四通道数字舵机控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型四通道数字舵机控制系统，涉及一种用于导弹舵面控制的舵机控制系统；本实用新型的舵机控制系统包括通信主控模块、舵机主控模块、隔离模块、驱动模块、无刷舵机、电位器、霍尔信号反馈模块、舵面位置信号反馈模块和电源模块；本系统采用四片数字处理器分别控制四路舵机，使得四路舵机控制系统彼此隔离，如若其中一路舵机控制系统出现故障，不会影响其他三路舵机的正常工作。并用一片控制器专门用于和弹载计算机进行通信，接受来自弹载计算机发出的舵面位置控制信号并反馈电位器采集到的舵面位置反馈信号，其中舵机位置反馈信号采集选用专门的A/D转换芯片，使得此舵控系统具有控制精度高、可靠性高、抗干扰能力强、参数便于调整和优化等优点。
【专利说明】
四通道数字舵机控制系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种用于导弹舵面控制的舵机控制系统，特别是一种四通道数字舵机控制系统。
【背景技术】
[0002]舵机作为导弹的重要组建，是导弹制导系统的执行机构，舵机控制在导弹制导过程中具有极其重要的作用。大多数传统的火箭和导弹一般沿用液压或气压伺服系统，这些伺服系统具有优良的动态特性和输出功率，但存在结构复杂、重量大、成本高、实现技术难度大以及瞬态相应不够迅速等缺点。
[0003]数模混合导弹舵机伺服系统中，舵面位置反馈信号采集电路部分通常采用模拟电路，模拟电路设计复杂，参数调整困难，容易使得控制信号和反馈信号受到干扰。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供四通道数字舵机控制系统，该控制系统具有控制精度高、可靠性高、抗干扰能力强、参数便于调整和优化等优点。
[0005]本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的:
[0006]—种四通道数字舵控系统，包括通信主控模块、电源转换模块和η个控制系统;通信主控模块、电源转换模块分别和控制系统连接;其中控制系统包括舵机主控模块、隔离模块、驱动模块、无刷舵机、电位器、霍尔传感器、霍尔信号反馈模块和舵面位置信号反馈模块;舵机主控模块分别和通信主控模块、隔离模块、霍尔信号反馈模块和舵面位置信号反馈模块连接;隔离模块与舵机主控模块和驱动模块连接;驱动模块与隔离模块和无刷舵机连接;无刷舵机与驱动模块和电位器连接;电位器与无刷舵机和舵面位置信号反馈模块连接；舵面位置信号反馈模块与电位器和舵机主控模块连接;霍尔传感器内置于无刷舵机，霍尔传感器与霍尔信号反馈模块连接;霍尔信号反馈模块与霍尔传感器和舵机主控模块连接;η为正整数；
[0007]四通道数字舵控系统中各模块功能如下:
[0008]通信主控模块:接收外部弹载计算机传来的舵面位置控制信号，将舵面位置控制信号传输至舵机主控模块；同时接收舵机主控模块传来的舵机转子位置数字信号，汇总后传输至弹载计算机；
[0009]舵机主控模块:接收通信主控模块传来的舵面位置控制信号；接收舵面位置信号反馈模块传送的舵面位置数字信号，生成舵机的转动方向控制信号和转动位置控制信号，将转动方向控制信号和转动位置控制信号传输至隔离模块;接收霍尔信号反馈模块传来的舵机转子位置数字信号，将舵机转子位置数字信号传输至通信主控模块；
[0010]隔离模块:将舵机主控模块传来的转动方向控制信号和转动位置控制信号的电信号转化为光信号，再由光信号转化成电信号，并将转动方向控制信号和转动位置控制信号的电信号传输至驱动模块；
