CN105223870A - 一种基于dsp与cpld的电动舵机控制系统 - Google Patents

一种基于dsp与cpld的电动舵机控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，包含主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块和电源模块，本发明采用DSP和CPLD相结合的主控单元，简化了DSP的外围电路，减少了DSP消耗的运算资源，并充分运用了CPLD编程的灵活性；运行可靠、稳定，具有较强的实用性。

Description

一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统
技术领域
本发明涉及一种电动舵机控制系统，尤其涉及一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，属于电动舵机自动控制领域。
背景技术
电动舵机是导弹、无人机等飞行器的飞行控制系统的执行机构，飞行器在飞行过程的各种运动姿态都是靠电动舵机带动舵面偏转来实现的，其性能的优劣直接影响着飞行器的性能。无刷直流电机、减速器、控制器、驱动电路以及各种传感器构成了电动舵机控制系统的硬件部分，控制算法采用三闭环PI控制器，它们组成了完整的电动舵机控变结构PID控制是常用的电动舵机控制方法。变结构控制方法，是通过设计一个
变结构的控制函数，使被控量在相平面上的运动轨迹能够进入设计好的运动轨迹，从而快速进入稳定状态。系统在变结构模态下不仅保持对系统结构不确定性、参数不确定性、以及外部干扰等不确定性因素的鲁棒性，而且可以获得较为满意的动态性能。但是变结构控制存在固有抖动问题，尤其在航空航天设备上使用的电动舵机工作环境恶劣，难以在实际控制中达到最佳控制效果制系统。
例如申请号为“201410675048.2”的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。该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。
又如申请号为“201510115427.0”的一种双冗余电动舵机控制系统，包括用于分别对控制舵机的差动周转轮系减速机进行动力输入的第一、二电机，用于采集舵机运动状态的第一位置传感器和第二位置传感器；用于分别接受第一、二位置传感器信号的第一、二数字控制单元；第一、二电机上分别设置第一、二制动器，第一、二制动器分别与第一、二数字控制单元的输出端连接；第一、二数字控制单元分别通过第一、二逆变器向第一、二电机发送控制信号；第一、二逆变器上分别设置第一、二桥路电流传感器，用于向第一、二数字控制单元传输桥路电流采样信号；第一、二数字控制单元分别通过引出CAN总线接口接收控制计算机的打舵指令信号，第一、二数字控制单元之间相互连接通讯互为热备份。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，包含主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块和电源模块；所述主控制器模块依次通过CPLD模块和功率驱动电路连接无刷直流电机，所述无刷直流电机通过霍尔传感器连接CPLD模块，所述无刷直流电机还依次通过旋转变压器、旋变舵调芯片连接主控制器模块，所述功率驱动电路依次通过电流检测模块、电流保护模块连接CPLD模块，所述电源模块分别与主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块连接；
其中，霍尔传感器，用于实时采集无刷直流电机电流；
电流检测模块，用于实时采集功率驱动电路的输出电流；
电流保护模块，用于实时检测电流检测模块采集的输出电流，若采集电流为低电平时，则发送信号至CPLD模块；
CPLD模块，用于根据接收的电流保护模块发送的信号结合霍尔传感器采集的电流，进而关断PWM输出；
旋转变压器，用于实时采集无刷直流电机的速度和位置参数；
旋变舵调芯片，用于解码旋转变压器采集的无刷直流电机的速度和位置参数；
主控制器模块，用于根据接收的速度和位置参数控制CPLD模块的PWM输出，进而控制无刷直流电机的输出功率。
作为本发明一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统的进一步优选方案，所述主控制器模块采用TI公司生产的TMS320F2808型DSP。
作为本发明一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统的进一步优选方案，所述CPLD模块采用LATTICE公司生产的LC4128型CPLD。
作为本发明一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统的进一步优选方案，所述功率驱动电路采用ADI公司生产的半桥驱动芯片ADuM7234。
作为本发明一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统的进一步优选方案，所述电流检测模块采用Allegro公司的ACS714芯片。
作为本发明一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统的进一步优选方案，所述旋变舵调芯片采用ADI公司的AD2S1210旋变解调芯片。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明通过主控制器模块、CPLD模块、霍尔传感器、旋转变压器、电流检测模块完成了对各部分电路的检测，同时采用了PI控制算法，并对参数进行了调整；
2、运算速度能够满足飞行器舵机控制器处理速度的要求；多达6路的增强型PWM模块，适合应用于电机驱动；支持SCI、SPI以及eCAN，方便与其他设备通信；
3、本发明采用DSP和CPLD相结合的主控单元，简化了DSP的外围电路，减少了DSP消耗的运算资源，并充分运用了CPLD编程的灵活性；
