一種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電動舵機系統(tǒng)，特別是一種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)，通過硬件與軟件相結(jié)合的方式實現(xiàn)。其中硬件設(shè)計中電源電路采用帶隔離輸出的DC/DC電源，將彈上電源進(jìn)行變換后給各單元電路供電；控制電路采用TMS320F2812作為主控單元，采集舵控信號和舵偏角反饋信號，并對其誤差進(jìn)行綜合與放大，通過模糊PID算法計算實際輸出的PWM信號，并提供給驅(qū)動電路；驅(qū)動電路將該信號進(jìn)行功率放大后驅(qū)動舵機執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)電動舵機系統(tǒng)的位置環(huán)閉環(huán)控制。
【專利說明】—種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種舵機系統(tǒng)，特別是涉及一種電動舵機控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]舵機控制系統(tǒng)作為彈上執(zhí)行機構(gòu)，其性能的好壞直接影響到整彈控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
[0003]傳統(tǒng)的導(dǎo)彈舵機，一般采用模擬式、液壓或氣壓伺服系統(tǒng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度高，質(zhì)量大，成本高，技術(shù)難度大。
[0004]隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，DSP、ARM及CPLD等應(yīng)用于電動舵機控制系統(tǒng)，它可直接產(chǎn)生高精度PWM信號控制電機，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，有效抑制了轉(zhuǎn)矩紋波，減小了電機振動、延長了電機壽命，同時可以根據(jù)系統(tǒng)特性實時調(diào)整動態(tài)參數(shù)，能夠克服傳統(tǒng)導(dǎo)彈舵機面臨的技術(shù)困難，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于防空武器、導(dǎo)彈及軍艦上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型目的是提供一種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有傳統(tǒng)導(dǎo)彈舵機面臨的技術(shù)困難。
[0006]一種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)，包括:電源電路、DSP控制電路、光電隔離電路、驅(qū)動電路、伺服電機、減速器、反饋單元和執(zhí)行機構(gòu)；電源電路選用雙路帶隔離輸出的DC/DC變換器，將驅(qū)動部分和控制部分電源完全隔離，在DC/DC輸入前端加EMI電源濾波器以衰減電源線上的干擾，在電源的進(jìn)入端加TVS管以有效防止瞬時過壓脈沖；DSP控制電路選用TMS320F2812作為主控單元，片內(nèi)具有兩個增強的事件管理器模塊EVA及EVB，每個事件管理模塊包括通用定時器、全比較/PWM單元、捕獲單元，利用定時器和比較單元產(chǎn)生一定頻率及占空比的PWM信號，片內(nèi)16通道12位高速A/D采集模塊用于舵控信號及舵偏角反饋信號的采集及處理；光電隔離電路選用電磁隔離芯片AD1200BR ;驅(qū)動電路選用驅(qū)動芯片IR2108直接驅(qū)動場效應(yīng)管，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計出懸浮電源。
[0007]為了提高系統(tǒng)的運行精度、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、增強系統(tǒng)的抗干擾能力、節(jié)約成本，本實用新型提供了一種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)，其以DSP作為核心控制器，采用C語言編程實現(xiàn)模糊PID控制算法，實現(xiàn)對電動舵機位置環(huán)的數(shù)字化控制。
[0008]本實用新型電動舵機從彈上飛行控制器接受舵控信號操作舵面轉(zhuǎn)動，使導(dǎo)彈按照預(yù)期彈道攻擊目標(biāo)。其主要功能包括:
[0009]a)舵機系統(tǒng)上電，接受飛行控制器舵控信號；
[0010]b)采集舵機執(zhí)行機構(gòu)反饋單元電位計電壓(舵偏信號)，計算舵面實際舵偏角度；
[0011 ] c)計算舵控信號與舵偏信號誤差，并進(jìn)行處理及綜合放大后驅(qū)動舵機執(zhí)行機構(gòu)跟隨舵控信號。
[0012]舵機控制系統(tǒng)硬件部分包括電源電路、DSP2812核心控制器電路、光電隔離電路、驅(qū)動電路的設(shè)計。軟件部分采用C語言和匯編語言混合編程實現(xiàn)，舵機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括以下四個部分:
[0013](I)對舵控信號和舵偏角反饋信號進(jìn)行采集；
[0014](2)對采集的信號進(jìn)行數(shù)字濾波；
[0015](3)誤差計算和控制算法的實現(xiàn)；
[0016](4) PWM信號占空比計算。
