CN102837821B - 一种舵机控制器 - Google Patents

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本发明提出了一种舵机控制器，由调零电路与舵机反馈位置电路、目标信号调理电路、目标角度与实际角度处理电路、方向控制电路、信号选择电路、PWM信号发生电路、PID调理电路、载波信号发生电路、信号隔离电路、过流保护电路及电流采样电路、功率管驱动电路、H桥逆变电路及电流采样电路、电源供电电路组成。本发明利用常用的元器件，降低了成本，利用成熟的技术，保证了可靠性；它是采用了分立的电子元器件实现了PID控制技术、PWM控制技术、目标信号与实际信号处理技术、过流过压保护技术、隔离技术等；经实验验证，其快速的响应特性和良好的跟踪特性，满足了舵机控制的性能。

Description

一种舵机控制器
技术领域
本发明涉及舵机控制技术领域，具体为一种舵机控制器。
背景技术
舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路板组成。它的工作原理如下：舵机的控制电路板接收来自信号线的控制信号（周期为20ms的PWM信号），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号至控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而能控制其转到期望的角度。
目前，舵机控制器主要是以DSP等为核心的数字舵机控制器，但是DSP芯片为非国产元器件，非国产电子元器件购买、选型、技术交流时经常受到政治、经济等因素影响，而且目前的DSP芯片在应用于对数字信号干扰大的某些电磁干扰场合时常常会出现干扰现象。
发明内容
要解决的技术问题
为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种舵机控制器，该舵机控制器利用成熟的、常用的、购买不受限的分立电子元器件和成熟的单元电路。
技术方案
本发明的技术方案为：
所述一种舵机控制器，其特征在于：由调零电路与舵机反馈位置电路、目标信号调理电路、目标角度与实际角度处理电路、方向控制电路、信号选择电路、PWM信号发生电路、PID调理电路、载波信号发生电路、信号隔离电路、过流保护电路及电流采样电路、功率管驱动电路、H桥逆变电路及电流采样电路、电源供电电路组成；
所述调零电路与舵机反馈位置电路的输入为外部舵机执行机构的反馈电位器信号DJ-FKV，并对信号DJ-FKV进行电压跟随处理，得到舵机系统的当前所处角度信号V-FK；调零电路通过电位器实现，所述电位器的输出信号经电压跟随处理后得到的信号与V-FK信号经减法电路后输出信号VReal，其中V-FK信号接减法电路的正输入端，电位器输出信号经电压跟随处理后得到的信号接减法电路的负输入端；
所述目标信号调理电路的输入信号为外部控制器输入的目标角度信号，当目标角度信号为模拟电压信号时，目标信号调理电路对模拟电压信号进行电压跟随处理，当目标角度信号为PWM信号时，目标信号调理电路将PWM信号调理逆变为模拟电压信号，再对得到的模拟电压信号进行电压跟随处理；目标信号调理电路的输出信号为Vbm信号；
所述目标角度与实际角度处理电路为两路减法电路，其中一路减法电路正输入端接VReal信号，负输入端接Vbm信号，输出信号为OUTRM1，另一路减法电路正输入端接Vbm信号，负输入端接VReal信号，输出信号为OUTMR1；
所述方向控制电路包括比较器和非门电路，VReal信号接比较器正输入端，Vbm信号接比较器负输入端，比较器的输出信号CON-VOL作为舵机的方向控制信号，CON-VOL信号经非门电路后输出信号CON-VOLF，用作后续控制；
所述信号选择电路的控制信号为CON-VOL信号，输入的可选择信号为OUTRM1信号和OUTMR1信号，当CON-VOL为高电平信号时，选通OUTRM1信号作为信号选择电路输出的PIDIO信号，当CON-VOL为低电平信号时，选通OUTMR1信号作为信号选择电路输出的PIDIO信号；PIDIO信号经PID调理电路后输出COM-VOL信号；COM-VOL信号与载波信号发生电路生成的三角波信号TRIANGLE经PWM信号发生电路后输出PWM信号，所述PWM信号发生电路为比较电路，COM-VOL信号接比较器正输入端，三角波信号TRIANGLE接比较器负输入端；PWM信号发生电路产生的PWM信号接信号选择电路，当CON-VOL为高电平信号时，PWM信号通PWM1驱动信号，当CON-VOL为低电平信号时，PWM信号通PWM2驱动信号；
