CN104536333B - 一种小型电动舵机的控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型电动舵机的控制系统及控制方法，处理器接收舵偏角目标值，并采集舵偏角当前值，根据偏差计算控制量输出PWM，经功率电路放大后驱动电机转动，实现对舵面偏转角的随动控制，并通过总线上传舵偏角当前值。本发明通过采用高集成度的MCU处理器，充分利用其内部资源，只需少量的外围电路，就能实现对舵面偏转角度的随动控制，本发明采用高集成度MCU处理器加H桥逆变电路的实现方法，只需少量外围器件，简单有效的实现了对舵面偏转角的随动控制，具有体积小、重量轻、低成本、易实现等优点，本发明是一种通用直流伺服控制驱动电路，可满足一般小功率舵机控制驱动器的需求。
Description
技术领域
本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种小型电动舵机的控制系统及控制方法。
背景技术
现有的舵机数字控制器一般包含处理器、驱动电路、隔离电路、信号调理电路、功率驱动电路、H桥逆变电路、总线收发器及DC/DC模块等电路。由于处理器PWM输出端口的驱动能力有限，不能直接驱动光耦，需要增加驱动电路；处理器内部的AD转换精度不高，需要软件补偿或者外扩AD转换器；舵偏角模拟量的输入范围多为正负电压，不能直接接入处理器，需要在前级增加信号调理电路；当控制器驱动舵机的通道数增加时，控制器的体积、重量会增加很多，同时成本也增加较多。
以往舵机数字控制器设计存在体积大、成本高的问题。目前有一些电机控制专用DSP处理器内部AD转换器精度不高，需要软件补偿，不仅增加了软件开销，而且使得数字控制器的实现变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种小型电动舵机的控制系统及控制方法，充分利用处理器内部资源，结构简单，降低成本。
为了达到上述目的，一种小型电动舵机的控制系统，包括采集舵偏角当前值的MCU处理器，MCU处理器还连接有第一光耦、第二光耦和总线收发器，总线收发器接收舵偏角目标值，第一光耦、第二光耦均连接第一功率驱动器和第二功率驱动器，第一功率驱动器和第二功率驱动器均连接H桥逆变电路，H桥逆变电路输出电机驱动信号，总线收发器、MCU处理器、两个光耦、两个功率驱动器和H桥逆变电路均连接电源。
所述总线收发器、MCU处理器和两个光耦连接第一DC/DC模块，两个光耦和两个功率驱动器连接第二DC/DC模块，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块均连接有浪涌抑制及滤波电路，浪涌抑制及滤波电路连接28V电源，第一DC/DC模块输出±5V电源，第二DC/DC模块输出+12V电源，H桥逆变电路连接28V电源。
所述第一DC/DC模块和第二DC/DC模块的型号分别为MSDW1035和MAW01-24S12。
所述MCU处理器的型号为C8051F041。
所述第一光耦和第二光耦的型号为HCPL0531，总线收发器的型号为MAX490。
所述第一功率驱动器和第二功率驱动器的型号均为IR2302S。
一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：通过MCU处理器采集舵偏角当前值，舵偏角目标值经422总线收发器接入处理器；
步骤二：MCU处理器将舵偏角当前值与目标值进行比较，根据偏差计算控制量输出两路同向PWM信号，同向PWM信号经第一光耦隔离后变为反向PWM信号分别输出给第一功率驱动器和第二功率驱动器；
处理器输出的关断保护信号经第二光耦隔离后输出至第一功率驱动器和第二功率驱动器；
步骤三：第一功率驱动器和第二功率驱动器输出的高、低压侧驱动信号输出给H桥逆变电路；
步骤四：H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制。
所述MCU处理器为C8051F041，其中24.5MHz晶振频率为系统时钟；内部电源监视器监控电源产生上电及掉电复位；内部1.2V带隙电压基准及两倍增益缓冲放大器输出2.4V参考电压；ADC0电压基准取自DAC0；DAC1输出1.2V电压作为高压差分放大器HVDA的参考电压；HVDA的增益为0.5；ADC0内部放大器增益为1；交叉开关将UART0的TX和RX引脚分配到P0.0和P0.1，脉宽调制信号PWM1和PWM2引脚分配到P0.2和P0.3；P0.6为数字输出端口，并将所有输出引脚配置成推挽方式。