[0011]驱动模块:将隔离模块传来的转动方向控制信号和转动位置控制信号，转换为转动方向功率控制信号和转动位置功率控制信号，传输至无刷舵机；
[0012]无刷舵机:接收驱动模块传来的转动方向功率控制信号和转动位置功率控制信号，实现舵面位置的转动；
[0013]电位器:实时采集舵机的转动位置信号，并将舵面位置信号传送至舵面位置信号反馈模块；
[0014]霍尔传感器:霍尔传感器内置于无刷舵机内部，实时监测舵机转子位置，并将舵机转子位置信号传送至霍尔信号反馈模块；
[0015]舵面位置信号反馈模块:接收电位器传送的舵面位置信号，并将舵面位置信号转换成数字信号，将舵面位置数字信号传送至舵机主控模块；
[0016]霍尔信号反馈模块:接收霍尔传感器传来的舵机转子位置信号，将舵机转子位置信号转换成数字信号，将舵机转子位置数字信号传送至舵机主控模块；
[0017]电源模块:将外部弹载蓄电池提供的电压转换成各个模块所需的电压，并为通信主控模块、舵机主控模块、电位器、驱动模块、隔离模块、舵面位置信号反馈模块和霍尔信号反馈模块供电。
[0018]在上述的四通道数字舵机控制系统，包括4个控制系统。
[0019]在上述的四通道数字舵机控制系统，舵面位置信号反馈模块中采用12位AD转换芯片用于采集模拟信号，采样速率可达35-45KSPS，设置有SPI串行接口。
[0020]在上述的四通道数字舵机控制系统，所述的通信主控模块和舵机主控模块的处理器设置有双12位AD接口，采样速率为0.8-1.2兆位/秒。
[0021]在上述的四通道数字舵机控制系统，所述的通信主控模块和舵机主控模块的处理器中SPI接口协议的通信速率最高可达17-19兆位/秒。
[0022]在上述的四通道数字舵机控制系统，所述的通信主控模块和舵机主控模块的处理器设置有集成的霍尔传感器接口和可产生多路PWM的定时器模块。
[0023]在上述的四通道数字舵机控制系统，所述的具有隔离功能的电源转换模块将外部弹载蓄电池电压转换为+3.3V，为通信主控模块和舵机主控模块供电；同时，电源转换模块将外部弹载蓄电池电压转换为±24V为电位器供电；电源转换模块中的电源转换芯片L7805将±24V电压转换为+5V，为霍尔反馈信号模块、隔离模块、舵面位置信号反馈模块和驱动模块供电；电源转换模块中的电源转换芯片L7815将±24V电压转换为+15V，为驱动模块供电。
[0024]在上述的四通道数字舵机控制系统，所述的无刷舵机为直流无刷电机，输出轴连接谐波减速器。
[0025]本实用新型与现有技术相比具有如下优点:
[0026](I)本实用新型中的电源转换模块选取时充分考虑到隔离、降噪、稳压、保护等功能，使得电源模块工作稳定，将弹载蓄电池提供的电压转换成各个模块所需的电压，尤其是将舵机主控模块与驱动模块所需电压隔离开分别供电，使得整个系统的抗干扰能力增强。
[0027](2)本实用新型在舵机主控模块与驱动模块之间增加隔离模块，将舵机主控模块传来的舵机转动位置和转动方向的电信号转换成光信号，再由光信号转化成电信号，通过电信号一光信号一电信号的转换，从而使舵机主控模块中的控制信号与驱动模块中的信号起到了良好的隔离的作用；
[0028](3)本实用新型采用四片数字处理器分别控制四路舵机，使得四路舵机控制系统彼此隔离，如若其中一路舵机控制系统出现故障，不会影响其他三路舵机的正常工作，在三路舵控系统正常工作的情况下仍然能够精确制导，打击被测目标。大大提高了系统的可靠性；
[0029](4)本实用新型采用专门的A/D转换芯片来构成舵机舵面位置反馈模块。这样的纯数字式控制系统相较于模拟控制系统，不仅简化了电路设计过程，也使得系统的参数便于调整和优化。
【附图说明】
[0030]图1为舵控系统流程图；
[0031]图2为电源转换结构图；
[0032]图3为电源模块电路图；
