[发明专利]复杂控制的高精度总线型数字式微型伺服电机及其应用

说明书

本发明提供了一种微型伺服电机及其应用，本发明的微型伺服电机包括直流电机、变速齿轮组、输出轴、角传感器和控制板，所述控制板包括若干子控制板，所述子控制板层叠设置形成多层结构，各子控制板间通过电连接件进行连接，以实现信号传输；所述微型伺服电机还包括接口板，所述接口板、所述多层结构和所述角传感器依次层叠设置，所述接口板通过电连接件连接相应的子控制板，以实现信号传输；所述角传感器与所述输出轴连接；所述直流电机通过所述变速齿轮组与所述输出轴传动连接；所述接口板和所述多层结构均设置在所述直流电机的侧面。

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别涉及一种复杂控制的高精度总线型数字式微型伺服电机及其应用。

背景技术

近些年来，随着自动化和人工智能技术的发展，对机器或机器人的高精度和复杂控制提出了更高的要求。以机器人为例，机器手臂关节的转动动作一般可通过舵机来实现。舵机是一种位置/角度伺服的驱动器，即伺服电机，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其中，微型伺服电机或微型舵机常常被应用于航模、赛车、小型机器人等领域。例如图1所示的Futaba S3003是现有应用较为广泛的微型舵机型号之一，在上述领域中很多市售的配件被制作成可直接适配这款微型舵机。

传统的舵机不具有微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，也称作模拟舵机，其根据接收到模拟电压控制指令和机械连动位置传感器反馈电压之间比较产生的差分电压，驱动有刷直流伺服电机正/反运转到指定位置。这种舵机一般采用电位器作为机械连动位置传感器，其最大的缺点是对于发射机发出的细小动作指令反应迟钝，或者根本没有反应，无法实现精确的控制。此外，这种舵机多采用并行控制，即多个舵机单独从系统主控制模块获得控制信号和电源信号。这使得当系统需要多个舵机时，系统走线非常繁琐，系统主控制模块的运算负荷大、所需接口多，因而无法实现小型化和复杂的控制。

为解决传统舵机的上述问题，现有技术中出现了一类具有MCU的数字舵机，这类舵机多采用总线控制。即在具有多个舵机的系统中，每个舵机的MCU可分别对系统主控制模块发出的控制信号进行接收和处理，从而分别控制其所在的舵机，因此减轻了系统主控制模块的运算负荷。然而，这类数字舵机仍采用电位器作为机械连动位置传感器，其感应精度较低，导致MCU对传感器发出的位置信号的回读频率也较低(约几百赫兹)，仍然难以实现高精度的控制。此外，虽然这类舵机采用了总线控制，但是为了实现小型化，无法在MCU电路板上直接设置总线接口，而是需要将总线接口设置于舵机的外壳之外。例如，经典的FutabaS3003舵机需要从外壳内部的MCU电路板上引出一根带有总线接口数据线“尾巴”，这既不美观，装配起来也较为不便，更重要的是在舵机运动过程中这根“尾巴”容易被扯断，且扯断后维修起来相当麻烦。当然，现有技术中有的舵机为了避免上述问题，在MCU电路板上设置了总线接口，但是这种设置使得MCU电路板较大较宽，无法容纳于Futaba S3003一类的小型舵机外壳中，即无法做到如Futaba S3003舵机一般的小型化。可见，实现伺服电机的复杂和高精度控制与小型化之间是存在矛盾的，这也正是本发明需要解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种复杂控制的高精度总线型数字式微型伺服电机，既能够实现复杂和高精度的控制，又能够实现小型化，并可单独地或与其他伺服电机配合用于控制系统。

本发明的微型伺服电机，包括直流电机、变速齿轮组、输出轴、角传感器和控制板，所述控制板包括若干子控制板，所述子控制板层叠设置形成多层结构，各子控制板间通过电连接件进行连接，以实现信号传输；所述微型伺服电机还包括接口板，所述接口板、所述多层结构和所述角传感器依次层叠设置，所述接口板通过电连接件连接相应的子控制板，以实现信号传输；所述角传感器与所述输出轴连接；所述直流电机通过所述变速齿轮组与所述输出轴传动连接；所述接口板和所述多层结构均设置在所述直流电机的侧面。