CN104192285A - 一种基于dsp的水下高速航行体前置舵控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于水下高速航行体前置舵的基于DSP的控制器，实现对水下高速航行体的定深控制。本发明的硬件部分主要包括主控板和电机驱动板两部分。其中主控板采用的DSP是TMS320F2812；电机驱动板采用功率管搭建的H桥电路作为直线伺服电机的驱动电路。DSP最小系统由电源、复位电路、时钟电路、JTA电路和外部接口电路等几部分。最小系统的电源电路采用的是SPX1117系列LDO芯片，电源检测芯片选用的是SP708R芯片，选用RS232接口来实现DSP与上位机的信息传递及程序下载。本发明采用数字控制器，具有参数可靠性高、参数调整方便；抗干扰能力强、传输容易；系统调整方便、更改控制策略灵活；控制精度高等特点。提高了控制器的稳定性、抗干扰能力、控制精度、智能化。

Description

一种基于DSP的水下高速航行体前置舵控制器

技术领域

本发明涉及一种嵌入式控制器，尤其涉及一种基于DSP的水下高速航行体的前置舵控制器。

背景技术

水下高速航行体在运动过程中，姿态或深度控制是通过一系列舵机综合运用来实现的。前置舵与尾舵在航行体姿态、深度控制方面发挥着重要作用，相对于尾舵，前置舵具有控制效率高，易实现等优点。在航行体水下高速航行过程中，前置舵存在会使航行体处于超空泡的包围当中，极大地减小了航行体在航行过程中所受到的阻力，从而大幅提高航行体的运行速度。除此之外，前置舵还是航体的姿态、深度控制的执行机构。作为系统的执行机构，前置舵的偏角会改变空泡形状，使航行体受力发生改变，能够产生纵向的旋转力矩。航行体在旋转力矩作用下，俯仰角度发生改变，进而航行体的水平位移发生改变。。前置舵向上偏转时会使航体受到向下旋转的力矩，使航行体的航向向下发生改变，进而航行体的航行深度就会变大，反之当前置舵向相反方向偏转时，航行体的航行深度则会减小。因而可通过控制执行机构来实现水下高速航行体的定深控制。

以伺服电机为中心的运动控制系统是前置舵面工作的基础，以舵面的驱动设备——伺服电机为控制对象，以各种微控制器为核心，以电力电子器件为执行机构，在电路理论及自动控制理论的指导下组成的电气自动控制系统，将电能装换为机械能，实现舵面的控制要求。运动控制技术的水平直接反映了控制系统性能的优劣，目前，多数对运动性能要求较高的控制系统所采用伺服控制数。

随着计算机及微电子技术的发展，控制技术也在向数字化方向发展，全数字化伺服控制技术是今后控制领域的主要发展趋势。数字控制技术凭借其自身的巨大优势几经逐渐取代了先前的模拟控制及半数字控制，同时，全数字控制能够更加地充分利用现代控制理论的研究成果，提高控制技术的水平，促进控制理论的发展，给人们生活带来极大的方便，同样也给人类创造了巨大的经济和社会效益。

发明内容

本发明提供一种应用于水下高速航行体前置舵的基于DSP的控制器，实现对水下高速航行体的定深控制。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的硬件部分主要包括主控板和电机驱动板两部分。其中主控板采用的DSP是TI公司的高性能顶点处理器TMS320F2812；电机驱动板采用功率管搭建的H桥电路作为直线伺服电机的驱动电路。

DSP最小系统由电源、复位电路、时钟电路、JTA电路和外部接口电路等几部分。最小系统的电源电路采用的是SiPEX公司的产的SPX1117系列LDO芯片，DSP芯片的复位信号低电平有效，复位管脚为/RESET。为了保证控制电路能安全可靠的工作，在复位电路中加入了电源监测电路，电源监测电路中用到的电源检测芯片选用的是德州仪器公司生产的SP708R芯片。本发明在用的是系统内部时钟，所选晶振的工作频率为30MHz,经内部PLL倍频后系统的时钟频率为150MHz。DSP芯片与上位机的信号传输需要一结构电路，结构电路的选取应根据信息传输量的大小，距离等选取，本设计选用的RS232接口来实现DSP与上位机的信息传递及程序下载。

电机驱动板采用的是双极性的可逆PWM电路。它是四个功率和四个二极管桥型连接而成，其中功率管V₁和V₃为一组，V₂和V₄为一组，同组的功率管同时导通或者同时关断，两组的功率管导通与关断状态相反。如图所示，当控制信号U₁为高电平时，功率管V₁和V₃导通，V₂和V₄截止，电枢电流从左到右；当控制信号U₂为高电平时，功率管V₂和V₄导通，V₁和V₃截止，电枢电流从右到左，这样就实现了双极性控制。电枢电压平均值为：

U_out=（                                               -）V_cc=（2-1）V_cc+（2α-1）V_cc（1）

