專利名稱：一種數(shù)字電動舵機控制裝置和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字電動舵機的控制裝置和控制方法，尤其針對飛行器用具有快速動態(tài)響應(yīng)的無刷直流電動舵機。
背景技術(shù)：
電動舵機是一種高精度的位置伺服系統(tǒng)，舵機工作原理是接受主控計算機給出的舵面偏角給定信號，舵機控制系統(tǒng)將舵面偏角給定信號和舵面偏角反饋信號經(jīng)過信號處理和程序調(diào)節(jié)最終通過輸出指令來操縱舵面的偏轉(zhuǎn)，從而改變飛行器的飛行姿勢或飛行軌跡，最終確保飛行器在空中按照預(yù)定軌跡飛行。電動舵機屬于飛行器的前端執(zhí)行部件，在高速飛行的過程中要直接承受空氣摩擦和阻力，工作環(huán)境惡劣，在需要承受大負(fù)載、高低溫、強振動等苛刻條件的前提下還要保證偏轉(zhuǎn)精度和響應(yīng)速度，其中在如此復(fù)雜的工作環(huán)境中還要具有快速響應(yīng)速度是一個技術(shù)難點。近年來，隨著大功率電力電子技術(shù)和稀土永磁電機技術(shù)的快速發(fā)展，電動舵機技術(shù)發(fā)展迅速，成效顯著，在小功率范圍內(nèi)正在一步步取代傳統(tǒng)的液壓舵機和氣動舵機。公開號為CN102854814A的發(fā)明專利《一種數(shù)字舵機控制器》就提出了一種基于DSP模塊的數(shù)字電動舵機方案，但是它只提出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)方案，對于系統(tǒng)的各個功能模塊和具體控制方法沒有詳細給出。發(fā)表于《電工技術(shù)學(xué)報》的文章《一種永磁無刷直流電動舵機四象限控制》提供了一種在P ID基礎(chǔ)上改進的基于電流滯環(huán)控制的電動舵機控制方案，但是這種改進是針對系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩脈動抑制，對于在復(fù)雜工作環(huán)境下的快速響應(yīng)速度這個電動舵機最重要的性能并沒有任何幫助。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種數(shù)字電動舵機的控制裝置，電機響應(yīng)速度快，抗干擾性強。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用于電動舵機的控制裝置，包括信號調(diào)理電路、DSP、數(shù)字隔離電路、驅(qū)動電路、主功率電路、傳動齒輪組、電流傳感器、位置傳感器和通信電路。舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP輸出6路數(shù)字控制信號，經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，功率控制信號通過控制主功率電路，從而控制無刷直流電動機工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號；無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣反饋至DSP，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制；與傳動齒輪組相連的角度傳感器實時反饋舵面當(dāng)前偏角，傳給DSP，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)；舵面當(dāng)前偏角經(jīng)通信電路傳給上位機進行實時監(jiān)測。本發(fā)明還提供上述控制裝置的控制方法，包括以下步驟:第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行前期處理，包括電壓變換、濾波和限幅；
第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP，為舵面偏角數(shù)字給定信號；第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量清零，用DSP讀取角度傳感器信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號，用舵面偏角數(shù)字給定信號減去舵面偏角數(shù)字反饋信號求出位置偏差；第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)位置偏差算出位置環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并且將其作為速度環(huán)給定；第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量清零，利用采集的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速作為速度反饋，用速度環(huán)給定減去速度反饋得到速度偏差；第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差算出速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定，將速度環(huán)計數(shù)變量加I;第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設(shè)定次數(shù)n，n彡10，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制；第八步:將采集的母線反饋電流經(jīng)過電壓變換、濾波和限幅后通過AD送入DSP，然后通過霍爾相序來判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)向的正負(fù)，母線電流值與轉(zhuǎn)向信號相乘，變成矢量以作為電流環(huán)反饋；然后用電流環(huán)給定減去電流環(huán)反饋得到電流偏差；第九步:進行電流環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差算出電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，將電流環(huán)計數(shù)變量加I ;第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號，占空比信號有正負(fù)；第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關(guān)斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)；第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設(shè)定次數(shù)n，n彡10，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是:由于無刷直流電機的母線電流沒有正負(fù)向之分，但是在實際控制中為了實現(xiàn)舵面正反轉(zhuǎn)，在進行電流環(huán)閉環(huán)時必須要賦予母線電流以正負(fù)號，本發(fā)明的上述控制方法在第八步里通過讀取與無刷直流電機同軸相連的霍爾元件的當(dāng)前三相霍爾狀態(tài)，然后與無刷直流電機的正轉(zhuǎn)邏輯相序和反轉(zhuǎn)邏輯相序相比對，從而判斷出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)向，然后決定母線反饋電流的正負(fù)，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時認(rèn)為反饋電流為正，當(dāng)電機反轉(zhuǎn)時認(rèn)為反饋電流為負(fù)。所以本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明應(yīng)用于電動舵機系統(tǒng)與傳統(tǒng)舵機系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢:(I)電磁力矩方向(即電流方向)始終與轉(zhuǎn)速方向保持一致，可使無刷直流電機穩(wěn)定的工作在電動模式下，使得舵機機械特性始終處于無刷直流電機機械特性的一、三象限，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速呈線性特性，使得舵機系統(tǒng)控制起來非常方便，可以有效的提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。(2)由于電機的實際轉(zhuǎn)速方向決定了母線反饋電流的方向，所以電流環(huán)在實際上就對轉(zhuǎn)速進行了有效的調(diào)節(jié)，這種方法可以有力地提高系統(tǒng)的快速性和靈活性。


