一种基于位置环控制的电动舵机系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动舵机系统，特别是一种基于位置环控制的电动舵机系统，通过硬件与软件相结合的方式实现。其中硬件设计中电源电路采用带隔离输出的DC/DC电源，将弹上电源进行变换后给各单元电路供电；控制电路采用TMS320F2812作为主控单元，采集舵控信号和舵偏角反馈信号，并对其误差进行综合与放大，通过模糊PID算法计算实际输出的PWM信号，并提供给驱动电路；驱动电路将该信号进行功率放大后驱动舵机执行机构转动，从而实现电动舵机系统的位置环闭环控制。
【专利说明】—种基于位置环控制的电动舵机系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种舵机系统，特别是涉及一种电动舵机控制系统。
【背景技术】
[0002]舵机控制系统作为弹上执行机构，其性能的好坏直接影响到整弹控制系统的控制品质。
[0003]传统的导弹舵机，一般采用模拟式、液压或气压伺服系统，但其结构复杂，加工精度高，质量大，成本高，技术难度大。
[0004]随着数字信号处理技术的迅猛发展，DSP、ARM及CPLD等应用于电动舵机控制系统，它可直接产生高精度PWM信号控制电机，具有强大的数据处理能力，有效抑制了转矩纹波，减小了电机振动、延长了电机寿命，同时可以根据系统特性实时调整动态参数，能够克服传统导弹舵机面临的技术困难，现已广泛应用于防空武器、导弹及军舰上。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种基于位置环控制的电动舵机系统，以克服现有传统导弹舵机面临的技术困难。
[0006]一种基于位置环控制的电动舵机系统，包括:电源电路、DSP控制电路、光电隔离电路、驱动电路、伺服电机、减速器、反馈单元和执行机构；电源电路选用双路带隔离输出的DC/DC变换器，将驱动部分和控制部分电源完全隔离，在DC/DC输入前端加EMI电源滤波器以衰减电源线上的干扰，在电源的进入端加TVS管以有效防止瞬时过压脉冲；DSP控制电路选用TMS320F2812作为主控单元，片内具有两个增强的事件管理器模块EVA及EVB，每个事件管理模块包括通用定时器、全比较/PWM单元、捕获单元，利用定时器和比较单元产生一定频率及占空比的PWM信号，片内16通道12位高速A/D采集模块用于舵控信号及舵偏角反馈信号的采集及处理；光电隔离电路选用电磁隔离芯片AD1200BR ;驱动电路选用驱动芯片IR2108直接驱动场效应管，其内部采用自举技术设计出悬浮电源。
[0007]为了提高系统的运行精度、提升系统稳定性、增强系统的抗干扰能力、节约成本，本发明提供了一种基于位置环控制的电动舵机系统，其以DSP作为核心控制器，采用C语言编程实现模糊PID控制算法，实现对电动舵机位置环的数字化控制。
[0008]本发明电动舵机从弹上飞行控制器接受舵控信号操作舵面转动，使导弹按照预期弹道攻击目标。其主要功能包括:
[0009]a)舵机系统上电，接受飞行控制器舵控信号；
[0010]b)采集舵机执行机构反馈单元电位计电压(舵偏信号)，计算舵面实际舵偏角度；[0011 ] c)计算舵控信号与舵偏信号误差，并进行处理及综合放大后驱动舵机执行机构跟随舵控信号。
[0012]舵机控制系统硬件部分包括电源电路、DSP2812核心控制器电路、光电隔离电路、驱动电路的设计。软件部分采用C语言和汇编语言混合编程实现，舵机控制系统软件设计包括以下四个部分:
[0013](I)对舵控信号和舵偏角反馈信号进行采集；
[0014](2)对采集的信号进行数字滤波；
[0015](3)误差计算和控制算法的实现；
[0016](4) PWM信号占空比计算。
[0017]本发明的有益效果是采用数字式舵机代替了模拟式舵机大部分模拟器件，减少了元器件的种类和数量，简化了电路设计，提高了系统可靠性；用程序实现系统中控制部分的频率、死区、放大倍数、校正环节等重要参数，便于调整和参数优化；采用数字信号代替模拟信号，克服了模拟器件固有的参数分散、温度漂移大等缺点，提高了抗干扰能力，系统响应速度快，成本低，易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是电动舵机系统组成框图；