电压幅值由占空比α决定。当α=0时，U_out=-V_cc，电机以最大转速反转；当α=1时，U_out=V_cc，电机以最大转速正转；当α=0.5时，U_out=0，电机停止转动，虽然此时电机停止转动，仍有高频的脉冲电流从电机电枢中流过，高频电流的存在有利于提高系统动态性能。

系统程序有系统模块初始化，GPIO模块初始化，CPU定时器0模块初始化，主函数模块，CPU定时器0中断函数等五部分组成。系统设计软件的总体思路是使用定时器0来产生400KHz的脉冲波，通过ConfigCpuTimer函数设置脉冲频率，再根据CpuTimer0.InterruptCount的值来控制脉冲个数，考虑到需要控制电机的转向，我们可在软件中设置一个GPIO控制电机的转向。

本发明的优点和效果：

（1）本发明采用数字控制器，具有参数可靠性高、参数调整方便；抗干扰能力强、传输容易；系统调整方便、更改控制策略灵活；控制精度高等特点。提高了控制器的稳定性、抗干扰能力、控制精度、智能化。

（2）本发明是采用积分分离式PID控制的系统，在系统调节过程中无明显超调，且具有较快的系统响应速度。

附图说明

图1为系统硬件整体框图。

图2为两路PWM波控制电路。

图3为系统软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，图1为系统硬件整体框图。本发明的硬件部分主要包括主控板和电机驱动板两部分。其中主控板采用的DSP是TI公司的高性能顶点处理器TMS320F2812；电机驱动板采用功率管搭建的H桥电路作为直线伺服电机的驱动电路。DSP最小系统由电源、复位电路、时钟电路、JTA电路和外部接口电路等几部分。最小系统的电源电路采用的是SiPEX公司的产的SPX1117系列LDO芯片，DSP芯片的复位信号低电平有效，复位管脚为/RESET。为了保证控制电路能安全可靠的工作，在复位电路中加入了电源监测电路，电源监测电路中用到的电源检测芯片选用的是德州仪器公司生产的SP708R芯片。本发明在用的是系统内部时钟，所选晶振的工作频率为30MHz,经内部PLL倍频后系统的时钟频率为150MHz。DSP芯片与上位机的信号传输需要一结构电路，结构电路的选取应根据信息传输量的大小，距离等选取，本设计选用的RS232接口来实现DSP与上位机的信息传递及程序下载。

结合图2，图2为两路PWM波控制电路。电机驱动板采用的是双极性的可逆PWM电路。它是四个功率和四个二极管桥型连接而成，其中功率管V₁和V₃为一组，V₂和V₄为一组，同组的功率管同时导通或者同时关断，两组的功率管导通与关断状态相反。如图所示，当控制信号U₁为高电平时，功率管V₁和V₃导通，V₂和V₄截止，电枢电流从左到右；当控制信号U₂为高电平时，功率管V₂和V₄导通，V₁和V₃截止，电枢电流从右到左，这样就实现了双极性控制。电枢电压平均值为：U_out=（-）V_cc=（2-1）V_cc+（2α-1）V_cc（1）

电压幅值由占空比α决定。当α=0时，U_out=-V_cc，电机以最大转速反转；当α=1时，U_out=V_cc，电机以最大转速正转；当α=0.5时，U_out=0，电机停止转动，虽然此时电机停止转动，仍有高频的脉冲电流从电机电枢中流过，高频电流的存在有利于提高系统动态性能。

结合图3，图3为系统软件流程图。系统程序有系统模块初始化，GPIO模块初始化，CPU定时器0模块初始化，主函数模块，CPU定时器0中断函数等五部分组成。系统设计软件的总体思路是使用定时器0来产生400KHz的脉冲波，通过ConfigCpuTimer函数设置脉冲频率，再根据CpuTimer0.InterruptCount的值来控制脉冲个数，考虑到需要控制电机的转向，我们可在软件中设置一个GPIO控制电机的转向。

Claims (3)

1.一种基于DSP的水下高速航行体前置舵控制器，其特征在于：包括主控板和电机驱动板两部分；主控板采用的DSP是高性能顶点处理器TMS320F2812；电机驱动板采用功率管搭建的H桥电路作为直线伺服电机的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的水下高速航行体前置舵控制器，其特征在于：DSP最小系统由电源、复位电路、时钟电路、JTA电路和外部接口电路组成；最小系统的电源电路采用的是SPX1117系列LDO芯片，DSP芯片的复位信号低电平有效，复位管脚为/RESET；复位电路中设有电源监测电路，电源监测电路中的电源检测芯片是SP708R芯片；时钟电路是系统内部时钟，所选晶振的工作频率为30MHz,经内部PLL倍频后系统的时钟频率为150MHz；DSP芯片与上位机的信号传输中设有结构电路，结构电路的选取应根据信息传输量的大小，距离选取，DSP与上位机的信息传递及程序下载用RS232接口。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的水下高速航行体前置舵控制器，其特征在于：所述电机驱动板采用的是双极性的可逆PWM电路。