一种小型电动舵机的控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种小型电动舵机的控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]现有的舵机数字控制器一般包含处理器、驱动电路、隔离电路、信号调理电路、功率驱动电路、H桥逆变电路、总线收发器及DC/DC模块等电路。由于处理器PWM输出端口的驱动能力有限，不能直接驱动光耦，需要增加驱动电路；处理器内部的AD转换精度不高，需要软件补偿或者外扩AD转换器；舵偏角模拟量的输入范围多为正负电压，不能直接接入处理器，需要在前级增加信号调理电路；当控制器驱动舵机的通道数增加时，控制器的体积、重量会增加很多，同时成本也增加较多。
[0003]以往舵机数字控制器设计存在体积大、成本高的问题。目前有一些电机控制专用DSP处理器内部AD转换器精度不高，需要软件补偿，不仅增加了软件开销，而且使得数字控制器的实现变得复杂。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种小型电动舵机的控制系统及控制方法，充分利用处理器内部资源，结构简单，降低成本。
[0005]为了达到上述目的，一种小型电动舵机的控制系统，包括采集舵偏角当前值的MCU处理器，MCU处理器还连接有第一光耦、第二光耦和总线收发器，总线收发器接收舵偏角目标值，第一光耦、第二光耦均连接第一功率驱动器和第二功率驱动器，第一功率驱动器和第二功率驱动器均连接H桥逆变电路，H桥逆变电路输出电机驱动信号，总线收发器、MCU处理器、两个光耦、两个功率驱动器和H桥逆变电路均连接电源。
[0006]所述总线收发器、MCU处理器和两个光耦连接第一 DC/DC模块，两个光耦和两个功率驱动器连接第二 DC/DC模块，第一 DC/DC模块和第二 DC/DC模块均连接有浪涌抑制及滤波电路，浪涌抑制及滤波电路连接28V电源，第一 DC/DC模块输出土 5V电源，第二 DC/DC模块输出+12V电源，H桥逆变电路连接28V电源。
[0007]所述第一 DC/DC模块和第二 DC/DC模块的型号分别为MSDW1035和MAW01-24S12。
[0008]所述MCU处理器的型号为C8051F041。
[0009]所述第一光耦和第二光耦的型号为HCPL0531，总线收发器的型号为MAX490。
[0010]所述第一功率驱动器和第二功率驱动器的型号均为IR2302S。
[0011]一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，包括以下步骤:
[0012]步骤一:通过MCU处理器采集舵偏角当前值，舵偏角目标值经422总线收发器接入处理器；
[0013]步骤二:MCU处理器将舵偏角当前值与目标值进行比较，根据偏差计算控制量输出两路同向PWM信号，同向PWM信号经第一光耦隔离后变为反向PWM信号分别输出给第一功率驱动器和第二功率驱动器；
[0014]处理器输出的关断保护信号经第二光耦隔离后输出至第一功率驱动器和第二功率驱动器；
[0015]步骤三:第一功率驱动器和第二功率驱动器输出的高、低压侧驱动信号输出给H桥逆变电路；
[0016]步骤四:H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制。
[0017]所述MCU处理器为C8051F041，其中24.5MHz晶振频率为系统时钟；内部电源监视器监控电源产生上电及掉电复位；内部1.2V带隙电压基准及两倍增益缓冲放大器输出
2.4V参考电压；ADC0电压基准取自DACO ；DAC1输出1.2V电压作为高压差分放大器HVDA的参考电压；HVDA的增益为0.5 ；ADC0内部放大器增益为I ;交叉开关将UARTO的TX和RX引脚分配到P0.0和P0.1，脉宽调制信号PWMl和PWM2引脚分配到P0.2和P0.3 ；P0.6为数字输出端口，并将所有输出引脚配置成推挽方式。
[0018]所述步骤二中，MCU处理器工作流程如下，启动AD转换器采用查询方式读取舵偏角当前值，连采5次，去掉最大和最小值，中间3个值取平均，作为当前舵偏值；根据角度偏差计算控制量，更新PWM输出信号的占空比；延迟500us，再启动AD获取当前舵偏角，计算控制量，更新PWM占空比。
[0019]与现有技术相比，本发明MCU处理器输出的PWM信号及关断保护信号经光耦隔离后送给两个功率驱动器，两个功率驱动器将信号发送给H桥逆变电路，H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制，通过采用高集成度的MCU处理器，充分利用其内部资源，只需少量的外围电路，就能实现对舵面偏转角度的随动控制，本发明采用高集成度MCU处理器加H桥逆变电路的实现方法，只需少量外围器件，简单有效的实现了对舵面偏转角的随动控制，具有体积小、重量轻、低成本、易实现等优点，本发明是一种通用直流伺服控制驱动电路，可满足一般小功率舵机控制驱动器的需求。