[0019]图2是系统总体方案设计框图；
[0020]图3是电源电路原理图；
[0021]图4是光电隔离及单桥臂驱动输出电路原理图
[0022]图5是系统程序任务框图；
[0023]图6是系统定时中断子程序流程图；
[0024]图7是20°阶跃信号响应曲线；
[0025]图8是3° 3Hz正弦信号响应曲线。
【具体实施方式】:
[0026]舵机系统由控制电路、驱动电路、伺服电机、减速传动机构和反馈单元五大部分组成，见附图1。
[0027]舵机系统从弹上飞行控制器接受一定大小和极性的舵控信号Ui,控制舵面转动。实际舵偏角S经反馈单元形成舵偏信号Uf，与舵控信号Ui产生误差信号u。，控制器根据控制算法对误差信号U。进行处理并产生驱动信号，该信号经过驱动电路进行功率放大后，驱动伺服电机转动，伺服电机的力矩通过减速传动机构放大，带动舵面向所要求的角度偏转，从而实现电动舵机位置环的闭环控制。
[0028]当误差U。为正时，加在伺服电机上的直流平均电压为正，舵面向正方向转动；误差U。为负时，加在伺服电机上的直流平均电压为负，舵面向负方向转动；当舵面偏转到要求的角度时，误差信号U。为零，加在伺服电机上的直流平均电压为零，舵面失去驱动力矩停止转动。舵机控制系统硬件包括电源电路、控制电路、光电隔离电路、驱动电路四个部分。电源电路主要是对弹上提供电源进行电源变换后给舵机控制系统各部分电路供电；DSP2812控制电路是系统进行信号综合、处理和分配的核心，主要是采集舵控信号和舵偏角反馈信号，并对其误差进行综合与放大，通过控制算法计算控制电压，再根据控制电压改变PWM信号的占空比输出实际PWM控制信号；光电隔离电路主要实现控制电路和驱动电路的电气隔离；驱动电路主要是为了增强控制信号的驱动能力，它是将多个场效应管(MOSFET)集成在一起，形成驱动电机所需的H桥逆变电路，对PWM信号进行功率放大后驱动舵机执行机构转动。系统总体方案设计框图见附图2。
[0029]系统电源电路选用双路隔离输出的DC/DC变换器，输入电压范围为16VDC~50VDC，输出为15V/1A和5V/1A两路电源，且完全隔离。内部各电源都加去耦电容滤波，在电源给各芯片供电时，加磁珠来衰减电磁干扰信号。主要信号线之间加磁珠来衰减干扰信号。用隔离DC/DC将驱动部分地和控制部分地完全隔离。在DC/DC输入前端加EMI电源滤波器，衰减电源线上的干扰信号，滤波器的额定电压达到50VDC。为了防止瞬时过压脉冲，电源的进入端加TVS管，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。电源电路原理图见附图3。
[0030]控制电路采用TI公司的TMS320F2812作为主控单元，它是一款实时处理能力强的高性能数字信号处理器，能够满足舵控系统实时性要求高的特点。TMS320F2812最高工作时钟频率为150MHz，指令周期6.67ns，可以满足本系统实时性要求高的特点；片内集成128kX 16位的Flash存储器，可将程序固化在片内Flash上；具有两个增强的事件管理器模块(EVA、EVB)，提供了一整套用于电机数字化控制的功能和特性，每个事件管理模块包括通用定时器、全比较/PWM单元、捕获单元，利用定时器和比较单元产生一定频率及占空比的PWM信号提供给驱动电路，定时器及捕获单元共同完成弹旋(脉冲)信号的采集及处理；16通道12位高速A/D采集模块用于舵控信号及舵偏角反馈信号的采集及处理。
[0031]光电隔离电路能有效消除环路引起的共阻抗耦合干扰，实现DSP数字电路与大电压、大电流的驱动电路之间的地线隔离，使控制部分免受驱动部分的干扰。
[0032]驱动电路的驱动芯片IR2108是美国国际整流器公司(InternationalRectifierCompany)的产品，可驱动MOSFET或IGBT。该芯片的应用简化了驱动电路的设计。IR2108内部采用自举技术设计出悬浮电源，实现一相两个N沟道逆变桥输出电路的控制。光电隔离及驱动电路原理图见附图4。
