CN103984327B - 一种基于模糊控制的小型数字舵机系统 - Google Patents

Abstract

一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，其系统包括DSP控制器、驱动器、伺服电机、减速传动机构、位置传感器、执行机构、上位机通信，其算法采用模糊控制算法。所述舵机系统带有测试软件，方便对舵机进行测试操作，并能把测试结果存储在测试仪器或电脑中。舵机运行的任意时刻都可通过上位机控制舵机，并能把实时的舵机转角显示在上位机界面上，方便对舵机设备的检测和维护。该数字化电动伺服控制系统可在船舶，精密数控机床、机器人、军工武器、无人驾驶等自动化控制领域应用。

Description

一种基于模糊控制的小型数字舵机系统

技术领域

本发明属于小型化数字舵机领域，尤其涉及一种高精度、高速度、控制电路数字化、功率器件模块化的数字舵机系统。

背景技术

小型化数字舵机是针对当前模拟舵机控制时器件容易老化和受外界条件影响大等方面因素而设计的。随着微电子集成技术、微计算机技术、数字技术的飞速发展，对于舵机和上位机的研究与开发也有了更快的发展，提高了舵伺服系统控制和检测的能力，推进舵机更快向小型化和智能化发展。

伺服电机从气动、液压发展到现在正在广泛使用的电动舵机，已有五十多年的历史。现在的舵伺服系统早已今非昔比，无论从舵机的转换效率和控制电路的使用上都有了质的飞跃。电动舵机主要是针对气动舵机响应时间慢、液压舵机系统存在漏油、维修不方便等缺点而发展起来的，电动舵机具有可靠性高、维修简单以及体积小、重量轻等特点，越来越受到人们重视和研究。随着芯片集成化程度的不断提高，一些高级数字运算器由于其运算速度的不断提升，可以实现先进控制算法在实际工程中的应用。目前的发展趋势是向小型化、数字化，智能化方向发展。

近十年来，国内数字小型化舵机的研究及发展也取得了相当大的成果，但在控制精度、响应时间等性能指标方面还有相当大距离。因此，如何提高舵机的整体性能是当前研究的重要课题，伴随着控制器性能的不断提高，一些先进和智能的控制算法得以在实践进行检验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度、高速度、结构简单、易于推广、运行稳定的小型化电动舵伺服系统。为了达到以上目的，本发明对舵机伺服系统进行了全面的分析和设计，提出如下解决方案：

一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，硬件部分包括舵机控制部分、执行机构和传感器部分，所述舵机控制部分包括主控芯片模块；所述执行机构部分包括功率驱动器、伺服电机、减速传动机构；所述传感器部分包含温度传感器，位置传感器等、速度传感器，采用先进的MEMS （微机电系统）传感器探测更小的角度偏差；硬件部分使用金属齿轮和散热外壳。

软件部分包括控制算法、上位机通讯和保护程序，所述控制算法为自适应模糊控制算法；所述上位机通讯部分包含：上位机显示舵机旋转角度部分、上位机对下位机进行控制部分，并可以将测试数据保存在上位机中；所述保护程序包含过热保护和过载保护。

其控制过程包括：采用内置A/D采样把外部输入的模拟控制信号转换为数字信号，并把数字信号传输给主控芯片模块；主控芯片模块对采样信号进行滤波，对滤波后的数字信号进行运算并得到控制量信号，控制量信号经过数模转换芯片得到舵机所要求的模拟控制量，输出给功率驱动器以驱动舵机偏转；上位机通过通讯接口把要求的数据存储起来，并可通过上位机发送数据序列来完成对舵机测试。

进一步的，所述主控芯片模块内置A/D采样部分，片上外设包括：12路PWM、6通道QEP、2×8通道12位80ns转换时间0～3V量程ADC、2通道SCI异步串口；主控芯片模块外接供电系统、时钟系统、复位及配置系统、外部D/A、通讯接口及JTAG下载接口。

进一步的，所述外部D/A为DAC7724，具有12精度的并行结构，输入数据是用二进制格式表示的。输出电压通过下面的方程式给出：

（1）

采用2级缓冲方案，第1级缓冲只分别缓存各通道D/A的数字输入，并不将此数字输入转换为模拟输出；第2级缓冲则将第1级缓存的数字输入打入相应的输出寄存器中，并将数字输入转换为模拟输出，从而实现多通道D/A同时输出。