[0017]本實用新型的有益效果是采用數(shù)字式舵機代替了模擬式舵機大部分模擬器件，減少了元器件的種類和數(shù)量，簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性；用程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)中控制部分的頻率、死區(qū)、放大倍數(shù)、校正環(huán)節(jié)等重要參數(shù)，便于調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化；采用數(shù)字信號代替模擬信號，克服了模擬器件固有的參數(shù)分散、溫度漂移大等缺點，提高了抗干擾能力，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，成本低，易于實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是電動舵機系統(tǒng)組成框圖；
[0019]圖2是系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖；
[0020]圖3是電源電路原理圖；
[0021]圖4是光電隔離及單橋臂驅(qū)動輸出電路原理圖
[0022]圖5是系統(tǒng)程序任務(wù)框圖；
[0023]圖6是系統(tǒng)定時中斷子程序流程圖；
[0024]圖7是舵機跟隨±20°方波信號的響應(yīng)曲線；
[0025]圖8是舵機跟隨峰值3°，頻率3Hz正弦信號的響應(yīng)曲線。
【具體實施方式】:
[0026]舵機系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動電路、伺服電機、減速傳動機構(gòu)和反饋單元五大部分組成，見附圖1。
[0027]舵機系統(tǒng)從彈上飛行控制器接受一定大小和極性的舵控信號Ui,控制舵面轉(zhuǎn)動。實際舵偏角δ經(jīng)反饋單元形成舵偏信號Uf，與舵控信號Ui產(chǎn)生誤差信號u。，控制器根據(jù)控制算法對誤差信號U。進(jìn)行處理并產(chǎn)生驅(qū)動信號，該信號經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，伺服電機的力矩通過減速傳動機構(gòu)放大，帶動舵面向所要求的角度偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電動舵機位置環(huán)的閉環(huán)控制。
[0028]當(dāng)誤差U。為正時，加在伺服電機上的直流平均電壓為正，舵面向正方向轉(zhuǎn)動；誤差U。為負(fù)時，加在伺服電機上的直流平均電壓為負(fù)，舵面向負(fù)方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)舵面偏轉(zhuǎn)到要求的角度時，誤差信號U。為零，加在伺服電機上的直流平均電壓為零，舵面失去驅(qū)動力矩停止轉(zhuǎn)動。
[0029]舵機控制系統(tǒng)硬件包括電源電路、控制電路、光電隔離電路、驅(qū)動電路四個部分。電源電路主要是對彈上提供電源進(jìn)行電源變換后給舵機控制系統(tǒng)各部分電路供電；DSP2812控制電路是系統(tǒng)進(jìn)行信號綜合、處理和分配的核心，主要是采集舵控信號和舵偏角反饋信號，并對其誤差進(jìn)行綜合與放大，通過控制算法計算控制電壓，再根據(jù)控制電壓改變PWM信號的占空比輸出實際PWM控制信號；光電隔離電路主要實現(xiàn)控制電路和驅(qū)動電路的電氣隔離；驅(qū)動電路主要是為了增強控制信號的驅(qū)動能力，它是將多個場效應(yīng)管(MOSFET)集成在一起，形成驅(qū)動電機所需的H橋逆變電路，對PWM信號進(jìn)行功率放大后驅(qū)動舵機執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖見附圖2。
[0030]系統(tǒng)電源電路選用雙路隔離輸出的DC/DC變換器，輸入電壓范圍為16VDC?50VDC，輸出為15V/1A和5V/1A兩路電源，且完全隔離。內(nèi)部各電源都加去耦電容濾波，在電源給各芯片供電時，加磁珠來衰減電磁干擾信號。主要信號線之間加磁珠來衰減干擾信號。用隔離DC/DC將驅(qū)動部分地和控制部分地完全隔離。在DC/DC輸入前端加EMI電源濾波器，衰減電源線上的干擾信號，濾波器的額定電壓達(dá)到50VDC。為了防止瞬時過壓脈沖，電源的進(jìn)入端加TVS管，從而有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受損壞。電源電路原理圖見附圖3。
[0031]控制電路采用TI公司的TMS320F2812作為主控單元，它是一款實時處理能力強的高性能數(shù)字信號處理器，能夠滿足舵控系統(tǒng)實時性要求高的特點。TMS320F2812最高工作時鐘頻率為150MHz，指令周期6.67ns，可以滿足本系統(tǒng)實時性要求高的特點；片內(nèi)集成128kX 16位的Flash存儲器，可將程序固化在片內(nèi)Flash上；具有兩個增強的事件管理器模塊(EVA、EVB)，提供了一整套用于電機數(shù)字化控制的功能和特性，每個事件管理模塊包括通用定時器、全比較/PWM單元、捕獲單元，利用定時器和比較單元產(chǎn)生一定頻率及占空比的PWM信號提供給驅(qū)動電路，定時器及捕獲單元共同完成彈旋(脈沖)信號的采集及處理；16通道12位高速A/D采集模塊用于舵控信號及舵偏角反饋信號的采集及處理。
[0032]光電隔離電路能有效消除環(huán)路引起的共阻抗耦合干擾，實現(xiàn)DSP數(shù)字電路與大電壓、大電流的驅(qū)動電路之間的地線隔離，使控制部分免受驅(qū)動部分的干擾。
[0033]驅(qū)動電路的驅(qū)動芯片IR2108是美國國際整流器公司(IntemationalRectifierCompany)的產(chǎn)品，可驅(qū)動MOSFET或IGBT。該芯片的應(yīng)用簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計。IR2108內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計出懸浮電源，實現(xiàn)一相兩個N溝道逆變橋輸出電路的控制。光電隔離及驅(qū)動電路原理圖見附圖4。
