中鳴微型伺服馬達控制套件使用手冊

1、中鳴數(shù)碼微型伺服馬達控制套件使用手冊廣州中鳴數(shù)碼科技有限公司2005-6-15 目錄一、微型伺服馬達基本知識 (31.1微型伺服馬達簡介 (31.2微型伺服馬達內(nèi)部結(jié)構(gòu) (31.3微型伺服馬達的工作原理 (41.4如何控制伺服馬達 (41.5伺服馬達的電源引線 (51.6伺服馬達的運動速度 (51.7使用伺服馬達的注意事項 (5二、中鳴伺服馬達控制方法 (62.1伺服馬達控制板通信協(xié)議 (62.2通信方式 (82.3伺服馬達控制軟件JM-Mini Servo Explorer (92.4伺服馬達控制板的運行環(huán)境 (92.5 JM-SC16、JM-SCU-M41、JM-SCU-M42 對比 (1

2、0三、JM-SSC16伺服馬達控制板 (113.1什么是JM-SSC16伺服馬達控制板 (113.2 JM-SSC16的接口 (113.3運行方式 (12四、JM-SCU-M42伺服馬達控制板 (134.1 什么是JM-SCU-M42伺服馬達控制板 (134.2 JM-SCU-M42的接口 (134.3運行方式 (14五、JM-SCU-M41伺服馬達控制板 (145.1什么是JM-SCU-M41伺服馬達控制板 (145.2 JM-SCU-M41的接口 (155.3通信方式 (155.4板號設(shè)定 (175.5級聯(lián)方式 (185.6運行方式 (18- 廣州中鳴數(shù)碼科技有限公司 -廣東省廣州市中山大

3、學(xué)東北區(qū)368號郵政編碼 510275 電話(02084134661 - 2 - - 廣州中鳴數(shù)碼科技有限公司 - 廣東省廣州市中山大學(xué)東北區(qū)368號 郵政編碼 510275 電話(02084134661 一、微型伺服馬達基本知識 1.1微型伺服馬達簡介由于國內(nèi)個人機器人的活動起步較遲,很多人對機器人技術(shù)不了解。認(rèn)為制造機器人非常困難,其實,制造一個個人機器人并不比制造一個模型車難,而且你會從中感受到另一種樂趣,開闊你的視野,啟發(fā)你的靈感。以下簡單介紹制造個人機器人中最常用的智能部件微型伺服馬達的工作原理和控制方法。微型的伺服馬達在無線電業(yè)余愛好者的航?；顒又惺褂靡延泻荛L一段歷史,而且應(yīng)用最為

4、廣泛,國內(nèi)亦稱之為“舵機”,含義為:“掌舵人操縱的機器”?？梢?微型伺服馬達主要用作運動方向的控制部件。伺服馬達本質(zhì)上是可定位的馬達。當(dāng)伺服馬達接受到一個位置指令,它就會運動到指定的位置。因此,個人機器人模型中也常用到它作為可控的運動關(guān)節(jié),這些活動關(guān)節(jié)我們也常稱它為自由度。微型伺服馬達有著如下的優(yōu)點:大扭力、控制簡單、裝配靈活、相對經(jīng)濟,但它亦有著先天的不足:首先它是一個精細的機械部件,超出它承受范圍的外力會導(dǎo)致其損壞,其次它內(nèi)藏電子控制線路,不正確的電子連接也會對它造成損毀,因此,很有必要在使用前先了解伺服馬達的工作原理,以免造成不必要的損失。1.2微型伺服馬達內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個微型伺服馬達內(nèi)部包

5、括了一個小型直流馬達;一組變速齒輪組;一個反饋可調(diào)電位器;及一塊電子控制板。其中,高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力,帶動變速(減速齒輪組,使之產(chǎn)生高扭力的輸出,齒輪組的變速比愈大,伺服馬達的輸出扭力也愈大,也就是說越能承受更大的重量,但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。 - 3 - - 廣州中鳴數(shù)碼科技有限公司 - 廣東省廣州市中山大學(xué)東北區(qū)368號 郵政編碼 510275 電話(02084134661 1.3微型伺服馬達的工作原理一個微型伺服馬達是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng),其原理可由下圖表示: 減速齒輪組由馬達驅(qū)動,其終端(輸出端帶動一個線性的比例電位器作位置檢測,該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線