圖1為無刷直流電動舵機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中，I一/[目號調(diào)理電路，2一控制器DSP, 3一數(shù)字隔尚電路，4一驅(qū)動電路，5—主功率電路，6—無刷直流電機(BLDCM )，7—傳動齒輪組，8—舵面，9一電流傳感器，IO—位置傳感器，11一RS422通信。圖2為電動舵機系統(tǒng)控制框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明的技術(shù)方案包括:控制器一 DSP、數(shù)字隔離電路、驅(qū)動電路、主功率電路、無刷直流電機(BLDCM)、傳動齒輪組、舵面、電流傳感器、位置傳感器、422通信電路。舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP通過控制策略進行調(diào)節(jié)，輸出6路數(shù)字控制信號，數(shù)字控制信號經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，功率控制信號通過控制主功率電路里的MOSFET的開通關(guān)斷，從而控制無刷直流電動機(BLDCM)工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號。無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。 與傳動齒輪組相連的角度傳感器(編碼器)實時反饋舵面當(dāng)前偏角，傳給DSP，通過當(dāng)前偏角計算得到轉(zhuǎn)速形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，反饋回來的舵面當(dāng)前偏角完成舵面位置閉環(huán)控制。舵面當(dāng)前偏角經(jīng)RS-422傳給上位機進行實時監(jiān)測。本發(fā)明的技術(shù)方案中，舵機系統(tǒng)控制方案采用位置-速度-電流三閉環(huán)PID控制。系統(tǒng)具體控制方法如下:第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行電壓變換、濾波、限幅等前期處理；第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP為舵面偏角數(shù)字給定信號；第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量清零，用DSP讀取角度傳感器(數(shù)字編碼器)信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號，用舵面偏角數(shù)字給定信號減去舵面偏角數(shù)字反饋信號求出位置偏差;第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)位置偏差算出位置環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并且將其作為速度環(huán)給定，速度環(huán)給定有正負(fù)；第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量清零，利用之前采集回來的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速作為速度反饋，用速度環(huán)給定減去速度反饋得到速度偏差；第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差算出速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定，電流環(huán)給定有正負(fù)，將速度環(huán)計數(shù)變量加I ;第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η < 10)次，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制；第八步:將采集回來的母線反饋電流(標(biāo)量)經(jīng)過電壓變換、濾波、限幅等處理后通過AD送入DSP，然后通過霍爾相序來判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)向的正負(fù)，母線電流值與轉(zhuǎn)向信號相乘，變成矢量以作為電流環(huán)反饋。然后用電流環(huán)給定減去電流環(huán)反饋得到電流偏差。第九步:進行電流PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差算出電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量(有正負(fù))，將電流環(huán)計數(shù)變量加I ;第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號，占空比信號有正負(fù)。
第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關(guān)斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)；第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η彡10)次，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。如圖1所示，舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路I將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP2，DSP2通過控制策略進行調(diào)節(jié)，輸出6路數(shù)字控制信號，數(shù)字控制信號經(jīng)數(shù)字隔離電路3進行隔離、經(jīng)驅(qū)動電路4轉(zhuǎn)換成功率控制信號后，通過控制主功率電路5里的M0SFET，從而控制無刷直流電動機(BLDCM) 6工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組7帶動舵面8偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號。無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器9采樣，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。與傳動齒輪組相連的角度傳感器(編碼器)10實時反饋舵面當(dāng)前偏角，傳給DSP，通過當(dāng)前偏角計算得到轉(zhuǎn)速形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，反饋回來的舵面當(dāng)前偏角完成舵面位置閉環(huán)控制。舵面當(dāng)前偏角經(jīng)RS-422通信電路11傳給上位機進行實時監(jiān)測。