[0033]其中IR2108的2脚HIN和3脚LIN分别为高侧MOS管和低侧MOS管的驱动控制端，C15为自举电容，Dl为充电二极管。当HIN、LIN同时为低电平时，输出LO比低电位高15V，M0S管Q2导通；反之当HIN、LIN同时为高电平时，开始HO比VS高出15V(这个电压是对电容充电的结果)，MOS管Ql导通，随着时间的延续，电容通过电阻R6、R8放电，导致电压不断下降，Ql导通时间与电容C15容量有关，当脉宽调制频率在5kHz以上时，电容C15选用0.1 y F即可。因此，使用该芯片可以有效防止上下输出桥臂短路。
[0034]系统软件采用模块化设计，使用C语言和汇编语言混合编程实现，按照系统功能任务，可以把总任务分成几个模块来实现。系统程序任务框图见附图5。
[0035]其中DSP主程序完成上电初始化(包括系统初始化、PWM单元初始化、模数转换模块)，初始化完成后，打开中断，采用循环方式等待A/D采集中断和定时中断的到来。A/D转换单元完成舵控信号和舵偏角反馈信号的采集后向CPU发送中断信号，CPU响应中断读取舵控信号和舵偏角反馈信号对应的数字量。在定时中断程序中，将采集到的信号进行数字滤波后，计算舵偏角反馈信号与舵控信号的误差量，通过控制算法计算PWM输出占空比。中断子程序流程图见附图6。
[0036]系统采用PID算法作为基础控制算法，PID算法数学表达式为:
k
[0037]u(k) = Kf,E(k) + K1 E{i) + K nC{k)
Z=I[0038]其中E(k)、△(/)和C(k)分别为其输入变量误差、误差和与误差变化率，Kp, K1及
Kd分别为比例增益系数、积分增益系数和微分增益系数。在这三个控制参数中，Kp的控制效果是减小响应曲线的上升时间及静态误差^的控制效果是消除静态误差，但会延长过渡过程时间，增大超调量；Kd的控制效果是增强系统的稳定性，减少过渡过程时间，降低超调量。从舵机控制要求的快速性和跟随精度来说，增大Kp和K1有利于减小系统静态误差，但是会降低系统的稳定性。因此，在实际的系统联调过程中，本发明采用基础PID控制结合模糊控制算法在线调整控制参数，以实现最优控制效果。
[0039]根据以上原理，分别给舵机控制系统输入20°阶跃信号和3° 3Hz正弦信号，以此检测舵机跟随控制信号的控制效果。
[0040]对该系统进行联调测试，通过对控制算法和PID参数进行调节与优化，本发明取得了较好的控制效果。测试结果见附图7和附图8。由图可知舵机在跟随20°阶跃信号下，系统超调量为1.5%，稳态误差为0.05° ;在跟随3° 3Hz正弦信号下，系统幅值为2.83°，相移为31°。因此，该舵机控制系统具有良好的动态跟踪特性，系统响应速度快、超调量小、相移小，能够满足控制要求，在实际工程中有较高的应用价值。
【权利要求】
1.一种基于位置环控制的电动舵机系统，其特征在于包括:电源电路、DSP控制电路、光电隔离电路、驱动电路、伺服电机、减速器、反馈单元和执行机构；电源电路选用双路带隔离输出的DC/DC变换器，将驱动部分和控制部分电源完全隔离，在DC/DC输入前端加EMI电源滤波器以衰减电源线上的干扰，在电源的进入端加TVS管以有效防止瞬时过压脉冲；DSP控制电路选用TMS320F2812作为主控单元，片内具有两个增强的事件管理器模块EVA及EVB，每个事件管理模块包括通用定时器、全比较/PWM单元、捕获单元，利用定时器和比较单元产生一定频率及占空比的PWM信号，片内16通道12位高速A/D采集模块用于舵控信号及舵偏角反馈信号的采集及处理；光电隔离电路选用电磁隔离芯片AD1200BR ;驱动电路选用驱动芯片IR2108直接驱动场效应管，其内部采用自举技术设计出悬浮电源。
【文档编号】G05D1/10GK103699134SQ201310744834
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】黄朝丽, 李龙, 张小凯 申请人:陕西航天导航设备有限公司