[0033]图4为通信主控模块电路图；
[0034]图5为舵机主控模块电路图；
[0035]图6为隔离模块电路图；
[0036]图7为驱动模块电路图；
[0037]图8为霍尔信号反馈模块电路图；
[0038]图9为舵面位置信号反馈模块电路图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述:
[0040]如图1所示为舵控系统流程图，由图可知，包括通信主控模块、电源转换模块和η个控制系统;通信主控模块、电源转换模块分别和控制系统连接;其中控制系统包括舵机主控模块、隔离模块、驱动模块、无刷舵机、电位器、霍尔传感器、霍尔信号反馈模块和舵面位置信号反馈模块;舵机主控模块分别和通信主控模块、隔离模块、霍尔信号反馈模块和舵面位置信号反馈模块连接;隔离模块与舵机主控模块和驱动模块连接;驱动模块与隔离模块和无刷舵机连接;无刷舵机与驱动模块和电位器连接；电位器与无刷舵机和舵面位置信号反馈模块连接;舵面位置信号反馈模块与电位器和舵机主控模块连接;霍尔传感器内置于无刷舵机，霍尔传感器与霍尔信号反馈模块连接;霍尔信号反馈模块与霍尔传感器和舵机主控模块连接;η为正整数；
[0041 ]四通道数字舵机控制系统中包括4个控制系统；
[0042]四通道数字舵控系统中各模块功能如下:
[0043]通信主控模块:接收外部弹载计算机传来的舵面位置控制信号，将舵面位置控制信号传输至舵机主控模块；同时接收舵机主控模块传来的舵机转子位置数字信号，汇总后传输至弹载计算机；
[0044]舵机主控模块:接收通信主控模块传来的舵面位置控制信号；接收舵面位置信号反馈模块传送的舵面位置数字信号，经过PID算法运算后生成舵机的转动方向控制信号和转动位置控制信号，将转动方向控制信号和转动位置控制信号传输至隔离模块;接收霍尔信号反馈模块传来的舵机转子位置数字信号，将舵机转子位置数字信号传输至通信主控模块；
[0045]隔离模块:将舵机主控模块传来的转动方向控制信号和转动位置控制信号的电信号转化为光信号，再由光信号转化成电信号，并将转动方向控制信号和转动位置控制信号的电信号传输至驱动模块；
[0046]驱动模块:将隔离模块传来的转动方向控制信号和转动位置控制信号，转换为转动方向功率控制信号和转动位置功率控制信号，传输至无刷舵机；
[0047]无刷舵机:接收驱动模块传来的转动方向功率控制信号和转动位置功率控制信号，实现舵面位置的转动；
[0048]电位器:实时采集舵机的转动位置信号，并将舵面位置信号传送至舵面位置信号反馈模块；
[0049]霍尔传感器:霍尔传感器内置于无刷舵机内部，实时监测舵机转子位置，并将舵机转子位置信号传送至霍尔信号反馈模块；
[0050]舵面位置信号反馈模块:接收电位器传送的舵面位置信号，并将舵面位置信号转换成数字信号，将舵面位置数字信号传送至舵机主控模块；
[0051]霍尔信号反馈模块:接收霍尔传感器传来的舵机转子位置信号，将舵机转子位置信号转换成数字信号，将舵机转子位置数字信号传送至舵机主控模块；
[0052]电源模块:将外部弹载蓄电池提供的电压转换成各个模块所需的电压，并为通信主控模块、舵机主控模块、电位器、驱动模块、隔离模块、舵面位置信号反馈模块和霍尔信号反馈模块供电。
[0053]外部弹载计算机与通信主控模块之间通过RS422通信协议来传输舵面位置控制信号与舵面位置反馈信号。通信主控模块与舵机主控模块之间采用SPI通信协议来传输舵面位置控制信号与舵面位置反馈信号。舵机主控模块整合位置控制信号与位置反馈信号并经过PID控制算法后，输出舵机转动方向控制信号与控制舵机转动位置的PWM信号。两组控制信号经过隔离模块进入驱动电路，通过控制MOSFET的通断来控制无刷直流舵机线圈的导通与断开，实现舵机的方向和位置控制。霍尔传感器反馈模块将舵机转子的位置信息反馈给舵机主控模块，通过异或逻辑运算后控制无刷舵机线圈的导通顺序，从而控制舵机的转动方向。由电位器采集到的舵面位置反馈信号，经过舵面位置信号反馈模块送回舵机主控模块，从而形成舵面位置控制的闭环系统。