6、路板,控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較,產(chǎn)生糾正脈沖,并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動,使齒輪組的輸出位置與期望值相符,令糾正脈沖趨于為0,從而達到使伺服馬達精確定位的目的。1.4如何控制伺服馬達標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達有三條控制線,分別為:電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的能源,電壓通常介于4V 6V 之間,該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離(因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音。甚至小伺服馬達在大負載時也會拉低放大器的電壓,所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。輸入一個周期性的正向脈沖信號,這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms 2ms之間,而低電平時間應(yīng)在5ms 到20m

7、s 之間,并不很嚴(yán)格,下表表示出一個典型的20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關(guān)系:輸入正脈沖寬度(周期為20ms 伺服馬達輸出臂位置0.5ms 0 1.0ms 45 1.5ms 90 2.0ms 135 - 4 - - 廣州中鳴數(shù)碼科技有限公司 - 廣東省廣州市中山大學(xué)東北區(qū)368號 郵政編碼 510275 電話(02084134661 2.5ms 1801.5伺服馬達的電源引線Control(控制線Power (電源線GND(地線電源引線有三條,如圖中所示。伺服馬達三條線中黃色的線是控制線,接到控制芯片上;中間的是伺服馬達工作電源線,一般工作電源是5V ; 第三條黑

8、色是地線。 1.6伺服馬達的運動速度伺服馬達的瞬時運動速度是由其內(nèi)部的直流馬達和變速齒輪組的配合決定的,在恒定的電壓驅(qū)動下,其數(shù)值唯一。但其平均運動速度可通過分段停頓的控制方式來改變,例如,我們可把動作幅度為90的轉(zhuǎn)動細分為128個停頓點,通過控制每個停頓點的時間長短來實現(xiàn)090變化的平均速度。對于多數(shù)伺服馬達來說,速度的單位由“度數(shù)/秒”來決定。1.7使用伺服馬達的注意事項除非你使用的是數(shù)碼式的伺服馬達,否則以上的伺服馬達輸出臂位置只是一個不準(zhǔn)確的大約數(shù)。普通的模擬微型伺服馬達不是一個精確的定位器件,即使是使用同一品牌型號的微型伺服馬達產(chǎn)品, 他們之間的差別也是非常大的, 在同一脈沖驅(qū)動時,

9、 不同的伺服馬達存在10的偏差也是可能的。 正因上述的原因,不推薦使用小于1ms 及大于2ms 的脈沖作為驅(qū)動信號,實際上,伺服馬達的最初設(shè)計只是在45135的范圍。而且,超出此范圍時,脈沖寬度轉(zhuǎn)動角度之間的線性關(guān)系也會變差。 要特別注意,絕不可加載讓伺服馬達輸出位置超過0 180 的脈沖信號,否則會損壞- 5 - 伺服馬達的輸出限位機構(gòu)或齒輪組等機械部件。由于伺服馬達的輸出位置角度與控制信號脈沖寬度沒有明顯統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),而且其行程的總量對于不同的廠家來說也有很大差別,所以控制軟件必須具備有依據(jù)不同伺服馬達進行單獨設(shè)置的功能。二、中鳴伺服馬達控制方法2.1伺服馬達控制板通信協(xié)議名詞解析伺服馬達控

10、制板:連接伺服馬達,輸出控制脈沖,使伺服馬達輸出到指定角度的控制板;上位機:不需要連接伺服馬達,但可以與伺服馬達控制板通信的控制部件,例如個人計算機、BE-5100中鳴控制器模塊、BE-5110中鳴簡易RCU等。:表示數(shù)據(jù)流向,從左邊的設(shè)備發(fā)送到右邊的設(shè)備:表示數(shù)據(jù)流向,從右邊的設(shè)備到左邊的設(shè)備通訊協(xié)議分為兩種:實時控制協(xié)議和下載通訊協(xié)議。實時控制協(xié)議(上位機伺服馬達控制板定義 內(nèi)容 字節(jié)數(shù) 備注起始符 0xFF 1 固定伺服馬達號10x00-0xFF 1 固定角度數(shù)據(jù)20x000xFD 1 固定注:1伺服馬達標(biāo)號:板號(高四位0x00至0x0F + 伺服馬達號(低四位0x00至0x0F板號:

11、 0x00表示1號伺服馬達控制板;0x01表示2號伺服馬達控制板;如此類推。 伺服馬達號:0x00表示1號端口的伺服馬達;0x01表示2號端口的伺服馬達;如此類推。2角度數(shù)據(jù): 0xxx(范圍0x00至0xFD0x00使伺服馬達轉(zhuǎn)到0度,0xFD使伺服馬達轉(zhuǎn)到180度;要使伺服馬達轉(zhuǎn)到angle度,計算公式是: 角度數(shù)據(jù) = (0xFD/180*angle例如:要控制8號板的7號伺服馬達到45度,應(yīng)該發(fā)送數(shù)據(jù)0xff 0x76 0x3f 下載通訊協(xié)議1. 下載動作表基本信息(上位機伺服馬達控制板定義 內(nèi)容 字節(jié)數(shù) 備注起始符 0x7e 0x52 2 固定步數(shù) 0x010x1E 1 固定保留值

12、0x00 1 固定兩步間時間(毫秒 0xXX 0xXX 2 轉(zhuǎn)義1保留值 0x01 1 固定校驗和 以上七個字節(jié)的累加 1 轉(zhuǎn)義1注:1轉(zhuǎn)義:當(dāng)出現(xiàn)0x7e時使用0x7d 0x5e表示;當(dāng)出現(xiàn)0x7d時使用0x7d 0x5d表示;例如:動作表基本信息為:起始符 0x7e 0x52步數(shù)(10步 0x0a保留值 0x00兩步間時間(1150毫秒 0x04 0x7e (轉(zhuǎn)義為 0x04 0x7d 0x5e保留值 0x01校驗和 0x5d計算方法如下:0x7e+0x52+0x0a+0x00+0x04+0x7e+0x01=0x15d取低八位5d故發(fā)送的數(shù)據(jù)是0x7e 0x52 0x0a 0x00 0x0

13、4 0x7d 0x5e 0x01 0x5d2.確認(rèn)收到動作表基本信息(伺服馬達控制板上位機定義 內(nèi)容 字節(jié)數(shù) 備注起始符 0x7e 0x12 2 固定保留值 0x01 1 固定校驗和 0x91 1 固定注:中鳴伺服電機控制軟件MiniServoExplorer控制軟件,在發(fā)送數(shù)據(jù)后100ms,如果收不到確認(rèn)幀,退出下載操作。3. 下載動作數(shù)據(jù)(上位機伺服馬達控制板定義 內(nèi)容 字節(jié)數(shù) 備注起始符 0x7e 0x53 2 固定當(dāng)前步數(shù)號 0x010x1E 1 固定數(shù)據(jù)10xXX,0xXX,(共16字節(jié) 16 轉(zhuǎn)義2校驗和 以上十九個字節(jié)的累加 1 轉(zhuǎn)義2注:1數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)是由16字節(jié)組成,記為1,2

14、,16字節(jié),第i(1到16字節(jié)對應(yīng)i號端口上的 伺服馬達的角度數(shù)據(jù)(角度數(shù)據(jù):參考實時控制協(xié)議的角度數(shù)據(jù)。假如要使3號端口的伺服馬達轉(zhuǎn)到90度,則第3字節(jié)的數(shù)據(jù)為0x80,其它字節(jié)數(shù)據(jù)為任意值。2轉(zhuǎn)義:當(dāng)出現(xiàn)0x7e時使用0x7d 0x5e表示;4. 確認(rèn)某動作幀數(shù)據(jù)(伺服馬達控制板上位機定義 內(nèi)容 字節(jié)數(shù) 備注起始符 0x7e 0x13 2 固定當(dāng)前步數(shù)號 0x010x1E 1 固定校驗和 以上三個字節(jié)的累加 1 轉(zhuǎn)義1注:1轉(zhuǎn)義:當(dāng)出現(xiàn)0x7e時使用0x7d 0x5e表示;當(dāng)出現(xiàn)0x7d時使用0x7d 0x5d表示;中鳴伺服電機控制軟件MiniServoExplorer控制軟件,在發(fā)送數(shù)據(jù)

