CN103281020B - 一种用于电动舵机的四象限控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电动舵机的四象限控制装置及其方法，信号调理电路将舵面偏角给定信号进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，通过控制主功率电路从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP。本发明有效的加快了无刷直流电动舵机的频响，提高了系统的抗干扰性。

Description

一种用于电动舵机的四象限控制装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种数字电动舵机的控制装置和控制方法，尤其针对飞行器用具有快速动态响应的无刷直流电动舵机。

背景技术

电动舵机是一种高精度的位置伺服系统，舵机工作原理是接受主控计算机给出的舵面偏角给定信号，舵机控制系统将舵面偏角给定信号和舵面偏角反馈信号经过信号处理和程序调节最终通过输出指令来操纵舵面的偏转，从而改变飞行器的飞行姿势或飞行轨迹，最终确保飞行器在空中按照预定轨迹飞行。电动舵机属于飞行器的前端执行部件，在高速飞行的过程中要直接承受空气摩擦和阻力，工作环境恶劣，在需要承受大负载、高低温、强振动等苛刻条件的前提下还要保证偏转精度和响应速度，其中在如此复杂的工作环境中还要具有快速响应速度是一个技术难点。

近年来，随着大功率电力电子技术和稀土永磁电机技术的快速发展，电动舵机技术发展迅速，成效显著，在小功率范围内正在一步步取代传统的液压舵机和气动舵机。公开号为CN102854814A的发明专利《一种数字舵机控制器》就提出了一种基于DSP模块的数字电动舵机方案，但是它只提出了系统的整体结构方案，对于系统的各个功能模块和具体控制方法没有详细给出。发表于《电工技术学报》的文章《一种永磁无刷直流电动舵机四象限控制》提供了一种在PID基础上改进的基于电流滞环控制的电动舵机控制方案，但是这种改进是针对系统输出转矩脉动抑制，对于在复杂工作环境下的快速响应速度这个电动舵机最重要的性能并没有任何帮助。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于电动舵机的四象限控制装置，电机响应速度快，抗干扰性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于电动舵机的四象限控制装置，包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、传动齿轮组、电流传感器、位置传感器和通信电路。舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出6路数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路，从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，形成转速闭环；舵面当前偏角经通信电路传给上位机进行实时监测。

本发明还提供上述控制装置的控制方法，包括以下步骤：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行前期处理，包括电压变换、滤波和限幅；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP，为舵面偏角数字给定信号；

第三步：将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；

第四步：进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置环调节输出量，并且将其作为速度环给定；

第五步：将电流环计数变量清零，利用采集的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，将速度环计数变量加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD采样送入DSP，然后与上一控制周期的电流环输出结果的符号相乘，变成矢量，以作为电流环反馈；然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差；

第九步：进行电流环PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量，将电流环计数变量加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号，并且记录占空比信号的正负，以决定下一控制周期电流反馈的正负号；

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。

本发明的有益效果是：无刷直流电机的母线电流没有正负向之分，本发明的上述控制方法在第十步里将占空比信号输出的同时记录了本控制周期占空比信号的正负，在下一控制周期的第八步里将下一控制周期采集回来的母线反馈电流与本控制周期里占空比的正负号相结合，得到下一控制周期的电流环反馈。采用这种处理后，当需要舵机正转时即认为电流反馈为正，当需要舵机反转时即认为电流反馈为负，转速方向与电流方向不是时刻一致的，电机频繁的在电动状态和制动状态之间进行切换，可以显著的加快电机响应速度，在控制上实际实现四象限运行。

所以本发明的有益效果是：（1）当电流需要迅速减小时利用母线反馈电流的符号处理将无刷直流电机强行反转以使电流迅速减小，此时，电机在电动和制动状态间进行快速的切换，工作在四象限模式下，有效的加快了电机响应速度，从而提高了无刷直流电机电动舵机的动态响应速度；（2）当外界有负载扰动时，此控制方法可以迅速将因为负载扰动而变大的电流迅速降下来，可以极大的提高系统的鲁棒性（抗干扰性）。

附图说明

图1为无刷直流电动舵机系统结构图；

图中，1—信号调理电路，2—控制器DSP，3—数字隔离电路，4—驱动电路，5—主功率电路，6—无刷直流电机（BLDCM），7—传动齿轮组，8—舵面，9—电流传感器，10—位置传感器，11—RS422通信；

