机器人中舵机应用原理毕业论文

机器人中舵机应用原理毕业论文内容摘要：

毕业设计 13 7 管脚 也与脉冲 展宽器相连，用来设置脉冲展宽器的增益，检测到的波形变化如图 8： 图 8 信号调制芯片 7 管脚变化结果 通过检测得到固定的三角波，因此推断出芯片的脉冲展宽器增益不变。 8 管脚与芯片中的参考电压调节器相连，管脚外接电位器的一端。 通过电路框图得知参考电压调节器这个模块在芯片中属于独立模块与其它模块并未相连，通过检测结果得知，其管脚电压固定为 ，属于参考基准电压。 11 管脚与芯片内部的线性脉冲产生器相连。 检测后 9 管脚为固定的电压值。 北京联合大学 毕业设计 14 检测后 11 管脚 的波形结果图 9： 图 9 信号调制芯片 11 管脚波形变化结果 得到周期近似不变，但电压幅值根据输入脉冲变化的三角波。 10 管脚为两个反馈环节的信号叠加，取自电机的速度反馈和和取自电位器的位置反馈 ， 通过叠加后由 10 管脚进入信号调制芯片的线性脉冲产生器。 给定正脉宽为 ， 1ms ， ， 2ms ， 的五种脉冲， 10 管脚的检测结果分别为五个幅值不同的电压值 ， ， ， 和 ， 与 11 管脚实现电压信号的叠加。 电机驱动芯片 BALl6686 的管脚电压 检测 北京联合大学 毕业设计 15 对电机的驱动芯片 BAL6686 进行检测时，通过电路框图可知 6 管脚连接电机转动， 分别接电机两端， 电机的转动规律必定跟 6 管脚的波形变化相关。 所以对 6 管脚同时检测， 由于闭环时 电机转动到一个角度后很快停止，示波器不能很快跟踪到波形变化情况。 所以先断开电机，检测开环时驱动芯片 6 管脚的变化情况。 检测结果如 图 10： 图 10 开环时驱动芯片 6 管脚的变化结果 北京联合大学 毕业设计 16 如检测结果所示， 6 管脚电平正好相反， 因此满足直流电机转动要求。 但开环时的检测结果并不能准确反映电路的运行情况，需要让电机转动带上反馈装置进一步测量舵机闭环时的 6 管脚波形变化情况。 但电机一旦转动，就会产生相应的电磁干扰，波形的变化情况会不稳定，而且闭 环结果会在很快的速度内让电机停转，下一个脉冲来临后电机继续转动。 因此只能近似描绘出闭环时 6 管脚的波形变化。 闭环运行时驱动芯片 6 管脚的波形变化情况如 图 11： 图 11 闭环运行时驱动芯片 6 管脚的波形变化结果 北京联合大学 毕业设计 17 以上的波形图只是一个近似情况 ，在电机转动时对管脚 波形的抓拍，电机转到指定角度后会停止，停止后不会再有波形的变化。 6 管脚都恒定为固定的电压值 和。 以上的波形图并没有标注波形周期或正负脉冲宽度，因为它不是周期波形，在电机转动中它会变化，随着电机将要停转时， 6 管脚也就会 变成稳定电压值。 可以观察出在输入 脉宽时，管脚波形已经是两个平稳的电压，因为此时的舵机并没有转动而是停在 90176。 当 1ms 的脉宽到来时，舵机才开始转动。 还有一点需要注意，在 时，波形跟前几种脉冲有很大的区别，原因是在这时候舵机已经 停在了舵盘上 90176。 的位 置，舵盘不能再继续转动了，但电机还再转动，这就形成了舵机的堵转。 这并不影响舵机在机器人中的应用。 一般高精度的舵机，就会避免这一现象，转到90176。 时舵机也会停止。 如果电机在此时不停的转动，那就会大大的消耗电源功率。 直流电机参数测量 为了对舵机电路中的速度反馈 环节 进行研究 ，需要检测直流电机的内阻和额定电路。 检测电机内阻方法是拆下舵机中的电机，给电机串联一个电阻，电阻阻值要选的适当（应满足电机要转但无法转时）因为此时没有电势存在。 试验中 选择 200 欧姆 的电阻，并给电路加 5V 稳压源。 如图 12 所示 ： 图 12 检测方法示意图 用万用表测试 200 欧姆上的电压为 ， Ra 上的压降就 为 ，计算出电机内阻为 ，测量电机内阻只为了知道其是否小到可以忽略，这种方法的测量所得到的也只是近似值。 