15、后100ms,如果收不到確認(rèn)幀,退出下載操作。2.2通信方式中鳴伺服馬達控制板的通信方式有三種,分別是:RS232電平串行通信方式、TTL電平串行通信方式、I2C接口通信方式。1. RS232電平串行通信方式目前伺服馬達控制板有一個RJ11插座,用于RS232電平的串行通信方式。套件中配有與PC機串口連接的通信線,規(guī)格如下: 圖例管腳連接對應(yīng)表DB9F插頭(PC機串口端RJ11插頭(機器人串口端 DB9F(5 RJ11(1-GND DB9F(2 RJ11(2-TXDDB9F(3 RJ11(3-RXDDB9F(5 RJ11(4-GND 2. TTL 電平串行通信方式伺服馬達控制板接口上位機接口G

16、 G V V TxD RxD RxD TxD3. I2C 接口通信方式伺服馬達控制板接口上位機接口G G V V SCL SCL SDA SDA2.3伺服馬達控制軟件JM-Mini Servo ExplorerJM-Mini Servo Explorer 是實現(xiàn)伺服馬達控制板通信協(xié)議PC 機上的專用WINDOWS 控制軟件,本軟件集合了可視化、易學(xué)易用、操作控制方便且靈活于一身。操作靈活、簡單易用是它最大的特點,其功能簡介如下:1、可以根據(jù)各個馬達的參數(shù)或外界條件的不同而獨立設(shè)定伺服馬達行程上限和下限的功能。2、可以獨立地控制系統(tǒng)中的任一個馬達,讓多個馬達各自獨立地工作或者協(xié)調(diào)工作。3、可以讓

17、馬達以最高的速度運動到指定的位置,或者通過設(shè)置運動因子來實現(xiàn)平滑過渡4、可以通過輸入馬達運動位置點或通過界面上的滾動條的拖放來實現(xiàn)對對應(yīng)馬達的控制。5、軟件操作簡單易學(xué),界面一目了然,所提供各項操作功能非常豐富。6、可以一邊演示,一邊修改不滿意的動作,也可以脫離伺服馬達控制板而直接編輯完動作后再系統(tǒng)地執(zhí)行編輯好的動作。7、修改動作方便,可以把已經(jīng)編輯的動作保存待以后再使用。也可以把多個編輯好的動作串連起來,組合成一套完整的運動動作。8、功能強大,有多種演示效果可以選擇,演示效果形象生動。更詳細的說明請參閱Mini-Servo Explorer 的軟件說明書或軟件幫助文檔2.4伺服馬達控制板的運

18、行環(huán)境目前,我公司開發(fā)了三套伺服馬達控制板,型號分別是JM-SSC16、JM-SCU-M41、JM-SCU-M42,運行環(huán)境如下圖所示。 JM-SSC16的供電電源包括控制系統(tǒng)的供電(+5V 和驅(qū)動伺服馬達的供電(+6V ,若只用一個電源供電時,應(yīng)把電源保持在5.05.5V 之間,并把J4短路。電流要求在3A 以上,否則伺服馬達在運動的過程中可能會出現(xiàn)異常的情況。JM-SCU-M41和JM-SCU-M42的供電電源電壓要求+5V ,電流要求在3A 以上,否則伺服馬達在運動的過程中可能會出現(xiàn)異常的情況。2.5 JM-SC16、JM-SCU-M41、JM-SCU-M42 對比功能對比:JM-SSC

19、16JM-SCU-M42JM-SCU-M41實時控制 數(shù)據(jù)下載 不支持RS232電平串行通信方式 TTL 電平串行通信方式 不支持 I2C 接口通信方式不支持 級聯(lián)功能不支持參數(shù)對比:JM-SSC16 JM-SCU-M42 JM-SCU-M41 微處理器 ATmega16ATmega48RS232電平串口通信參數(shù)波特率: 9600數(shù)據(jù)位: 8 停止位: 1 校驗方式: None TTL 電平串口通信參數(shù)不支持波特率: 9600 數(shù)據(jù)位: 8 停止位: 1 校驗方式: None I2C 接口通信參數(shù) 不支持只作為從設(shè)備 設(shè)備地址:0x04 最高速度:100k bit/s輸出控制接口數(shù) 16路 可

