CN105607526A - 一种用于电动舵机的高精度小型伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动舵机的高精度小型伺服控制器。此装置包括直流电源、电源监控模块、串行总线收发器、温度监测模块、单片机、隔离驱动器、三相逆变器、母线电压监控模块、位置传感器、舵机。此装置利用单片机接收串行总线收发器的数据作为位置指令，发送控制信号，经过隔离驱动器的隔离和功率放大，驱动三相逆变器，实现舵机的控制。此装置采用高性能单片机对电源、温度传感器和母线电压进行检测，有效实现了故障保护，采用隔离电路将控制电路和驱动电路隔离开，有效防止舵机和驱动电路对控制电路的电磁干扰，提高了系统的可靠性。此装置采用的位置传感器能有效采集最高360度的角位置，大大提高了舵机输出轴的控制范围。

Description

一种用于电动舵机的高精度小型伺服控制器

技术领域

本发明属于一种用于电动舵机的高精度小型伺服控制器。

背景技术

近年，电动舵机已经广泛应用于机器人、防空导弹、巡航导弹、运载火箭、雷达通讯等领域，并且应用范围逐渐拓展至便携式防空导弹、小型无人机及反坦克导弹等小型飞行器领域。由于这类飞行器本身体积较小，对其电动舵机系统也提出了小型化的要求。

随着微电子技术的发展,高性能微处理器的涌现使得数字控制技术能够更好地逼近模拟控制方法，伺服系统的控制效果更佳，伺服性能更好，高精度伺服控制的实现也越来越有保障。但是目前，国内的电动舵机伺服控制器还是普遍存在伺服精度低、响应频率低、可靠性差和体积较大等问题，所以对于小型化和高性能的电动舵机控制器的需求越来越迫切。

发明内容

为了克服现有技术所形成的现有伺服舵机控制器控制精度低、体积大、可靠性低等不足，本发明提供一种用于伺服舵机的高精度小型控制器，其采用高性能单片机为核心元件，在提高伺服精度的前提下，降低了控制器的体积，并能有效采集最高360度的角位置，大大提高了电动舵机输出轴的控制范围，同时通过电路隔离和故障保护等措施，提高了控制系统的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括直流电源1、电源监控模块2、串行总线收发器3、温度监测模块4、单片机5、隔离驱动器6、三相逆变器7、母线电压监控模块8、位置传感器9、舵机10。直流电源1输出16V稳压信号，一方面作为由绝缘栅双极晶体管组成的三相逆变器7的输入直流电源，给三相逆变器7供电，另一方面经过电源监控模块2的分压，输入到单片机5的模拟电压检测端，实时监测电源的电压状态。串行总线收发器3接收和发送外部串行总线的数据。温度监测模块4实时监控外部环境温度，以电压信号输入到单片机5，实现温度保护。单片机5接收串行总线收发器3的数据作为位置指令，发送控制信号，经过隔离驱动器6的隔离和功率放大，驱动三相逆变器7对母线电压进行斩波，从而实现舵机10的控制。母线电压监控模块8将母线电压进行分压，并送到单片机5的模拟输入端，从而实现控制系统过压或者欠压保护。位置传感器9检测舵机10的转轴位置，输入到单片机5中，作为控制系统的位置反馈信号。

本发明的有益效果是：本发明采用单片机为核心元件，设计了一套具有位置伺服性能的高可靠性伺服舵机控制器，在提高伺服精度的前提下，降低了控制器的体积，并采取了电路隔离和故障保护等措施，提高了控制系统的可靠性。

本发明的特点在于(1)采用高性能单片机5对电源、温度传感器和母线电压进行检测，有效实现了故障保护，采用隔离电路将控制电路和驱动电路隔离开来，有效防止了舵机10和驱动电路对控制电路的电磁干扰，实现了控制系统的高可靠性；(2)采用的位置传感器9能有效采集最高360度的角位置，大大提高了舵机10输出轴的控制范围。(3)采用了集成度高、体积小的元器件，采用了多层板设计并通过合理硬件布局，实现了控制系统的简单化和小型化；(4)采用高性能单片机5和高精度的位置传感器9，提高了控制系统的整体精度和性能。