【附图说明】
[0020]图1为发明的系统框图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0022]参见图1，一种小型电动舵机的控制系统，包括采集舵偏角当前值的MCU处理器，MCU处理器还连接有第一光耦、第二光耦和总线收发器，总线收发器接收舵偏角目标值，第一光耦、第二光耦均连接第一功率驱动器和第二功率驱动器，第一功率驱动器和第二功率驱动器均连接H桥逆变电路，H桥逆变电路输出电机驱动信号，总线收发器、MCU处理器和两个光耦连接第一 DC/DC模块，两个光耦和两个功率驱动器连接第二 DC/DC模块，第一 DC/DC模块和第二DC/DC模块均连接浪涌抑制及滤波电路，浪涌抑制及滤波电路连接28V电源，第一 DC/DC模块输出±5V电源，第二 DC/DC模块输出+12V电源，H桥逆变电路连接28V电源。
[0023]第一 DC/DC模块和第二 DC/DC模块的型号分别为MSDW1035和MAW01-24S12 ；MCU处理器的型号为C8051F041 ;第一光耦和第二光耦的型号为HCPL0531，总线收发器的型号为MAX490 ;第一功率驱动器和第二功率驱动器的型号为IR2302S。
[0024]一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，包括以下步骤:
[0025]步骤一:通过MCU处理器采集舵偏角当前值，舵偏角目标值经422总线收发器接入处理器；
[0026]步骤二:MCU处理器将舵偏角当前值与目标值进行比较，根据偏差计算控制量输出两路同向PWM信号，同向PWM信号经第一光耦隔离后变为反向PWM信号分别输出给第一功率驱动器和第二功率驱动器；
[0027]处理器输出的关断保护信号经第二光耦隔离后输出至第一功率驱动器和第二功率驱动器；
[0028]步骤三:第一功率驱动器和第二功率驱动器输出的高、低压侧驱动信号输出给H桥逆变电路；
[0029]步骤四:H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制。
[0030]MCU处理器为C8051F041，其中24.5MHz晶振频率为系统时钟；内部电源监视器监控电源产生上电及掉电复位；内部1.2V带隙电压基准及两倍增益缓冲放大器输出2.4V参考电压；ADC0电压基准取自DACO ；DAC1输出1.2V电压作为高压差分放大器HVDA的参考电压；HVDA的增益为0.5 ；ADC0内部放大器增益为I ;交叉开关将UARTO的TX和RX引脚分配到P0.0和P0.1，脉宽调制信号PWMl和PWM2引脚分配到P0.2和P0.3 ；P0.6为数字输出端口，并将所有输出弓I脚配置成推挽方式。
[0031]MCU处理器工作流程如下，启动AD转换器采用查询方式读取舵偏角当前值，连采5次，去掉最大和最小值，中间3个值取平均，作为当前舵偏值；根据角度偏差计算控制量，更新PWM输出信号的占空比；延迟500us，再启动AD获取当前舵偏角，计算控制量，更新PWM占空比。
[0032]选用高集成度处理器:
[0033]处理器选型从主频、内部存储器容量、AD及DA的精度、输出端口的驱动能力、PWM通道数、高压信号输入端口、UART接口等方面进行综合考虑，选用C8051RM1处理器。该处理器内部集成了晶振、参考源、复位电路、看门狗电路、12位AD和DA转换器、4KB RAM和64KB FLASH、高压差分放大器、6路PWM、2路UART等资源。PWM端口具有50mA的电流驱动能力，高压差分放大器允许60V的高压信号输入。处理器采用单3.3V供电，1 口耐5V电压。C8051RM1处理器的性能完全满足舵机控制系统的需求。
[0034]充分利用处理器内部资源:
[0035]使用处理器片内的UARTO用于422总线数据通信；使用2路PWM输出信号驱动H桥逆变器；使用内部2.4V电压基准作为AD和DA的参考电压；配置片内12位的DAC1，使其输出的1.2V电压作为高压差分放大器的参考电压；将±2V的舵偏角当前值直接接入高压差分放大器的输入端；使用片内12位的ADCO对舵偏角进行数字化处理；采用内部24.5MHz的晶振频率作为系统时钟；使用片内的复位电路，实现上电复位、掉电复位及看门狗定时复位功能。
[0036]选用小体积、低成本的元器件:
[0037]控制器中的C8051F041、光耦HCPL0531、功