20、級聯(lián)板數(shù) 不支持 16支持伺服馬達型號如VIGOR 、FUTABA 、HITEC 等標(biāo)準(zhǔn)微型伺服馬達輸出脈沖 T =20ms ,VH=0.52.5ms (0180 控制轉(zhuǎn)角精度 0.72/步 線路板尺寸 5360mm 5259mm 電源接口邏輯電源+5V 伺服電源+6VGND+5V GND 三、JM-SSC16伺服馬達控制板3.1什么是JM-SSC16伺服馬達控制板JM-SSC16是一塊完整組裝好的、通用型的16路串行伺服馬達控制板。該板可通過通訊線與PC或其它控制系統(tǒng)的RS232電平的串口相連接,用戶可通過簡單的串口編程,對多達16個微型伺服馬達進行運動控制。此外,還可把一系列的運動參數(shù)下載

21、到該板上,讓其脫離電纜連接,獨立地控制伺服馬達,進行一連串的運動。3.2 JM-SSC16的接口 撥碼開關(guān)RS232通訊接口SERVO控制接口 控制板上有一個撥碼開關(guān)(上圖中NUMBER SETTING所指,其功能是用于設(shè)置運行模式的。正常工作狀態(tài)下,撥碼開關(guān)應(yīng)當(dāng)如下設(shè)置:撥碼編號 1 2 3 4 ON OFF 3.3運行方式分脫機方式和聯(lián)機方式兩種。脫機方式:又稱離線表演模式,運行的是上一次下載到機器人中的動作表。聯(lián)機方式:又稱在線控制模式,根據(jù)當(dāng)前的通信數(shù)據(jù)進行在線控制。機器人上電4秒以后假如沒有與上位機進行通信,將會進入離線表演模式,運行的是上一次下載到機器人中的動作表。一旦機器人接受到

22、上位機的數(shù)據(jù),就會自動切換到在線控制模式,這樣就能夠根據(jù)當(dāng)前的通信數(shù)據(jù)進行在線控制。 四、JM-SCU-M42伺服馬達控制板4.1 什么是JM-SCU-M42伺服馬達控制板JM-SCU-M42是一塊完整組裝好的、通用型的16路串行伺服馬達控制板。該板可通過通訊線與PC 或其它控制系統(tǒng)的RS232電平的串口相連接,用戶可通過簡單的串口編程,對多達16個微型伺服馬達進行運動控制。4.2 JM-SCU-M42的接口 RS232通訊接口主控芯片SERVO 控制接口電源接口SERVO 控制接口RS232 RS232RS232 1 (8GND PowerControlPowerGNDControlPowe

23、rGND9 (164.3運行方式聯(lián)機方式:機器人上電后,等待上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù),然后根據(jù)當(dāng)前的通信數(shù)據(jù)進行在線控制。五、JM-SCU-M41伺服馬達控制板5.1什么是JM-SCU-M41伺服馬達控制板JM-SCU-M41是一塊完整組裝好的、通用型的16路串行伺服馬達控制板,可實現(xiàn)級聯(lián)功能?？梢詫崿F(xiàn)多達16 塊JM-SCU-M41伺服馬達控制板的級聯(lián)功能。與其它同型號的伺服馬達控制板級聯(lián)后,可協(xié)同控制多達256路的伺服馬達。該板可通過通訊線,接收PC或其它控制系統(tǒng)的以RS232電平串行通信、TTL電平串行通信、I2C接口通信等方式發(fā)送的通信控制信息。 5.2 JM-SCU-M41的接口 I2C

24、通訊接口串行(TTL通訊接口SERVO控制接口電源接口主控芯片串行RS232通訊接口SERVO控制接口板號選擇位ADC7串行(TTL通訊接口復(fù)位按鈕I2通訊C接口 5.3通信方式1、RS232電平串行通信方式接線如下圖串口通信 選擇跳針 JP7 JP9 串口 RS232 通信電纜 要使用串行通信方式，必須如上圖所示接好跳針帽。 通信協(xié)議： 波特率： 9600 數(shù)據(jù)位： 8 停止位： 1 校驗方式： None 2、TTL 電平串行通信方式 接線如下圖 四芯連接線 JP7 JP9 串口通信 選擇跳針 要使用串行通信方式，必須如上圖所示接好跳針帽。 通信協(xié)議： 波特率： 9600 數(shù)據(jù)位： 8 停止位： 1 校驗方式： None 3、I2C 接口通信方式 - 廣州中鳴數(shù)碼科技有限公司 -廣東省廣州市中山大學(xué)東北區(qū) 368 號 郵政編碼 510275 電話（020）841