[0054]通信主控模块和舵机主控模块的处理器设置有双12位AD接口，采样速率为0.8-1.2兆位/秒;SPI接口协议的通信速率最高可达17-19兆位/秒;并设置有集成的霍尔传感器接口和可产生多路PWM的定时器模块。
[0055]无刷舵机为直流无刷电机，输出轴连接谐波减速器。
[0056]如图2所示为电源转换结构图、如图3所示为电源模块电路图，由图可知，所述的具有隔离功能的电源转换模块将外部弹载蓄电池电压转换为+3.3V，为包括通信主控模块和舵机主控模块供电；同时，电源转换模块将外部弹载蓄电池电压转换为±24V为电位器供电；电源转换模块中的电源转换芯片L7805将± 24V电压转换为+5V，为霍尔反馈信号模块、隔离模块、舵面位置信号反馈模块和驱动模块供电；电源转换模块中的电源转换芯片L7815将± 24V电压转换为+15V，为驱动模块供电。
[0057]所示实施例中，弹载蓄电池提供的+28V电源通过自带电气隔离功能的电源转换模±夬￥1^2043转换为+3.3V后，为通信主控模块、舵机主控模块和隔离模块供电；通过自带电气隔离功能的电源转换模块URA2424转换为± 24V，为电位器供电；经电源转换模块URA2424转换后的+24V电压经过电源转换芯片L7815转换为+15V，为驱动模块中的驱动芯片IR2110S供电；经隔离电源转换模块URA2424转换后的+24V电压经过电源转换芯片L7805转换为+5V，为隔离模块HCPL063和驱动模块中的驱动芯片IR211S和霍尔信号反馈模块供电。
[0058]舵机控制器中的电源系统比较复杂，需要为舵机、隔离电路、驱动电路和主控芯片等供电，因各个电路模块所需电压数值不同，容易造成信号之间的干扰，因此电源转换模块设计需要个的隔离保护措施。
[0059]如图4所示为通信主控模块电路图，由图可知，通信主控模块做为作为弹载计算机和舵机主控模块之间通信的载体，将弹载计算机发出的舵面位置控制信号通过SPI通信协议分别传递给各舵机主控模块，同时将舵面位置反馈信号反馈给弹载计算机。通信主控模块由STM32F103C8T6的最小系统电路组成，其中STM32的USART2_RX，USART2_TX端口分别与芯片DS8921的R0、DI端口连接，芯片DS8921的RI +、R1-、D0+、D0-端口与弹载计算机的D0+、D0-、RI+、R1-端口连接进行RS422通信。其外部晶振Yl与STM32的OSCI和OSCO两个I/O 口连接为STM32提供时钟。旁路电容Cl、C2、C3和C4分别连接到STM32中的+3.3V和GND端口。JTAG程序下载接口分别于STM3 2的JNTRST、JTD1、JTMS、JTCK、JTDO和NRST连接，并在JTAG每个引脚处都连接一个上拉电阻。STM32中的I/O 口 PA3、PA4、PA5、PA6与舵机主控模块中的SPI_NSS、SPI_SCK、SPI_MIS0、SPI_M0SI 连接。