电机的额定电流的检测很困难， 因为流过电机的电流总是在变化。 实验中采用间接测量舵机电路总 电流 的方式 ，如果总电流很小，那么流过电机的电流就会更小。 检测舵机电路总电流的方法同检测电机内阻的方法一样，在 舵机 总电路中串联电阻，这个电阻一定要很小，否则舵机不会运行 ，选 欧姆。 北京联合大学 毕业设计 18 如图 13 所 示： 图 13 检测方法示意图 用万用表检测到 ，算得舵机总电路流过的电流为。 因此可知流过舵机内部直流电机的最大值为 ，但流过舵机内直流电机的电流，应该会比电路总电流小很多 ，此时可以近似忽略。 根据实验结果进行舵机电路工作原理分析 通过对舵机内部电路的检查结果进行分析， 可以基本了解舵机电路的工作原理。 控制器的脉冲信号从 12 管脚进入信号调制芯片 ，与芯片内部的线性脉冲产生器产生的三角波通过脉宽比较器进行比较。 比较出脉宽误差 信号 和方向误差信号 ，两种误差信号 进入芯片的脉冲展宽器进行信号放大。 得到直流的偏置电压，从 3 管脚输出，通过滤波电容滤波后进入电机驱动芯片的 5 脚，驱动芯片为 H 桥驱动电路， 6脚连接直流电机。 信号调制芯片得到脉冲后，电机就开始旋转，电机旋转通过齿轮组带动电位器旋转。 信号调制芯片的 8 管脚接电位器的一端，检测结果为固定电压。 通过检测驱动芯片 6 管脚的电压的结果得知，电机停转后两个管脚的电压为 和 ，和 电位器的电压近似相等 ，因此得知当驱动芯片 6 管脚的电压与电位器电 压相等时，电机就停转。 下一个 脉 冲信号到来时电机继续转动，直到 6 管脚的电压和电位器电压相 等后，电机再次停转。 舵机就是用这样的方法让舵盘转动到目标角度的，这就是舵机电路中用电位器实现的位置反馈。 电机转动以后会产生感应电动势。 根据电磁感应定律，无论作为电动机还是作为发电机运行，电枢都会产生感应电动势， 电动机的感应电动势一般称为反电动势。 电动机的感应电动势会与 转速成比例变化 即： eE C n （式 1） 北京联合大学 毕业设计 19 通过对舵机电路框图的观察可知， futaba s3003 模拟舵机电路中，速度反馈环取自电机的端电压，依据的原理公式 ： RIEU dd  （式 2） 可知，当忽略 RId 时可有： deU E C n （式 3） 即认为此时电压近似等于电势，也就是说电压反馈近似速度反馈。 如此方法构成了舵机电路中的速度反馈环。 通过对电机参数的检测可知 RId 最大值为 1，通过对电路框图的分析， dU 最大值为 5，如果 全部按最大值计算，那么此时的速度反馈存在20%的误差精度。 两个反馈环节 的反馈信号 叠加后 通过 10 管脚进入信号调制芯片 ，再次比较脉宽误差信号和方向误差信号，通过展宽送给驱动芯片。 这里需要指出， Futaba 之外的其它厂家使用的不是 BA6688 这款 IC， 一般选择 M51660、 AA518 YT5166，这些芯片一般没有速度反馈环，只有一个电位器的位置反馈环，可见两者反馈的叠加可以更好的保证最高速度稳定。 对电路的研究可知， 此舵 机电路存在一定的缺点，由于输入电压范围较窄，不能准确的控制速度。 在本次实验中，尝试了修改电路参数的方法， 提高舵机的速度控制。 最后得出结论，可以通过增大速度控制环的增益改变舵机的速度，方法就是把舵机电路中速度控制环的增益电阻减小，用 320KΩ的电阻，代替速度控制环的 910K 电阻。 但这样做的同时增加了整个伺服环的增 益，结果导致了舵机的不稳定，运行时舵机的输出轴不能到达指定的位置。 通过减少脉冲展宽器增益的数值就解决了上述舵机不稳定的问题，方法是用 F 的陶瓷电容代替 7 管脚 F 的电容。 经过这样的参数改变后，当改变舵机的控制脉冲时，电机速度就可以出现一个。