附图说明

图1是本发明所述用于电动舵机的高精度小型伺服控制器的结构示意图。

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。

见图1，本发明包括有直流电源1(输出电压0～28V，电流0～10A)、电源监控模块2(由精度为1％、阻值为10000欧姆的电阻和精度为1％、阻值为1000欧姆的电阻组成)、串行总线收发器3(VP3082)、温度监测模块4(由温度传感器AD590和外围电阻组成)、单片机5(C8051F411)、隔离驱动器6(由3个光耦隔离器HCPL_0630和3个驱动放大器IR2104S组成)、三相逆变器7(由6个绝缘栅双极晶体管IRFU3504Z组成)、母线电压监控模块8(由精度为1％、阻值为10000欧姆的电阻和精度为1％、阻值为1000欧姆的电阻组成)、位置传感器9(由旋转型电阻式位移传感器RDC80300组成)和舵机10。

本发明中直流电源1将输出稳定16V电压U1至三相逆变器7和电源监控模块2。

电源监控模块2将直流电源1的稳定16V电压U1转变为电压信号U2，幅值为1.45V。

温度监测模块4检测外部环境温度，输出电压信号U3至单片机5。

串行总线收发器3接收串行总线上的数据信号至单片机5接口RX。

单片机5可采用C8051F411芯片，它通过串口总线收发器3接收并发送数据，接收来自母线电压监控模块8的电压信号U5，接收来自舵机10的霍尔信号H1、H2、H3，接收来自位置传感器9的电压信号U6，接收来自电源监控模块2的电压信号U2和来自温度监测模块4的电压信号U3，发送控制信号G1、G2、G3至隔离驱动器6，从而控制三相逆变器7实现舵机10的位置控制。

隔离驱动器6将来自单片机5的控制信号G1、G2、G3驱动放大为绝缘栅双极晶体管栅极驱动电压信号OUT1、OUT2、OUT3至三相逆变器7。

三相逆变器7通过绝缘栅双极晶体管栅极驱动电压信号OUT1、OUT2、OUT3，将直流电源1的稳定16V电压U1斩波为三相交流电压信号D1、D2、D3。

母线电压监控模块8将隔离驱动器6的母线电压信号U4调理为电压信号U5，并发送至单片机5。

舵机10将霍尔信号H1、H2、H3发送至单片机5。

位置传感器9检测舵机10的转轴实时位置，并将位置电压信号U6发送至单片机5，从而实现舵机10的位置闭环。

通过上述的外围硬件电路可用来控制伺服舵机实现精确位置闭环。本控制系统以C8051f411单片机5为核心元件，采用了较少元器件搭建了伺服舵机控制器，体积小、结构简单。控制系统采用了隔离电路将控制电路和驱动电路隔离开来，有效防止了舵机10和驱动电路对控制电路的电磁干扰，并通过对电源、温度传感器和母线电压进行采集，实现了故障保护功能。控制系统中采用的位置传感器9能有效采集最高360度的角位置，实现舵机10输出轴全位置的检测，为控制系统提供较为精准的位置反馈信号。除此之外，本控制系统中配置了串行通讯接口，能与外部进行可靠有效的通讯，作为位置指令和控制系统状态信号传输的接口。

Claims (1)

1.一种用于电动舵机的高精度小型伺服控制器，包括直流电源(1)、电源监控模块(2)、串行总线收发器(3)、温度监测模块(4)、单片机(5)、隔离驱动器(6)、三相逆变器(7)、母线电压监控模块(8)、位置传感器(9)、舵机(10)，其特征在于：

直流电源(1)，一方面作为由绝缘栅双极晶体管组成的三相逆变器(7)的输入电源，给三相逆变器(7)供电，另一方面经过电源监控模块(2)的分压，输入到单片机(5)的模拟电压检测端，实时监测电源的电压状态；

串行总线收发器(3)接收和发送外部串行总线的数据；温度监测模块(4)实时监控外部环境温度，以电压信号输入到单片机(5)，实现环境温度监控保护；

单片机(5)接收串行总线收发器(3)的数据作为位置指令，发送控制信号，经过隔离驱动器(6)的隔离和功率放大，驱动三相逆变器(7)对母线电压进行斩波，从而实现舵机(10)的控制；

母线电压监控模块(8)将母线电压进行分压，并送到单片机(5)的模拟输入端，实现控制系统过压或者欠压保护；

位置传感器(9)用于检测舵机(10)的转轴位置，输入到单片机(5)中，作为控制系统的位置反馈信号。