进一步的，所述上位机通讯由RS232通讯和测试界面组成，将传输过来的数字信号进行换算调整，在测试界面上显示或上位机给出信号控制舵机。

进一步的，所述功率驱动器由集成芯片SA01及外部调理电路组成；采用误差放大器提高控制回路的增益，采用关断信号控制关断H电桥中4个输出驱动器。

进一步的，所述控制算法采用自适应模糊控制算法，对于一个二维控制系统来说，通常选择舵面与目标点的偏差和趋近目标点的速度作为控制的输入；模糊变量误差、误差变化及控制量的模糊集和论域确定后，对模糊语言变量确定隶属度函数，即确定论域内元素对模糊语言变量的隶属度。计算模糊控制量选用加权平均法的判决方法，将控制量由模糊量变为精确量。最后，用输出量因子乘以精确量以适应控制要求，从而可得到控制量的实际值。二维模糊控制器经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号，一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量，误差的模糊量可用响应的模糊语言表示，得到误差的模糊语言集合的一个子集(它是一个模糊矢量)，再由模糊控制规则的推理合成规则进行模糊决策得到自适应模糊控制量。

进一步的，所述控制器采用DSP实验板，其主要优点能够用软件实现复杂的控制算法，而不需要采用复杂的模拟电路设计、程序易于修改以及可以不同的控制算法容易实现、降低体积与功耗、具有较高的可靠性、有较强的抗噪声与干扰能力。

进一步的，所述功率驱动器采用美国APEX公司生产的SA01大功率脉宽调制型放大器，全桥输出放大器由单电源供电，而且电源电压可在很宽的范围(16～100V)内变化。此外，该芯片内还有一个7.5V精密基准电压，可作为补偿误差放大器的电源电压。另外通过直接检测芯片的温度，还可以实现H电桥中输出MOSFETS的过载保护。SA01的连续输出电流可达20A，采用10脚双列直插封装，外壳仅有2平方英寸。

进一步的，所述伺服电机采用了稀土永磁无刷直流电机（BLDCM），其型号为J28SY13。

进一步的，所述减速传动机构由锥齿轮减速器和谐波齿轮减速器所组成，锥齿轮减速器由一对大小锥齿轮组成；谐波齿轮减速器由凸轮、谐波轴承、柔轮、输出刚轮与定刚轮组成。凸轮与谐波轴承一起组成谐波发生器，工作时由谐波发生器迫使柔轮产生弹性变形而使柔轮与定刚轮相互错齿啮合，带动输出刚轮，从而达到传动力矩的目的。谐波齿轮传动装置，具有传动效率高、传动精度高、工作寿命长、承载能力强、工作稳定可靠、运动均匀平稳、无冲击等特点，这些特点大大改善了电动舵伺服系统的工作性能，由于谐波传动装置的传动比大，结构简单紧凑，因此使整个电动舵伺服系统的结构简单紧凑，体积小，重量轻。

进一步的，所述硬件系统的电源模块设计需求为：供电系统为+28.5V直流电源；板上电源需求为±15V，±10V，5V，3.3V电压、1.8V电压。

（1）设计28.5V转±15V转换电路，28.5V转5V的转换电路。采用HSH29C16（中国电子科技集团24研究所），实现+28.5V转±15V的需求。

（2）设计15V转±10V转换电路，选用AD587分压芯片实现15V转±10V的需求。

（3）设计5V转3.3V转换电路，3.3V转1.8V参考电压电路。采用两片TPS767D301，完成+5V转+3.3V后，再从3.3V转1.8V的需求。同时将模拟电源+3.3VA，数字电源+3.3V，DSP电源DSP_3.3V，PLL电源PLLVCCA分开。