如圖2所示，本發(fā)明采用經(jīng)典的位置-速度-電流三閉環(huán)PID控制，其具體控制過程為: 第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行電壓變換、濾波、限幅等前期處理；第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP為舵面偏角數(shù)字給定信號P* ；第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量Vcnt清零，用DSP讀取角度傳感器(數(shù)字編碼器)信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號P，用舵面偏角數(shù)字給定信號P*減去舵面偏角數(shù)字反饋信號P求出位置偏差ΔΡ ；第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)偏差Λ P算出位置環(huán)調(diào)節(jié)量輸出，并且將其作為速度環(huán)給定V*有正負(fù)；第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量Icnt清零，利用之前采集回來的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速V作為速度反饋，用速度環(huán)給定V*減去速度反饋V得到速度偏差Λ V ；第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差A(yù)V算出速度調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定Γ，Γ有正負(fù)，將速度環(huán)計數(shù)變量Vcnt加I ;第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η < 10)次，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制；第八步:將采集回來的母線電流Itl經(jīng)過電壓變換、濾波、限幅處理后通過AD送入DSP，通過讀取與無刷直流電機同軸相連的霍爾元件的當(dāng)前霍爾狀態(tài)，利用正反轉(zhuǎn)霍爾相序判斷舵機當(dāng)前轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向正負(fù)用變量Fto來表示，通過公式I=FltoIci計算將電流變成矢量I作為電流反饋。然后用電流給定Γ減去電流反饋I得到電流偏差A(yù)l。第九步:進行電流環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差Λ I算出電流調(diào)節(jié)輸出量(有正負(fù))，將電流環(huán)計數(shù)變量Icnt加I ;第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號D，D有正負(fù)；第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關(guān)斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)；第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η彡10)次，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)；本發(fā)明通過電機實際轉(zhuǎn)向的正負(fù)來決定母線反饋電流的正負(fù)，使電磁轉(zhuǎn)矩方向(即電流方向)始終與電機轉(zhuǎn)向保持一致，使無刷直流電機穩(wěn)定的工作在電動模式下，可以方便的進行控制 。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字電動舵機控制裝置，包括信號調(diào)理電路、DSP、數(shù)字隔離電路、驅(qū)動電路、主功率電路、傳動齒輪組、電流傳感器、位置傳感器和通信電路，其特征在于:舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP輸出6路數(shù)字控制信號，經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，功率控制信號通過控制主功率電路，從而控制無刷直流電動機工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號；無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣反饋至DSP，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制；與傳動齒輪組相連的角度傳感器實時反饋舵面當(dāng)前偏角，傳給DSP，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)；舵面當(dāng)前偏角經(jīng)通信電路傳給上位機進行實時監(jiān)測。
2.一種利用權(quán)利要求1所述裝置的控制方法，其特征在于包括下述步驟: 第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行前期處理，包括電壓變換、濾波和限幅； 第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP，為舵面偏角數(shù)字給定信號； 第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量清零，用DSP讀取角度傳感器信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號，用舵面偏角數(shù)字給定信號減去舵面偏角數(shù)字反饋信號求出位置偏差； 第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)位置偏差算出位置環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并且將其作為速度環(huán)給定； 第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量清零，利用采集的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速作為速度反饋，用速度環(huán)給定減去速度反饋得到速度偏差； 第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差算出速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定，將速度環(huán)計數(shù)變量加I ; 第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設(shè)定次數(shù)η，η < 10，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制； 第八步:將采集的母線反饋電流經(jīng)過電壓變換、濾波和限幅后通過AD送入DSP，然后通過霍爾相序來判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)向的正負(fù)，母線電流值與轉(zhuǎn)向信號相乘，變成矢量以作為電流環(huán)反饋；然后用電流環(huán)給定減去電流環(huán)反饋得到電流偏差； 第九步:進行電流環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差算出電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，將電流環(huán)計數(shù)變量加I ; 第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號，占空比信號有正負(fù)； 第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關(guān)斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)； 第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設(shè)定次數(shù)η，η< 10，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種數(shù)字電動舵機控制裝置和控制方法，信號調(diào)理電路將舵面偏角給定信號進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP輸出數(shù)字控制信號，經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，通過控制主功率電路從而控制無刷直流電動機工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號；無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣反饋至DSP，與傳動齒輪組相連的角度傳感器實時反饋舵面當(dāng)前偏角，傳給DSP。本發(fā)明有效的加快了無刷直流電動舵機的頻響，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
文檔編號B64C13/50GK103231798SQ20131016277
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者李兵強, 李志 , 林輝, 戴志勇, 孫欣欣 申請人:西北工業(yè)大學(xué)