所述信号隔离电路实现PWM2、PWM1、CON-VOL和CON-VOLF信号的电源隔离和信号隔离，隔离输出的信号分别对应为：PWM2-1、PWM1-1、CON-VOL-1和CON-VOLF-1；
所述过流保护电路和电流采样电路输入为CON-VOL-1和CON-VOLF-1信号，CON-VOL-1和CON-VOLF-1信号分别与过流信号OVERCOUT经与门后得到CON-VOL-LIN和CON-VOLF-LIN信号；其中，当过流保护电路中设定的保护电压大于电流采样电路的采样电压时，过流信号OVERCOUT为高电平，否则为低电平；所述电流采样电路的电流信号取自母线电流；
所述功率管驱动电路采用两片电机驱动芯片IRF2103，PWM1-1信号和CON-VOL-LIN信号分别输入第一片电机驱动芯片的HIN端和LIN端，第一片电机驱动芯片的HO端输出PHA信号，VS端输出MOTOR1信号；PWM2-1信号和CON-VOLF-LIN信号分别输入第二片电机驱动芯片的HIN端和LIN端，第二片电机驱动芯片的HO端输出PHB信号，VS端输出MOTOR2信号；当CON-VOL-LIN为高电平信号时，PHA信号输出，反之PHB信号输出；在H桥逆变电路中，PHA和CON-VOL-LIN分别控制两个对角分布的功率管的栅极，PHB和CON-VOLF-LIN分别控制另外两个对角分布的功率管的栅极；MOTOR1信号和MOTOR2信号分别连接舵机执行机构的两相绕组；H桥逆变电路的供电电源的地与功率管驱动电路的地是共地，单点接在一起。
有益效果
本发明利用常用的元器件，降低了成本，利用成熟的技术，保证了可靠性；它是采用了分立的电子元器件实现了PID控制技术、PWM控制技术、目标信号与实际信号处理技术、过流过压保护技术、隔离技术等；经实验验证，其快速的响应特性和良好的跟踪特性，满足了舵机控制的性能。
附图说明
图1舵机控制器整体原理框图；
图2调零电路与舵机反馈位置电路图；
图3目标信号调理电路图；
图4PWM信号调理电路图；
图5目标角度与实际角度处理电路图；
图6方向控制电路图；
图7信号选择电路图；
图8PID信号调理电路图；
图9载波信号发生电路图及PWM信号发生电路图；
图10信号隔离电路图；
图11过流保护电路及电流采样电路图；
图12功率管驱动电路图；
图13H桥逆变电路及采样电阻采样电流电路图；
图14电源供电电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
本实施例为采用不同于以往舵机控制器的技术创造性的将成熟的模块技术以新的思路和方法巧妙集成而实现了一种新型的舵机控制器，它是采用了分立的电子元器件实现了PID控制技术、PWM控制技术、目标信号与实际信号处理技术、过流过压保护技术、隔离技术等。
参照附图1，本实施例中的舵机控制器，由调零电路与舵机反馈位置电路、目标信号调理电路、目标角度与实际角度处理电路、方向控制电路、信号选择电路、PWM信号发生电路、PID调理电路、载波信号发生电路、信号隔离电路、过流保护电路及电流采样电路、功率管驱动电路、H桥逆变电路及电流采样电路、电源供电电路组成。
本实施例中舵机控制器的输入信号有两个：外部舵机执行机构的反馈电位器信号DJ-FKV和外部控制器输入的目标角度信号，外部控制器输入的目标角度信号为PWM信号或模拟电压信号。舵机执行机构的电机的两相输出信号有两个：MOTOR1和MOTOR2，外接电机绕组出线。本实施例中舵机控制器针对有刷舵机设计，所以输出信号为电机的两相信号。
参照附图2，所述调零电路与舵机反馈位置电路的输入为外部舵机执行机构的反馈电位器信号DJ-FKV，并对信号DJ-FKV进行电压跟随处理，得到舵机系统的当前所处角度信号V-FK，这样就实现了实时采集舵机系统的当前所处角度或者位置值V-FK。为实现舵机系统初始位置调零，还设计了调零电路，调零电路通过电位器调节实现，所述电位器的输出信号经电压跟随处理后得到的信号与V-FK信号经减法电路后输出信号VReal，其中V-FK信号接减法电路的正输入端，电位器输出信号经电压跟随处理后得到的信号接减法电路的负输入端。经减法电路后，通过调零电位器可以实现将实际值VReal调整为零，实现舵机初始位置的调零功能。
参照附图3和附图4，所述目标信号调理电路的输入信号为外部控制器输入的目标角度信号，当目标角度信号为模拟电压信号时，目标信号调理电路对模拟电压信号进行电压跟随处理，当目标角度信号为PWM信号时，目标信号调理电路将PWM信号调理逆变为模拟电压信号，再对得到的模拟电压信号进行电压跟随处理；目标信号调理电路的输出信号为Vbm信号。