[0060]如图5所示为舵机主控模块电路图，由图可知，舵机主控模块用于接收来自通信主控模块的舵面位置控制信号，结合舵面位置反馈信号，经过PID控制算法运算后产生PWM信号与方向控制信号用于舵机的位置控制。舵机主控模块由STM3 2F1 3C8T6的最小系统组成。其外部晶振Yl与STM32的OSCI和OS⑶两个I/O 口连接为STM32提供时钟。旁路电容C1、C2、C3和C4分别连接到STM32中的+3.3V和GND端口。JTAG程序下载接口分别于STM32的JNTRST、JTD1、JTMS、JTCK、JTDO和NRST连接，并在JTAG每个弓I脚处都连接一个上拉电阻。STM32中的I/O 口 PA3、PA4、PA5、PA6 与通信主控模块中的 SPI_NSS、SPI_SCK、SPI_MISO、SPI_MOSI 连接。5丁]\02中的？厶8、？厶9、？厶10、？813、？厶14、？厶15与驱动模块中芯片11?2110中的!1111^1~连接。STM32中的I/O 口 PA0、PA1、PA2做为霍尔信号的接入端。
[0061]如图6所示为隔离模块电路图，由图可知，隔离模块采用光耦HCPL063将数字驱动信号与功率驱动芯片进行电气上的完全隔离，并将弹载计算机与通信主模块之间RS422通信信号通过光耦进行电气隔离。弹载计算机通过RS422协议输入的舵机位置控制信号，与通信主模块的输出舵机反馈信号分别可通过U7、U9 二个光耦HCPL063进行电气隔离。舵机主控模块输出的PWM1-PWM6信号也将通过U20、U21、U22三个光耦后送入驱动电路模块。
[0062]如图7所示为驱动模块电路图，由图可知，驱动模块采用IR公司专用驱动芯片IR2110S组成驱动电路，IR2110S通过外围连接二极管Dl和电容C6组成自举电路，因此可选用6个N沟道MOSFET组成的H桥开关电路。UH、VH、WH引脚分别于三相全桥开关电路的上桥臂的MOSFET的栅极相连，UL、VL、WL引脚分别于三相全桥开关电路的下桥臂的MOSFET的栅极相连，UA、VA、WA引脚分别于无刷电机的三相相连。
[0063]如图8所示为霍尔信号反馈模块电路图，由图可知，内置于舵机内部的霍尔传感器输出的霍尔信号HALLA、HALLB、HALLC，经过由电阻R1、R2、R3和电容C1、C2、C3组成的滤波电路并通过电阻上拉后，接入舵机主控芯片STM32的PAO、PA1和PA2。
[0064]如图9所示为舵面位置信号反馈模块电路图，由图可知，舵面位置信号反馈模块中电位器采集到的舵面位置反馈信号AD，经过A/D转换芯片ADS8506转换成数字信号通过SDATA端口后接入STM3 2中的PB I，另外BUSY、R/C、DATACLK分别于PB 11、PB 1、PBO连接，可使舵机主控芯片STM32对电位器采集到的数据进行控制运算，舵面位置信号反馈模块中采用12位AD转换芯片用于采集模拟信号，采样速率可达35-45KSPS，设置有SPI串行接口。
[0065]本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种四通道数字舵机控制系统，其特征在于:包括通信主控模块、电源转换模块和η个控制系统;通信主控模块、电源转换模块分别和控制系统连接;其中控制系统包括舵机主控模块、隔离模块、驱动模块、无刷舵机、电位器、霍尔传感器、霍尔信号反馈模块和舵面位置信号反馈模块;舵机主控模块分别和通信主控模块、隔离模块、霍尔信号反馈模块和舵面位置信号反馈模块连接;隔离模块与舵机主控模块和驱动模块连接;驱动模块与隔离模块和无刷舵机连接;无刷舵机与驱动模块和电位器连接；电位器与无刷舵机和舵面位置信号反馈模块连接;舵面位置信号反馈模块与电位器和舵机主控模块连接;霍尔传感器内置于无刷舵机，霍尔传感器与霍尔信号反馈模块连接;霍尔信号反馈模块与霍尔传感器和舵机主控模块连接;η为正整数； 四通道数字舵控系统中各模块功能如下: 通信主控模块:接收外部弹载计算机传来的舵面位置控制信号，将舵面位置控制信号传输至舵机主控模块；同时接收舵机主控模块传来的舵机转子位置数字信号，汇总后传输至弹载计算机； 