CN101799689A - 双余度舵机控制器 - Google Patents

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李劲松
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本发明公开了一种双余度舵机控制器，属于航空飞行控制技术领域。中央控制单元为DSP芯片数字信号处理器，其多路输出口输出的PWM信号分别经光电隔离单元隔离后，分成两组分别输入至由功率驱动芯片和H桥电路构成的两套电路相同的第一套功率驱动单元和第二套功率驱动单元；两套功率驱动单元的驱动电源和输出至舵机(M)的电压由数字信号处理器控制的故障切换单元切换；舵机与数字信号处理器输入端之间连接有由舵机电流调理装置和舵机位置调理装置组成的舵机信号调理单元；数字信号处理器与上位机之间设有RS422串口通信接口电路单元。具有结构简单、控制精度高、系统稳定性好、抗干扰能力强、可靠性高和开发成本低等特点。

Description

双余度舵机控制器
技术领域
本发明涉及一种双余度舵机控制器，主要应用于航空飞行器姿态控制系统，属于航空飞行控制技术领域。
背景技术
舵机作为航空飞行器的重要组成部分，其性能直接影响飞行器的飞行安全和飞行品质。为了提高飞行器的安全性必须对舵机进行多余度设计，其中最常见的就是双余度设计。舵机双余度设计通常分成执行机构双余度设计和舵机控制器双余度设计，本发明涉及的就是舵机控制器的双余度设计。常规的双余度舵机控制器采用完全独立的两套控制电路，增加了系统成本和系统复杂度，而舵机控制器中的故障失效点主要发生在功率驱动电路，舵机控制器的逻辑控制单元可靠性很高。因此只对功率驱动电路作双余度设计既提高了舵机控制器的可靠性又降低了系统成本和系统复杂度。此外，常规的舵机控制器的指令信号采用模拟量输入，模拟量输入形式提高了指令的实时性但降低了控制器的抗干扰性能，容易引入随机误差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有舵机控制器存在的问题，提供一种结构简单、抗干扰能力强、可靠性高、开发成本低的双余度舵机控制器。
其技术方案是：一种双余度舵机控制器，包括中央控制单元、光电隔离单元、功率驱动单元、故障切换单元、舵机信号调理单元、舵机和串口通信接口单元，其特征在于：所述中央控制单元为DSP数字信号处理器，其多路输出口输出的PWM信号分别经光电隔离单元隔离后，分成两组分别输入至由功率驱动芯片和H桥电路构成的两套电路相同的第一套功率驱动单元和第二套功率驱动单元；两套功率驱动单元的驱动电源和输出至舵机的电压由数字信号处理器控制的故障切换单元切换；舵机与数字信号处理器输入端之间连接有由舵机电流调理装置和舵机位置调理装置组成的舵机信号调理单元；数字信号处理器与上位机之间设有RS422串口通信接口电路单元。
与现有技术比较，其具有以下优点：
1、采用控制简单、灵活和动态响应好的全数字PWM控制技术对模拟电路进行控制，既可以大幅度降低系统的成本和功耗，又提高了控制精度和系统稳定性，增强了控制器的通用性，根据驱动舵机的不同，只需对控制程序作相应修正即能正常运行。
2、采用功率驱动电路的双余度设计，即提高了系统可靠性又降低了系统的复杂度和开发成本。
3、采用光电隔离技术，提高了系统控制精度和抗干扰能力。
4、与上位机采用RS422串口总线通信，即提高了控制指令的稳定性又增加了向上位机的反馈的信息量，同时简化了接口电路。
另外，本发明结构简单、抗干扰能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明的电原理框图；
图2是DSP控制电路原理图；
图3是光电隔离电原理图；
图4是功率驱动单元电原理图；
图5是故障切换单元切换控制电原理图；
图6是舵机电流调理单元电原理图；
图7是舵机位置调理单元电原理图。
具体实施方式
参见图1，双余度舵机控制器，包括中央控制单元、光电隔离单元、功率驱动单元、故障切换单元、舵机信号调理单元、舵机和串口通信接口单元。中央控制单元为内部采用程序和数据分开的哈佛结构的DSP芯片数字信号处理器，其输出口输出的八路PWM信号分别经光电隔离单元隔离后，按四路一组分成PWMA1～4和PWMA5～8两组，分别输入至由功率驱动芯片和H桥电路构成的两套电路相同的第一套功率驱动单元和第二套功率驱动单元。两套功率驱动单元的驱动电源和输出至舵机M的电压由数字信号处理器控制的故障切换单元切换，互为备份。舵机与数字信号处理器输入端之间连接有由舵机电流调理装置和舵机位置调理装置组成的舵机信号调理单元；数字信号处理器与上位机的通信接口之间设有RS422串口通信接口电路单元，通过RS422串口总线实现指令信息的获取和舵机运行状态的上传。
上述的故障切换单元由光电隔离器、功率放大器和继电器构成(见图5)。光电隔离器的输入端与数字信号处理器的输出端连接，功率放大器的输出端分别连接两个继电器J1和J2的线圈。继电器J1的一边触点电路连接驱动电源，另一边的常闭触点和常开触点分别与第一套功率驱动单元中的DCA端和第二套功率驱动单元中的DCB端连接。继电器J2的一边触点电路与舵机M连接，另一边的常闭触点和常开触点分别与两套功率驱动单元的输出端连接。数字信号处理器根据故障信息，发出切换控制信号。切换控制信号经光电隔离器隔离并经功率放大器放大后驱动继电器动作，通过切换功率驱动单元的驱动电源和输出至舵机的电压实现对第一和第二套功率驱动单元的切换。
上述的舵机电流调理装置由电流传感器与电流调理电路构成。
上述的舵机位置调理装置由位置传感器和位置调理电路构成。
图2中，U1为DSP芯片数字信号处理器1。其中：PWM1/IOPA6、PWM2/IOPA7、PWM3/IOPB0、PWM4/IOPB1、PWM7/IOPE1、PWM8/IOPE2、PWM9/IOPE3、PWM10/IOPE4口分别对应与舵机控制器的PWMD1～8连接；ADCIN00、ADCIN01分别对应与舵机控制器电流反馈信号和位置反馈信号连接；CAP3/IOPA5对应与数字信号控制器的切换控制信号连接；SCITXD/IOPA0、SCIRXD/IOPA1与RS422串口通信接口电路单元相连。
图3中，PWMD1～8分别输入至由四片相同的U2～5光耦芯片HCPL0630构成的光电隔离单元，经隔离后输出PWMA1～8信号，实现PWM信号的光电隔离。
图4中，PWMA1～8按四路一组分成两组，分别输入至由功率驱动芯片1R2110和H桥电路构成的两套功率驱动单元。其中，第一套功率驱动单元中的PWMA1和PWMA2输入至U6驱动MOSFET Q1和Q2，PWMA3和PWMA4输入至U7驱动MOSFET Q3和Q4；第二套功率驱动单元中的PWMA5和PWMA6输入至U8驱动MOSFET Q5和Q6，PWMA7和PWMA8输入至U9驱动MOSFET Q7和Q8。
图5中，数字信号处理器发出的切换控制信号经过光电隔离器U10隔离后，分别输入功率放大器中MOSFET Q9和Q10的栅极，来实现对继电器的J1、J2的控制，从而实现对两套功率驱动单元的驱动电源和输出电压的切换。
参见图6，由电流传感器采样的舵机电流信号，经过电流调理电路中运算放大器U11A构成的电压跟随器跟随后，输入至运算放大器U11B构成的二阶巴特沃斯滤波器得到电流反馈信号，输出至DSP芯片数字信号处理器。
参见图7，位置传感器采样的舵机位置信号，经过位置调理电路中运算放大器U11C构成的电压跟随器跟随后，输入至运算放大器U11D构成的二阶巴特沃斯滤波器得到位置反馈信号，输出至DSP芯片数字信号处理器。