参照附图5，所述目标角度与实际角度处理电路为两路减法电路，其中一路减法电路正输入端接VReal信号，负输入端接Vbm信号，输出信号为OUTRM1，另一路减法电路正输入端接Vbm信号，负输入端接VReal信号，输出信号为OUTMR1。
参照附图6，所述方向控制电路包括比较器和非门电路，VReal信号接比较器正输入端，Vbm信号接比较器负输入端，比较器的输出信号CON-VOL作为舵机的方向控制信号，CON-VOL信号经非门电路后输出信号CON-VOLF，用作后续控制。
参照附图7，所述信号选择电路的控制信号为CON-VOL信号，输入的可选择信号为OUTRM1信号和OUTMR1信号，当CON-VOL为高电平信号时，选通OUTRM1信号作为信号选择电路输出的PIDIO信号，当CON-VOL为低电平信号时，选通OUTMR1信号作为信号选择电路输出的PIDIO信号，具体本实施例中，信号选择电路采用数字选择开关CD4052，采用CON-VOL信号作为数字选择开关CD4052的A、B控制信号，OUTRM1和OUTMR1信号用作选择信号，OUTRM1输入到CD4052的X3端，OUTMR1输入到CD4052的X0端，当CON-VOL信号为高电平，则选通X3端的信号OUTRM1，当CON-VOL信号为低电平，则选通X0端的信号OUTMR1。
PIDIO信号经附图8所示的PID调理电路后输出COM-VOL信号。
参照附图9，COM-VOL信号和载波信号发生电路生成的三角波信号TRIANGLE经PWM信号发生电路后输出PWM信号，所述PWM信号发生电路为比较电路，COM-VOL信号接比较器正输入端，三角波信号TRIANGLE接比较器负输入端。载波三角波信号TRIANGLE是由信号发生器ICL8038实现的，并经调理后输出的，调理电路实现了电平的抬升和幅值的调理。
PWM信号发生电路产生的PWM信号接图7中的信号选择电路，实现方向端信号CON-VOL与驱动信号PWM1和PWM2的信息流处理。当CON-VOL为高电平信号时，PWM信号通PWM1驱动信号，当CON-VOL为低电平信号时，PWM信号通PWM2驱动信号；具体本实施例中PWM信号接数字选择开关CD4052的Y端口，Y0、Y3分别接信号PWM2和PWM1，这样，当CON-VOL信号为高电平，则选通Y3端的信号PWM1，当CON-VOL信号为低电平，则选通Y0端的信号PWM2。
参照附图10，所述信号隔离电路实现控制部分的信号与驱动电路部分的信号的电源隔离和信号隔离。具体就是实现PWM2、PWM1、CON-VOL和CON-VOLF信号的电源隔离和信号隔离，具体本实施例中隔离电路采用高速光耦HCPL-2630隔离器，隔离输出的信号分别对应为：PWM2-1、PWM1-1、CON-VOL-1和CON-VOLF-1。
参照附图11，过流保护电路和电流采样电路是实现舵机控制器过流保护功能。所述过流保护电路和电流采样电路输入为CON-VOL-1和CON-VOLF-1信号，CON-VOL-1和CON-VOLF-1信号分别与过流信号OVERCOUT经与门后得到CON-VOL-LIN和CON-VOLF-LIN信号；其中，OVERCOUT信号是由经电流传感器或者采样电阻得到的数值与设定的保护数值作比较得到的，具体为当过流保护电路中设定的保护电压大于电流采样电路的采样电压时，OVERCOUT信号为高电平，否则为低电平；所述电流采样电路的电流信号取自母线电流。
参照附图12，所述功率管驱动电路采用两片IR公司的电机驱动芯片IRF2103，PWM1-1信号和CON-VOL-LIN信号分别输入第一片电机驱动芯片的HIN端和LIN端，第一片电机驱动芯片的HO端输出PHA信号，VS端输出MOTOR1信号；PWM2-1信号和CON-VOLF-LIN信号分别输入第二片电机驱动芯片的HIN端和LIN端，第二片电机驱动芯片的HO端输出PHB信号，VS端输出MOTOR2信号。当CON-VOL-LIN为高电平信号时，PHA信号输出，反之PHB信号输出。
参照附图13，H桥逆变电路及采样电阻采样电流电路是利用PHA和CON-VOL-LIN分别控制H桥逆变电路中两个对角分布的功率管的栅极，利用PHB和CON-VOLF-LIN分别控制另外两个对角分布的功率管的栅极；MOTOR1信号和MOTOR2信号分别连接舵机执行机构的两相绕组。
参照附图14，实现整个舵机控制器还包括了电源电路部分，电路中需要的电源有±12V电源和隔离后的+12VG电源，外部提供电源为+24～+28V范围，经金升阳隔离电源模块WRA-YMD-6W-2412输出±12V电源，再将+12V电源经金升阳隔离电源WRB-YMD-6W-1212输出+12VG用来给驱动电路供电。H桥逆变电路的供电电源的地与功率管驱动电路的地是共地，单点接在一起。