所述步骤二中，MCU处理器工作流程如下，启动AD转换器采用查询方式读取舵偏角当前值，连采5次，去掉最大和最小值，中间3个值取平均，作为当前舵偏值；根据角度偏差计算控制量，更新PWM输出信号的占空比；延迟500us，再启动AD获取当前舵偏角，计算控制量，更新PWM占空比。
与现有技术相比，本发明MCU处理器输出的PWM信号及关断保护信号经光耦隔离后送给两个功率驱动器，两个功率驱动器将信号发送给H桥逆变电路，H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制，通过采用高集成度的MCU处理器，充分利用其内部资源，只需少量的外围电路，就能实现对舵面偏转角度的随动控制，本发明采用高集成度MCU处理器加H桥逆变电路的实现方法，只需少量外围器件，简单有效的实现了对舵面偏转角的随动控制，具有体积小、重量轻、低成本、易实现等优点，本发明是一种通用直流伺服控制驱动电路，可满足一般小功率舵机控制驱动器的需求。
附图说明
图1为发明的系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种小型电动舵机的控制系统，包括采集舵偏角当前值的MCU处理器，MCU处理器还连接有第一光耦、第二光耦和总线收发器，总线收发器接收舵偏角目标值，第一光耦、第二光耦均连接第一功率驱动器和第二功率驱动器，第一功率驱动器和第二功率驱动器均连接H桥逆变电路，H桥逆变电路输出电机驱动信号，总线收发器、MCU处理器和两个光耦连接第一DC/DC模块，两个光耦和两个功率驱动器连接第二DC/DC模块，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块均连接浪涌抑制及滤波电路，浪涌抑制及滤波电路连接28V电源，第一DC/DC模块输出±5V电源，第二DC/DC模块输出+12V电源，H桥逆变电路连接28V电源。
第一DC/DC模块和第二DC/DC模块的型号分别为MSDW1035和MAW01-24S12；MCU处理器的型号为C8051F041；第一光耦和第二光耦的型号为HCPL0531，总线收发器的型号为MAX490；第一功率驱动器和第二功率驱动器的型号为IR2302S。
一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：通过MCU处理器采集舵偏角当前值，舵偏角目标值经422总线收发器接入处理器；
步骤二：MCU处理器将舵偏角当前值与目标值进行比较，根据偏差计算控制量输出两路同向PWM信号，同向PWM信号经第一光耦隔离后变为反向PWM信号分别输出给第一功率驱动器和第二功率驱动器；
处理器输出的关断保护信号经第二光耦隔离后输出至第一功率驱动器和第二功率驱动器；
步骤三：第一功率驱动器和第二功率驱动器输出的高、低压侧驱动信号输出给H桥逆变电路；
步骤四：H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制。
MCU处理器为C8051F041，其中24.5MHz晶振频率为系统时钟；内部电源监视器监控电源产生上电及掉电复位；内部1.2V带隙电压基准及两倍增益缓冲放大器输出2.4V参考电压；ADC0电压基准取自DAC0；DAC1输出1.2V电压作为高压差分放大器HVDA的参考电压；HVDA的增益为0.5；ADC0内部放大器增益为1；交叉开关将UART0的TX和RX引脚分配到P0.0和P0.1，脉宽调制信号PWM1和PWM2引脚分配到P0.2和P0.3；P0.6为数字输出端口，并将所有输出引脚配置成推挽方式。
MCU处理器工作流程如下，启动AD转换器采用查询方式读取舵偏角当前值，连采5次，去掉最大和最小值，中间3个值取平均，作为当前舵偏值；根据角度偏差计算控制量，更新PWM输出信号的占空比；延迟500us，再启动AD获取当前舵偏角，计算控制量，更新PWM占空比。
选用高集成度处理器：
处理器选型从主频、内部存储器容量、AD及DA的精度、输出端口的驱动能力、PWM通道数、高压信号输入端口、UART接口等方面进行综合考虑，选用C8051F041处理器。该处理器内部集成了晶振、参考源、复位电路、看门狗电路、12位AD和DA转换器、4KB RAM和64KBFLASH、高压差分放大器、6路PWM、2路UART等资源。PWM端口具有50mA的电流驱动能力，高压差分放大器允许60V的高压信号输入。处理器采用单3.3V供电，IO口耐5V电压。C8051F041处理器的性能完全满足舵机控制系统的需求。