图2为电动舵机系统控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的技术方案包括：控制器—DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、无刷直流电机（BLDCM）、传动齿轮组、舵面、电流传感器、位置传感器、422通信电路。舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP通过控制策略进行调节，输出6路数字控制信号，数字控制信号经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路里的MOSFET的开通关断，从而控制无刷直流电动机（BLDCM）工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号。无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组相连的角度传感器（编码器）实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，通过当前偏角计算得到转速形成转速闭环，反馈回来的舵面当前偏角完成舵面位置闭环控制。舵面当前偏角经RS-422传给上位机进行实时监测。

本发明的技术方案中，舵机系统控制方案采用位置-速度-电流三闭环PID控制。系统具体控制方法如下：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行电压变换、滤波、限幅等前期处理；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号；

第三步：将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器（数字编码器）信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；

第四步：进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置环调节输出量，并且将其作为速度环给定，速度环给定有正负；

第五步：将电流环计数变量清零，利用之前采集回来的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，电流环给定有正负，将速度环计数变量加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集回来的母线反馈电流（标量）经过电压变换、滤波、限幅等处理后通过AD采样送入DSP，然后与上一控制周期的电流环输出结果的符号相乘，变成矢量，以作为电流环反馈。然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差。

第九步：进行电流环PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量（有正负），将电流环计数变量加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号，并且记录占空比信号的正负，以决定下一控制周期电流反馈的正负号。

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。

如图1所示，舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路1将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP2，DSP2通过控制策略进行调节，输出6路数字控制信号，数字控制信号经数字隔离电路3进行隔离、经驱动电路4转换成功率控制信号后，通过控制主功率电路5里的MOSFET，从而控制无刷直流电动机（BLDCM）6工作，无刷直流电机通过传动齿轮组7带动舵面8偏转以跟随舵面偏角给定信号。无刷直流电机的母线电流经电流传感器9采样，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组相连的角度传感器（编码器）10实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，通过当前偏角计算得到转速形成转速闭环，反馈回来的舵面当前偏角完成舵面位置闭环控制。舵面当前偏角经RS-422通信电路11传给上位机进行实时监测。

如图2所示，本发明采用经典的位置-速度-电流三闭环PID控制，其具体控制过程为：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行电压变换、滤波、限幅等前期处理；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号P^*；

第三步：将速度环计数变量Vcnt清零，用DSP读取角度传感器（数字编码器）信号作为舵面偏角数字反馈信号P，用舵面偏角数字给定信号P^*减去舵面偏角数字反馈信号P求出位置偏差ΔP；

第四步：进行位置环PID调节，根据偏差ΔP算出位置环调节量输出，并且将其作为速度环给定V^*，V^*有正负；

第五步：将电流环计数变量Icnt清零，利用之前采集回来的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速V作为速度反馈，用速度环给定V^*减去速度反馈V得到速度偏差ΔV；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差ΔV算出速度调节输出量，并将其作为电流环给定I^*，I^*有正负，将速度环计数变量Vcnt加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集回来的母线反馈电流I₀（标量）经过电压变换、滤波、限幅等处理后通过AD采样送入DSP，然后通过公式计算得到I作为电流反馈，其中D_(k-1)表示上一控制周期的电流环输出，D_(k-1)有正负，表示D_(k-1)的符号。然后用电流环给定I^*减去电流环反馈I得到电流偏差ΔI。

第九步：进行电流环PID调节，根据电流偏差ΔI算出电流环调节输出量（有正负），将电流环计数变量Icnt加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号D_(k)，并且记录D_(k)的正负以决定下一控制周期电流反馈的正负号。

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节；

本发明通过电流环PID计算结果的正负来决定母线反馈电流的正负，在电流需要迅速减小时通过四象限运行，在电动和制动状态间进行快速的切换，有效的加快了电流响应速度，从而加快了无刷直流电动舵机的频响。

Claims (1)

1.一种用于电动舵机的四象限控制装置的四象限控制方法，其中所述电动舵机的四象限控制装置包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、传动齿轮组、电流传感器、位置传感器和通信电路，舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出6路数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路，从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电动机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角模拟给定信号；无刷直流电动机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的位置传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，形成转速闭环；舵面当前偏角经通信电路传给上位机进行实时监测；所述一种用于电动舵机的四象限控制装置的四象限控制方法其特征在于包括下述步骤：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行前期处理，包括电压变换、滤波和限幅；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP，为舵面偏角数字给定信号；

第三步：将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；

第四步：进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置环调节输出量，并且将其作为速度环给定；

第五步：将电流环计数变量清零，利用采集的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，将速度环计数变量加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD采样送入DSP，然后与上一控制周期的电流环输出结果的符号相乘，变成矢量，以作为电流环反馈；然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差；

第九步：进行电流环PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量，将电流环计数变量加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号，并且记录占空比信号的正负，以决定下一控制周期电流反馈的正负号；

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。