舵机主控模块:接收通信主控模块传来的舵面位置控制信号;接收舵面位置信号反馈模块传送的舵面位置数字信号，生成舵机的转动方向控制信号和转动位置控制信号，将转动方向控制信号和转动位置控制信号传输至隔离模块;接收霍尔信号反馈模块传来的舵机转子位置数字信号，将舵机转子位置数字信号传输至通信主控模块； 隔离模块:将舵机主控模块传来的转动方向控制信号和转动位置控制信号的电信号转化为光信号，再由光信号转化成电信号，并将转动方向控制信号和转动位置控制信号的电信号传输至驱动模块； 驱动模块:将隔离模块传来的转动方向控制信号和转动位置控制信号，转换为转动方向功率控制信号和转动位置功率控制信号，传输至无刷舵机； 无刷舵机:接收驱动模块传来的转动方向功率控制信号和转动位置功率控制信号，实现舵面位置的转动； 电位器:实时采集舵机的转动位置信号，并将舵面位置信号传送至舵面位置信号反馈丰旲块; 霍尔传感器:霍尔传感器内置于无刷舵机内部，实时监测舵机转子位置，并将舵机转子位置信号传送至霍尔信号反馈模块； 舵面位置信号反馈模块:接收电位器传送的舵面位置信号，并将舵面位置信号转换成数字信号，将舵面位置数字信号传送至舵机主控模块； 霍尔信号反馈模块:接收霍尔传感器传来的舵机转子位置信号，将舵机转子位置信号转换成数字信号，将舵机转子位置数字信号传送至舵机主控模块； 电源模块:将外部弹载蓄电池提供的电压转换成各个模块所需的电压，并为通信主控模块、舵机主控模块、电位器、驱动模块、隔离模块、舵面位置信号反馈模块和霍尔信号反馈模块供电。2.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:包括4个控制系统。3.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:舵面位置信号反馈模块中采用12位AD转换芯片用于采集模拟信号，采样速率可达35-45KSPS，设置有SPI串行接□ O4.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:所述的通信主控模块和舵机主控模块的处理器设置有双12位AD接口，采样速率为0.8-1.2兆位/秒。5.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:所述的通信主控模块和舵机主控模块的处理器中SPI接口协议的通信速率最高可达17-19兆位/秒。6.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:所述的通信主控模块和舵机主控模块的处理器设置有集成的霍尔传感器接口和可产生多路PWM的定时器模块。7.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:所述的具有隔离功能的电源转换模块将外部弹载蓄电池电压转换为+3.3V，为通信主控模块和舵机主控模块供电；同时，电源转换模块将外部弹载蓄电池电压转换为±24V为电位器供电；电源转换模块中的电源转换芯片L7805将± 24V电压转换为+5V，为霍尔反馈信号模块、隔离模块、舵面位置信号反馈模块和驱动模块供电；电源转换模块中的电源转换芯片L7815将±24V电压转换为+15V，为驱动模块供电。8.根据权利要求1所述的四通道数字舵机控制系统，其特征在于:所述的无刷舵机为直流无刷电机，输出轴连接谐波减速器。
【文档编号】H02P6/08GK205430104SQ201620115826
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年2月4日
【发明人】李玲, 姜涛, 于德洋, 李晗, 王刚, 张志新
【申请人】中国航天空气动力技术研究院