在舵机控制器在使用过程中，目标角度指令与实际角度指令最终都是以电压的形式出现，而且电压范围要一致，比如本实施例中，舵机反馈电位器的输出电压信号范围为-10V～+10V，则需要目标角度信号也为-10V～+10V，若目标角度信号以PWM形式出现，需要通过PWM信号调理电路将其调理到-10V～+10V，只有以此为基础，整个舵机控制器才得以正常运行。

Claims (1)

1.一种舵机控制器，其特征在于：由调零电路与舵机反馈位置电路、目标信号调理电路、目标角度与实际角度处理电路、方向控制电路、信号选择电路、PWM信号发生电路、PID调理电路、载波信号发生电路、信号隔离电路、过流保护电路及电流采样电路、功率管驱动电路、H桥逆变电路及采样电阻采样电流电路、电源供电电路组成；
所述调零电路与舵机反馈位置电路的输入为外部舵机执行机构的反馈电位器信号DJ-FKV，并对信号DJ-FKV进行电压跟随处理，得到舵机系统的当前所处角度信号V-FK；调零电路通过电位器实现，所述电位器的输出信号经电压跟随处理后得到的信号与V-FK信号经减法电路后输出信号VReal，其中V-FK信号接减法电路的正输入端，电位器输出信号经电压跟随处理后得到的信号接减法电路的负输入端；
所述目标信号调理电路的输入信号为外部控制器输入的目标角度信号，当目标角度信号为模拟电压信号时，目标信号调理电路对模拟电压信号进行电压跟随处理，当目标角度信号为PWM信号时，目标信号调理电路将PWM信号调理逆变为模拟电压信号，再对得到的模拟电压信号进行电压跟随处理；目标信号调理电路的输出信号为Vbm信号；
所述目标角度与实际角度处理电路为两路减法电路，其中一路减法电路正输入端接VReal信号，负输入端接Vbm信号，输出信号为OUTRM1，另一路减法电路正输入端接Vbm信号，负输入端接VReal信号，输出信号为OUTMR1；
所述方向控制电路包括比较器和非门电路，VReal信号接比较器正输入端，Vbm信号接比较器负输入端，比较器的输出信号CON-VOL作为舵机的方向控制信号，CON-VOL信号经非门电路后输出信号CON-VOLF，用作后续控制；
所述信号选择电路的控制信号为CON-VOL信号，输入的可选择信号为OUTRM1信号和OUTMR1信号，当CON-VOL为高电平信号时，选通OUTRM1信号作为信号选择电路输出的PIDIO信号，当CON-VOL为低电平信号时，选通OUTMR1信号作为信号选择电路输出的PIDIO信号；PIDIO信号经PID调理电路后输出COM-VOL信号；COM-VOL信号与载波信号发生电路生成的三角波信号TRIANGLE经PWM信号发生电路后输出PWM信号，所述PWM信号发生电路为比较电路，COM-VOL信号接比较器正输入端，三角波信号TRIANGLE接比较器负输入端；PWM信号发生电路产生的PWM信号接信号选择电路，当CON-VOL为高电平信号时，PWM信号通PWM1驱动信号，当CON-VOL为低电平信号时，PWM信号通PWM2驱动信号；
所述信号隔离电路实现PWM2、PWM1、CON-VOL和CON-VOLF信号的电源隔离和信号隔离，隔离输出的信号分别对应为：PWM2-1、PWM1-1、CON-VOL-1和CON-VOLF-1；
所述过流保护电路和电流采样电路输入为CON-VOL-1和CON-VOLF-1信号，CON-VOL-1和CON-VOLF-1信号分别与过流信号OVERCOUT经与门后得到CON-VOL-LIN和CON-VOLF-LIN信号；其中，当过流保护电路中设定的保护电压大于电流采样电路的采样电压时，过流信号OVERCOUT为高电平，否则为低电平；所述电流采样电路的电流信号取自母线电流；
所述功率管驱动电路采用两片电机驱动芯片IRF2103，PWM1-1信号和CON-VOL-LIN信号分别输入第一片电机驱动芯片的HIN端和LIN端，第一片电机驱动芯片的HO端输出PHA信号，VS端输出MOTOR1信号；PWM2-1信号和CON-VOLF-LIN信号分别输入第二片电机驱动芯片的HIN端和LIN端，第二片电机驱动芯片的HO端输出PHB信号，VS端输出MOTOR2信号；当CON-VOL-LIN为高电平信号时，PHA信号输出，反之PHB信号输出；在H桥逆变电路中，PHA和CON-VOL-LIN分别控制两个对角分布的功率管的栅极，PHB和CON-VOLF-LIN分别控制另外两个对角分布的功率管的栅极；MOTOR1信号和MOTOR2信号分别连接舵机执行机构的两相绕组；H桥逆变电路的供电电源的地与功率管驱动电路的地是共地，单点接在一起。
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