（4）电源复位使用复位芯片MAX811S与DSP的RS引脚相连，实现复位功能。

进一步的，所述软件设计部分主要是基于CCS2000的开发平台下进行控制算法设计以及使用串行口进行上位机通讯，完成了人机交互界面。

附图说明

图1为本发明的基于DSP的舵机控制系统原理图；

图2为本发明的模糊控制的基本原理框图；

图3为本发明的舵机界面设计流程图；

图4为本发明的舵机控制程序流程图；

图5为本发明的主控制器模块组成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

参照图1，电动舵机主要由DSP控制器、功率驱动模块、伺服电机、减速传动机构和位置传感器等五个部分组成。舵机系统正常工作时，舵机控制器接受制导计算机给定的舵面偏角信号，并驱动舵面偏转，保证舵面在规定时间内以一定的精度响应给定偏转信号，同时将当前舵面的实际偏转角度反馈给制导计算机。控制器采用高速PWM调制方式，通过调整PWM信号脉宽，实现舵机调速，控制舵面的偏转，最终达到控制制导飞行轨迹的目的。

参照图2，控制器经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号，一般选误差信号作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量，误差的模糊量可用响应的模糊语言表示，得到误差的模糊语言集合的一个子集(它是一个模糊矢量)，再由模糊控制规则的推理合成规则进行模糊决策得到模糊控制量。

参照图3，点击界面上的按钮后，首先判断串口是否打开，串口打开后显示舵机实时的角度。当点击舵机回零按钮后舵系统回归零点，这段时间舵机不接受外部参考信号，只接受系统内部给定的零位信号。点击舵机运行，这时系统接收外部给定的参考输入信号，驱动舵机运行，并把采样的角度信号送上位机显示。

参照图4，主程序完成以下功能：对舵偏角控制指令信号和舵偏角反馈信号进行采样；利用误差与误差变化率计算控制量的算法实现；控制信号的输出；通过串行口通信。整个程序包括对定时器、外部I/O空间、外部事件管理器模块、A/D转换模块、D/A转化模块、看门狗等资源的操作。

参照图5，本应用的主控芯片外接供电系统、时钟系统、复位及配置系统、调试测试接口和JTAG下载接口。调试测试接口对主控芯片实际运行情况进行监控；JTAG下载接口用于主控芯片初始化，还能进行系统仿真。采用MAXIM公司的芯片MAX8860作为芯片的核心电压源；本应用采用MAX811作为系统的复位芯片。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明的权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，其特征在于：

硬件部分包括舵机控制部分、执行机构和传感器部分，所述舵机控制部分包括主控芯片模块；所述执行机构部分包括功率驱动器、伺服电机、减速传动机构；所述传感器部分包含温度传感器、位置传感器、速度传感器，采用微机电系统传感器探测角度偏差；所述硬件部分使用金属齿轮和散热外壳；

所述功率驱动器由集成芯片SA01及外部调理电路组成；采用误差放大器提高控制回路的增益，采用关断信号控制关断H电桥中4个输出驱动器；

所述减速传动机构由锥齿轮减速器和谐波齿轮减速器所组成，锥齿轮减速器由一对大小锥齿轮组成；谐波齿轮减速器由凸轮、谐波轴承、柔轮、输出刚轮与定刚轮组成；

软件部分包括控制算法、上位机通讯和保护程序，所述控制算法为自适应模糊控制算法；所述上位机通讯部分包含：上位机显示舵机旋转角度部分、上位机对下位机进行控制部分，并将测试数据保存在上位机中；所述保护程序包含过热保护和过载保护。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，其特征在于：所述主控芯片模块内置A/D采样部分，片上外设包括：12路PWM、6通道QEP、2×8通道12位80ns转换时间0～3V量程ADC、2通道SCI异步串口；主控芯片模块外接供电系统、时钟系统、复位及配置系统、外部D/A、通讯接口及JTAG下载接口。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，其特征在于：所述外部D/A为DAC7724，具有12精度的并行结构，采用2级缓冲方案，第1级缓冲只分别缓存各通道D/A的数字输入，并不将此数字输入转换为模拟输出；第2级缓冲则将第1级缓存的数字输入打入相应的输出寄存器中，并将数字输入转换为模拟输出，从而实现多通道D/A同时输出。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，其特征在于：所述上位机通讯由RS232通讯和测试界面组成，将传输过来的数字信号进行换算调整，在测试界面上显示或上位机给出信号控制舵机。

5.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的小型数字舵机系统，其特征在于：所述舵机系统属于二维舵伺服控制系统，选择舵面与目标点的偏差和趋近目标点的速度作为控制的输入；控制方式采用自适应模糊控制，实时自适应的修改模糊控制参数；模糊变量误差、误差变化及控制量的模糊集和论域确定后，对模糊语言变量确定隶属度函数。