Claims (4)

1.双余度舵机控制器，包括中央控制单元、光电隔离单元、功率驱动单元、故障切换单元、舵机信号调理单元、舵机和串口通信接口单元，其特征在于：所述中央控制单元为DSP芯片数字信号处理器，其多路输出口输出的PWM信号分别经光电隔离单元隔离后，分成两组分别输入至由功率驱动芯片和H桥电路构成的两套电路相同的第一套功率驱动单元和第二套功率驱动单元；两套功率驱动单元的驱动电源和输出至舵机(M)的电压由数字信号处理器控制的故障切换单元切换；舵机与数字信号处理器输入端之间连接有由舵机电流调理装置和舵机位置调理装置组成的舵机信号调理单元；数字信号处理器与上位机之间设有RS422串口通信接口电路单元。
2.根据权利要求1所述的双余度舵机控制器，其特征在于：所述的故障切换单元由光电隔离器、功率放大器和继电器构成，光电隔离器的输入端与数字信号处理器的输出端连接，功率放大器的输出端分别连接两个继电器(J1、J2)线圈：继电器(J1)的一边触点电路连接驱动电源，另一边的常闭触点和常开触点分别与第一套功率驱动单元中的DCA端和第二套功率驱动单元中的DCB端连接；继电器(J2)的一边触点电路与舵机(M)连接，另一边的常闭触点和常开触点分别与两套功率驱动单元的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的双余度舵机控制器，其特征在于：所述的舵机电流调理装置由电流传感器与电流调理电路构成。
4.根据权利要求1所述的双余度舵机控制器，其特征在于：所述的舵机位置调理装置由位置传感器和位置调理电路构成。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100811