充分利用处理器内部资源：
使用处理器片内的UART0用于422总线数据通信；使用2路PWM输出信号驱动H桥逆变器；使用内部2.4V电压基准作为AD和DA的参考电压；配置片内12位的DAC1，使其输出的1.2V电压作为高压差分放大器的参考电压；将±2V的舵偏角当前值直接接入高压差分放大器的输入端；使用片内12位的ADC0对舵偏角进行数字化处理；采用内部24.5MHz的晶振频率作为系统时钟；使用片内的复位电路，实现上电复位、掉电复位及看门狗定时复位功能。
选用小体积、低成本的元器件：
控制器中的C8051F041、光耦HCPL0531、功率驱动器IR2302S、MOS功率管PSMN063、电压调节器TPS333、收发器MAX490、电源模块MAW01、电阻、电容、二极管等元器件均选用表贴封装，控制器的体积可控制在Φ80×15(mm)以内。所有元器件均选用工业等级，成本可控制在500元左右。
处理器及外围电路部分：
处理器及外围电路主要由C8051F041、2只光耦HCPL0531和总线收发器MAX490等组成。
MCU实现1路422总线通信功能及2路PWM输出功能，通过设置MCU内部的交叉开关寄存器XBR1，将P0.0、P0.1、P0.2、P0.3输出端口依次配置成UART0及PCA的功能；同时将端口的输出配置成推挽方式。将PCA模块配置成8位脉宽调制(PWM)输出，PWM频率设为48KHz，通过更新捕捉/比较寄存器PCA0CPLn的内容来改变PWM输出信号的占空比。MCU输出的PWM1和PWM2是同相、同占空比的信号，经光耦隔离后输出的P1和P2信号为占空比相同的反向信号。P0.6为一般IO口，输出信号PEN经光耦隔离后接功率驱动器的关断保护端。光耦HCPL0531为双路高速光耦、VCC端允许30V的电压，VO引脚为OC输出，需要上拉电阻。
MCU实现舵偏角DF信号的采集功能，DF信号(输入范围±2V)接高压差分放大器HVDA的HVIN+引脚；HVIN-接GNDZ；HVREF接+1.2V参考电压，该电压由DAC1产生；HVCAP对地接100pF滤波电容。通过配置高压差分放大器控制寄存器HVA0CN将HVDA的增益G设置为0.5，根据公式1计算HVDA的输出电压VOUT。
VOUT＝【(HVIN+)-(HVIN-)】·G+HVREF (1)
由上式计算VOUT的值在0.2V～2.2V之间。
配置ADC0CF寄存器，将ADC0内部放大器增益设置成1，那么进入ADC0的舵偏角范围为0.2V～2.2V，可以被MCU直接处理。
配置电压基准控制寄存器REF0CN，使能内部电压基准缓冲器，并将DAC0的输出作为ADC0的电压基准。给DAC0L、DAC0H数据寄存器中写数，使其输出电压为+2.4V，为ADC0提供电压基准。给DAC1L、DAC1H数据寄存器中写数，使其输出电压为+1.2V，为HVDA提供参考电压。
MONEN引脚接电源，使能内部电源监视器，在上电期间该监视器使MCU保持在复位状态，直到电源电压超过VRST门限电压；当发生掉电或因电源不稳定而导致电源电压下降到低于VRST电平时，电源监视器使MCU回到复位状态。
H桥功率电路部分：
H桥功率电路主要由2只功率驱动器IR2302S、4只功率MOSFET、自举二极管(位号D1、D2)、自举电容(位号C1、C2)、续流二极管(位号D3、D4、D5、D6)、缓冲电阻(位号R1)、缓冲电容(位号C3)等组成。
IR2302S为半桥驱动电路，通过外接自举二极管及自举电容，在输出的VB引脚上产生了一个相对于VS端的浮动电源，实现了对上桥臂功率管的栅极驱动能力。IR2302S引腿SD为输出关断控制信号，该信号为低电平时，IR2302S的高、低压侧驱动信号Ho、Lo均为低电平，从而切断功率MOSFET的输出。MCU上电复位期间，PEN信号为高电平，经光耦HCPL0531后输出至SD端的信号为低电平，因此在上电期间H桥的输出被关断，舵机不会有误动作。引脚Ho的输出信号与输入IN端的信号同向，引脚Lo的输出信号与IN端的信号反向。由于2只IR2302S的输入信号P1和P2是反向的，因此输出的G11、G22信号同向，G12、G21也是同向的，而G11与G21、G21与G22是反向的。IR2302内部具有540ns的死区时间及直通保护机制，保证了H桥的上下桥臂不会直通。