4、本发明采用DSP和CPLD相结合的主控单元运行可靠、稳定，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，包含主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块和电源模块；所述主控制器模块依次通过CPLD模块和功率驱动电路连接无刷直流电机，所述无刷直流电机通过霍尔传感器连接CPLD模块，所述无刷直流电机还依次通过旋转变压器、旋变舵调芯片连接主控制器模块，所述功率驱动电路依次通过电流检测模块、电流保护模块连接CPLD模块，所述电源模块分别与主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块连接；
其中，霍尔传感器，用于实时采集无刷直流电机电流；
电流检测模块，用于实时采集功率驱动电路的输出电流；
电流保护模块，用于实时检测电流检测模块采集的输出电流，若采集电流为低电平时，则发送信号至CPLD模块；
CPLD模块，用于根据接收的电流保护模块发送的信号结合霍尔传感器采集的电流，进而关断PWM输出；
旋转变压器，用于实时采集无刷直流电机的速度和位置参数；
旋变舵调芯片，用于解码旋转变压器采集的无刷直流电机的速度和位置参数；
主控制器模块，用于根据接收的速度和位置参数控制CPLD模块的PWM输出，进而控制无刷直流电机的输出功率。
其中，所述主控制器模块采用TI公司生产的TMS320F2808型DSP，所述CPLD模块采用LATTICE公司生产的LC4128型CPLD，所述功率驱动电路采用ADI公司生产的半桥驱动芯片ADuM7234，所述电流检测模块采用Allegro公司的ACS714芯片，所述旋变舵调芯片采用ADI公司的AD2S1210旋变解调芯片。
本舵机控制系统以DSP+CPLD为主控制单元，外围电路包括电流、转速、位置信号采集电路以及功率放大电路等。舵机系统是一种位置伺服系统，由下位机接收飞控计算机发来的位置和方向信号，经过处理之后输出PWM信号，经功率放大电路驱动直流无刷电机带动舵面按照要求的方向和位置运动，从而准确控制飞行器的飞行姿态。完成了对各部分电路的检测，同时采用了PI控制算法，并对参数进行了调整。采用DSP和CPLD相结合的主控单元，简化了DSP的外围电路，减少了DSP消耗的运算资源，并充分运用了CPLD编程的灵活性。该电动舵机控制系统运行可靠、稳定，具有较强的实用性。
TMS320F2808型DSP有如下优点：100MHz主频，运算速度能够满足飞行器舵机控制器处理速度的要求；多达6路的增强型PWM模块，适合应用于电机驱动；支持SCI、SPI以及eCAN，方便与其他设备通信。
CPLD具有编程灵活等优点，本设计中采用CPLD输出控制电机的PWM信号，处理电流保护电路信号以及实现电机的换向逻辑，简化了DSP的外围电路，减少了DSP消耗的运算资源，使得DSP能更好地完成电动舵机控制算法。
舵机控制最外环也是最重要的一环就是位置环，因此舵面的位置检测是否精准直接影响着整个控制系统的性能。速度和位置检测采用旋转变压器，旋转变压器抗干扰能力强、可靠性高、测量精度高，在速度和位置检测上有较大的优势。旋转变压器由励磁绕组和输出绕组组成，当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压与转子转角成正余弦函数关系。
舵机控制最外环也是最重要的一环就是位置环，因此舵面的位置检测是否精准直接影响着整个控制系统的性能。速度和位置检测采用旋转变压器，旋转变压器抗干扰能力强、可靠性高、测量精度高，在速度和位置检测上有较大的优势。旋转变压器由励磁绕组和输出绕组组成，当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压与转子转角成正余弦函数关系。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，其特征在于：包含主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块和电源模块；所述主控制器模块依次通过CPLD模块和功率驱动电路连接无刷直流电机，所述无刷直流电机通过霍尔传感器连接CPLD模块，所述无刷直流电机还依次通过旋转变压器、旋变舵调芯片连接主控制器模块，所述功率驱动电路依次通过电流检测模块、电流保护模块连接CPLD模块，所述电源模块分别与主控制器模块、CPLD模块、功率驱动电路、无刷直流电机、霍尔传感器、旋转变压器、旋变舵调芯片、电流检测模块、电流保护模块连接；
其中，霍尔传感器，用于实时采集无刷直流电机电流；
电流检测模块，用于实时采集功率驱动电路的输出电流；
电流保护模块，用于实时检测电流检测模块采集的输出电流，若采集电流为低电平时，则发送信号至CPLD模块；
CPLD模块，用于根据接收的电流保护模块发送的信号结合霍尔传感器采集的电流，进而关断PWM输出；
旋转变压器，用于实时采集无刷直流电机的速度和位置参数；
旋变舵调芯片，用于解码旋转变压器采集的无刷直流电机的速度和位置参数；
主控制器模块，用于根据接收的速度和位置参数控制CPLD模块的PWM输出，进而控制无刷直流电机的输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，其特征在于：所述主控制器模块采用TI公司生产的TMS320F2808型DSP。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，其特征在于：所述CPLD模块采用LATTICE公司生产的LC4128型CPLD。
4.根据权利要求1所述的一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，其特征在于：所述功率驱动电路采用ADI公司生产的半桥驱动芯片ADuM7234。
5.根据权利要求1所述的一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，其特征在于：所述电流检测模块采用Allegro公司的ACS714芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于DSP与CPLD的电动舵机控制系统，其特征在于：所述旋变舵调芯片采用ADI公司的AD2S1210旋变解调芯片。
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