低電平信號(hào)，以使舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。本實(shí)用新型的數(shù)字舵機(jī)控制裝置充分避免了電磁等噪聲對(duì)數(shù)字舵機(jī)控制準(zhǔn)確性、電磁兼容性的影響，并且此數(shù)字舵機(jī)控制裝置還提供了多種輸入接口，以供不同距離要求的應(yīng)用。使用本實(shí)用新型的數(shù)字舵機(jī)控制裝置控制的舵機(jī)可以準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的到達(dá)預(yù)定位置并可在電磁較高、噪聲較大的環(huán)境中正常運(yùn)行，同時(shí)最大通過電流可達(dá)到12A。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，其特征在于，所述裝置包括信號(hào)輸入單元、主控制芯片、電機(jī)控制單元和位置反饋單元； 所述信號(hào)輸入單元與所述主控制芯片連接，用于接收舵機(jī)預(yù)期位置信息，并將所述預(yù)期位置信息發(fā)送到所述主控制芯片； 所述位置反饋單元分別與所述舵機(jī)和主控制芯片連接，用于檢測所述舵機(jī)的實(shí)際位置，并將所述實(shí)際位置信息發(fā)送到所述主控制芯片； 所述主控制芯片與所述電機(jī)控制單元連接，用于對(duì)所述預(yù)期位置信息和所述實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果向所述電機(jī)控制單元發(fā)送控制信號(hào)； 所述電機(jī)控制單元與所述舵機(jī)連接，用于根據(jù)所述主控制芯片發(fā)送的控制信號(hào)，控制所述舵機(jī)向預(yù)期位置運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，其特征在于，所述信號(hào)輸入單元包括PWM輸入接口、編碼器輸入接口、串口輸入接口、第一反相器、第二反相器、RS232串口芯片和輸入信號(hào)選擇子單元； 所述第一反相器的輸入端與所述PWM輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接； 所述第二反相器的輸入端與所述編碼器輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接； 所述RS232串口芯片的輸入端與所述串口輸入接口連接，輸出端與所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸入端連接； 所述輸入信號(hào)選擇子單元的輸出端與所述主控制芯片連接，用于在所述第一反相器、第二反相器和RS232串口芯片的輸出信號(hào)中選擇一路發(fā)送到所述主控制芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，其特征在于，所述主控制芯片包括位置比較模塊和PID模塊； 所述位置比較模塊分別與所述信號(hào)輸入單元、位置反饋單元和PID模塊連接，用于對(duì)所述預(yù)期位置信息和所述實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)送到所述PID模塊； 所述PID模塊與所述電機(jī)控制單元連接，用于根據(jù)比較結(jié)果生成控制信號(hào)，并將所述控制信號(hào)發(fā)送到所述電機(jī)控制單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，其特征在于，所述位置反饋單元為其主軸與所述舵機(jī)主軸連接在一起的高精度電位器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，其特征在于，所述電機(jī)控制單元為H橋驅(qū)動(dòng)電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項(xiàng)所述的具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，其特征在于，所述裝置還包括過流檢測單元，分別與所述電機(jī)控制單元和主控制芯片連接，用于檢測通過所述電機(jī)控制單元的電流值，并將檢測結(jié)果發(fā)送到所述主控制芯片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有飛艇用大扭矩舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的裝置，包括信號(hào)輸入單元，與主控制芯片連接，用于接收舵機(jī)預(yù)期位置信息，并將預(yù)期位置信息發(fā)送到主控制芯片；位置反饋單元，分別與舵機(jī)和主控制芯片連接，用于檢測舵機(jī)的實(shí)際位置，并將實(shí)際位置信息發(fā)送到主控制芯片；主控制芯片，與電機(jī)控制單元連接，用于對(duì)預(yù)期位置信息和實(shí)際位置信息進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果向電機(jī)控制單元發(fā)送控制信號(hào)；電機(jī)控制單元，與舵機(jī)連接，用于根據(jù)主控制芯片發(fā)送的控制信號(hào)，控制舵機(jī)向預(yù)期位置運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型的數(shù)字舵機(jī)控制裝置充分避免了電磁等噪聲對(duì)數(shù)字舵機(jī)控制準(zhǔn)確性、電磁兼容性的影響，并且此數(shù)字舵機(jī)控制裝置還提供了多種輸入接口，以供不同距離要求的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G05B19/04GK202557793SQ201120222498
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者王立峰, 李雙翼 申請(qǐng)人:北方工業(yè)大學(xué)