MOSFET功率管PSMN063-150D为小体积表贴封装，耐压150V，额定电流29A，导通电阻63mΩ，功耗150W，工作结温-55oC～+175oC，用于驱动小型电机时无需考虑散热问题。栅极限流电阻，用于调节功率管的开关时间和开关损耗，同时可以有效抑制功率管关断时产生的电压尖峰。经综合考虑，在栅极串30Ω电阻。为避免栅源过电压损坏MOSFET或者引起MOSFET误导通，需在栅源间并接20KΩ阻尼电阻。快恢复二极管MURA220，恢复时间35ns，正向电流2A，反向耐压200V，当MOSFET关断时，为流过电机绕组M1、M2中的电流提供续流回路。
由电阻和电容组成的缓冲网络，并接在直流电机绕组两端，用于抑制MOSFET关断时电源上的电压尖峰。选用0.5W100Ω的电阻，200V1000pF的瓷介电容。
Claims (8)
1.一种小型电动舵机的控制系统，其特征在于：包括采集舵偏角当前值的MCU处理器，MCU处理器还连接有第一光耦、第二光耦和总线收发器，总线收发器接收舵偏角目标值，第一光耦、第二光耦均连接第一功率驱动器和第二功率驱动器，第一功率驱动器和第二功率驱动器均连接H桥逆变电路，H桥逆变电路输出电机驱动信号，总线收发器、MCU处理器、两个光耦、两个功率驱动器和H桥逆变电路均连接电源；
所述总线收发器、MCU处理器和两个光耦连接第一DC/DC模块，两个光耦和两个功率驱动器连接第二DC/DC模块，第一DC/DC模块和第二DC/DC模块均连接浪涌抑制及滤波电路，浪涌抑制及滤波电路连接28V电源，第一DC/DC模块输出±5V电源，第二DC/DC模块输出+12V电源，H桥逆变电路连接28V电源。
2.根据权利要求1所述的一种小型电动舵机的控制系统，其特征在于：所述第一DC/DC模块和第二DC/DC模块的型号分别为MSDW1035和MAW01-24S12。
3.根据权利要求1所述的一种小型电动舵机的控制系统，其特征在于：所述MCU处理器的型号为C8051F041。
4.根据权利要求1所述的一种小型电动舵机的控制系统，其特征在于：所述第一光耦和第二光耦的型号为HCPL0531，总线收发器的型号为MAX490。
5.根据权利要求1所述的一种小型电动舵机的控制系统，其特征在于：所述第一功率驱动器和第二功率驱动器的型号均为IR2302S。
6.权利要求1所述的一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：通过MCU处理器采集舵偏角当前值，舵偏角目标值经422总线收发器接入处理器；
步骤二：MCU处理器将舵偏角当前值与目标值进行比较，根据偏差计算控制量输出两路同向PWM信号，同向PWM信号经第一光耦隔离后变为反向PWM信号分别输出给第一功率驱动器和第二功率驱动器；
处理器输出的关断保护信号经第二光耦隔离后输出至第一功率驱动器和第二功率驱动器；
步骤三：第一功率驱动器和第二功率驱动器输出的高、低压侧驱动信号输出给H桥逆变电路；
步骤四：H桥逆变电路输出两路直流电机驱动信号，驱动电机转动，实现对舵面偏转角的控制。
7.根据权利要求6所述的一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述MCU处理器为C8051F041，其中24.5MHz晶振频率为系统时钟；内部电源监视器监控电源产生上电及掉电复位；内部1.2V带隙电压基准及两倍增益缓冲放大器输出2.4V参考电压；ADC0电压基准取自DAC0；DAC1输出1.2V电压作为高压差分放大器HVDA的参考电压；HVDA的增益为0.5；ADC0内部放大器增益为1；交叉开关将UART0的TX和RX引脚分配到P0.0和P0.1，脉宽调制信号PWM1和PWM2引脚分配到P0.2和P0.3；P0.6为数字输出端口，并将所有输出引脚配置成推挽方式。
8.根据权利要求6所述的一种小型电动舵机的控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤二中，MCU处理器工作流程如下，启动AD转换器采用查询方式读取舵偏角当前值，连采5次，去掉最大和最小值，中间3个值取平均，作为当前舵偏值；根据角度偏差计算控制量，更新PWM输出信号的占空比；延迟500us，再启动AD获取当前舵偏角，计算控制量，更新PWM占空比。
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