[0034]其中IR2108的2腳HIN和3腳LIN分別為高側(cè)MOS管和低側(cè)MOS管的驅(qū)動控制端，C15為自舉電容，Dl為充電二極管。當(dāng)HIN、LIN同時為低電平時，輸出LO比低電位高15V，M0S管Q2導(dǎo)通；反之當(dāng)HIN、LIN同時為高電平時，開始HO比VS高出15V(這個電壓是對電容充電的結(jié)果)，MOS管Ql導(dǎo)通，隨著時間的延續(xù)，電容通過電阻R6、R8放電，導(dǎo)致電壓不斷下降，Ql導(dǎo)通時間與電容C15容量有關(guān)，當(dāng)脈寬調(diào)制頻率在5kHz以上時，電容C15選用0.1 μ F即可。因此，使用該芯片可以有效防止上下輸出橋臂短路。
[0035]系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，使用C語言和匯編語言混合編程實現(xiàn)，按照系統(tǒng)功能任務(wù)，可以把總?cè)蝿?wù)分成幾個模塊來實現(xiàn)。系統(tǒng)程序任務(wù)框圖見附圖5。
[0036]其中DSP主程序完成上電初始化(包括系統(tǒng)初始化、PWM單元初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊)，初始化完成后，打開中斷，采用循環(huán)方式等待A/D采集中斷和定時中斷的到來。A/D轉(zhuǎn)換單元完成舵控信號和舵偏角反饋信號的采集后向CPU發(fā)送中斷信號，CPU響應(yīng)中斷讀取舵控信號和舵偏角反饋信號對應(yīng)的數(shù)字量。在定時中斷程序中，將采集到的信號進(jìn)行數(shù)字濾波后，計算舵偏角反饋信號與舵控信號的誤差量，通過控制算法計算PWM輸出占空比。中斷子程序流程圖見附圖6。
[0037]系統(tǒng)采用PID算法作為基礎(chǔ)控制算法，PID算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為:k
[0038]u(k) = Kf,E(k) + K1 E(i) + K DC(k)


k
[0039]其中E(k)、和C(k)分別為其輸入變量誤差、誤差和與誤差變化率，Kp, K1及


1=1
Kd分別為比例增益系數(shù)、積分增益系數(shù)和微分增益系數(shù)。在這三個控制參數(shù)中，Kp的控制效果是減小響應(yīng)曲線的上升時間及靜態(tài)誤差^的控制效果是消除靜態(tài)誤差，但會延長過渡過程時間，增大超調(diào)量；KD的控制效果是增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少過渡過程時間，降低超調(diào)量。從舵機控制要求的快速性和跟隨精度來說，增大Kp和K1有利于減小系統(tǒng)靜態(tài)誤差，但是會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在實際的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中，本實用新型采用基礎(chǔ)PID控制結(jié)合模糊控制算法在線調(diào)整控制參數(shù)，以實現(xiàn)最優(yōu)控制效果。
[0040]根據(jù)以上原理，分別給舵機控制系統(tǒng)輸入±20°方波信號和峰值3°，頻率3Hz正弦信號，以此檢測舵機跟隨控制信號的控制效果。
[0041]對該系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，通過對控制算法和PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與優(yōu)化，本實用新型取得了較好的控制效果。測試結(jié)果見附圖7和附圖8。由圖可知舵機在跟隨±20°方波信號時，系統(tǒng)超調(diào)量為1.5%，穩(wěn)態(tài)誤差為0.05° ;在跟隨峰值3°，頻率3Hz正弦信號時，系統(tǒng)峰值為2.83°，相移為31°。因此，該舵機控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)跟蹤特性，系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)量小 、相移小，能夠滿足控制要求，在實際工程中有較高的應(yīng)用價值。
【權(quán)利要求】
1.一種基于位置環(huán)控制的電動舵機系統(tǒng)，其特征在于包括:電源電路、DSP控制電路、光電隔離電路、驅(qū)動電路、伺服電機、減速器、反饋單元和執(zhí)行機構(gòu)；電源電路選用雙路帶隔離輸出的DC/DC變換器，將驅(qū)動部分和控制部分電源完全隔離，在DC/DC輸入前端加以衰減電源線上干擾的EMI電源濾波器，在電源的進(jìn)入端加以有效防止瞬時過壓脈沖的TVS管；DSP控制電路選用TMS320F2812作為主控單元，片內(nèi)具有兩個增強的事件管理器模塊EVA及EVB，每個事件管理模塊包括通用定時器、全比較/PWM單元、捕獲單元，利用定時器和比較單元產(chǎn)生一定頻率及占空比的PWM信號，片內(nèi)16通道12位高速A/D采集模塊用于舵控信號及舵偏角反饋信號的采集及處理；光電隔離電路選用電磁隔離芯片AD1200BR ;驅(qū)動電路選用驅(qū)動芯片IR2108直接驅(qū)動場效應(yīng)管，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計有懸浮電源。
【文檔編號】G05D1/10GK203786565SQ201320881389
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】黃朝麗, 李龍, 張小凱 申請人:陜西航天導(dǎo)航設(shè)備有限公司