CN107192306A - 一种集成小型化电动舵机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成小型化电动舵机控制系统，包括：驱动电路、电源电路、控制电路以及外部接口；电源电路对外与弹上电源连接，将弹上电源电压转换成控制电路内部元器件需要的低压电向各元器件供电，控制电路对外与位置传感器通过数字接口连接，内部与驱动电路连接，进行数据传输，完成指令接收、算法处理、遥测发送，驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号及使能信号，实现三相无刷直流电机的驱动控制。本申请实施例模拟功能数字化设计，进一步提高了控制性能；高集成一体化设计，减小了控制电路体积，提高了系统可靠性；软硬件功能渗透化设计，提高了功率密度。

Description

一种集成小型化电动舵机控制系统
技术领域
本发明涉及电路控制技术领域，尤其涉及一种集成小型化电动舵机控制系统。
背景技术
在以电子技术和信息技术为主要推动力,数字化技术为核心的新军事革命背景之下,导弹武器系统正向小型化、智能化、系列化的方向发展。导弹电动舵机作为控制导弹飞行姿态和轨迹的关键部件，在整个导弹控制系统中的作用极为重要，其性能好坏直接影响导弹飞行控制系统性能的高低。随着新一代导弹武器系统的发展，对电动舵机提出了更高的要求，促使导弹电动舵机器向着体积小、重量轻、控制性能高的方向发展。降低电动舵机控制电路的体积，成为新一代导弹电动舵机设计的关键内容。
传统的导弹电动舵机控制电路采用模拟式接口、分立式控制方式，如与弹上飞控装置、舵机执行机构位置传感器之间均采用模拟接口方式，由于电动舵机在运行过程中，不仅导弹整体电磁环境比较复杂，而且无刷电机产生较强的电磁场干扰，需要搭建复杂的调理及滤波电路对模拟信号进行抗干扰处理，处理后的信号再送入模数转换电路，转换成数字量传给CPU，而且模拟器件固有的温漂、参数分散、元器件性能波动等因素，使得控制电路性能不稳定，因此传统模拟接口方式不仅使得控制电路体积较大，而且精度和可靠性较低。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种集成小型化电动舵机控制系统，用以解决现有技术中存在的诸多技术问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
在基于本发明的一个实施例中，提供了一种集成小型化电动舵机控制系统，包括：驱动电路、电源电路、控制电路以及外部接口；电源电路对外与弹上电源连接，将弹上电源电压转换成控制电路内部元器件需要的低压电向各元器件供电，控制电路对外与位置传感器通过外部接口连接，内部与驱动电路连接，进行数据传输，完成指令接收、算法处理、遥测发送，驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号及使能信号，实现三相无刷直流电机的驱动控制。
在基于本发明系统的另一个实施例中，外部接口包括SPI数字接口，位置传感器为数字式位置传感器，通过SPI数字接口与控制电路相连。
在基于本发明系统的另一个实施例中，电源电路包括：弹上电源采用+28V供电，使用隔离DC/DC模块将+28V转换为+5V，为高速光耦及通讯接口电路供电；使用TI公司TPS767D301芯片为DSP供电，保证DSP可靠稳定工作；使用SPX1117系列芯片生成+2.5V、+1.2V给FPGA供电；使用两片隔离DC/DC芯片分别生成隔离+5V为驱动电路和同步422通讯接口电路供电。
在基于本发明系统的另一个实施例中，控制电路采用DSP+FPGA架构；DSP与FPGA之间的数据交互使用16位并行总线模式，FPGA通过接收DSP的地址总线信号，对同步422通讯接口进行读写操作，将多种外设接口集成到FPGA中，DSP、FPGA采用BGA封装。
在基于本发明系统的另一个实施例中，外部接口包括用于导弹电动舵机与弹上控制器的同步422通讯接口，采用FPGA实现同步422通讯接口；DSP通过数据总线、地址总线和读写信号线控制FPGA的工作状态，通过中断信号线读取接收数据，FPGA的接收与发送信号经过电平转换电路转换为差分信号，连接到外部同步422总线上。
在基于本发明系统的另一个实施例中，控制电路包括发送通道和接收通道；工作时，发送通道产生同步发送时钟，接收DSP的数据存入FIFO，在收到DSP的发送使能信号后开始发送数据，并在发送数据段前加上预先约定的起始标志，对发送数据做CRC校验，并对包括CRC校验值在内的数据进行“插零”操作，最后附上三个帧尾标志。
在基于本发明系统的另一个实施例中，工作时，接收通道实时检测数据流中是否有预先约定的起始标志，如果存在则开始接收数据；当检测到数据流中有“1F”信号时，对数据进行“删零”操作，对经过“删零”操作后的数据进行CRC校验，把接收到的数据进行串并转换并存入接收FIFO，当接收到帧尾标志后，向DSP发送接收数据中断。
在基于本发明系统的另一个实施例中，驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号、使能信号经电平匹配和高速光耦隔离，与霍尔传感器的霍尔信号一起传输给驱动电路，经栅极驱动芯片译码后，驱动三相桥电路。
在基于本发明系统的另一个实施例中，将控制电路与驱动电路一体化设计，控制电路与驱动电路之间的连线直接从印制板走线。
本发明有益效果如下：
(1)模拟功能数字化设计，采用数字接口取代模拟接口，避免模拟器件固有的温漂、参数分散、元器件性能波动等因素，进一步提高了控制性能；(2)高集成一体化设计，采用集成取代分立方式，控制电路和驱动电路高度耦合，减小了控制电路体积，提高了系统可靠性；(3)软硬件功能渗透化设计，采用大规模集成电路及多功能的微处理器取代分立元器件方式，显著减少元器件种类，提高了功率密度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为集成小型化电动舵机控制电路工作原理框图；
图2为集成小型化电动舵机控制电路组成结构框图；
图3为电源电路内部信号接口关系；
图4为控制电路内部信号接口关系；
图5为基于FPGA的同步422通讯接口；
图6为驱动电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
电动舵机控制电路原理框图如图1所示，电动舵机工作过程为：控制电路实时接收弹上飞控装置给出的舵面偏角指令信号，采集位置传感器反馈信号，通过控制算法运算处理，向驱动电路输出控制信号，实现对无刷直流电机的控制，经执行机构减速后，保证舵面在规定的响应时间内以一定的精度趋近给定偏角信号，从而改变导弹的航姿或航行轨迹。
本申请实施例提供了一种集成小型化电动舵机控制系统，原理框图如图2所示，包括驱动电路、电源电路、控制电路以及外部接口；电源电路对外与弹上电源连接，将弹上电源电压转换成控制电路内部元器件需要的低压电向各元器件供电，控制电路对外与位置传感器通过数字接口连接，内部与驱动电路连接，进行数据传输，完成指令接收、算法处理、遥测发送，驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号及使能信号，实现三相无刷直流电机的驱动控制。
电源电路内部信号接口关系如图3所示，弹上电源采用+28V供电，组成本发明实施例电路的元器件需要的供电电压包括+5V、+3.3V、+1.9V、+1.2V，因此需要电源转换电路。为防止+28V电源对控制平台的影响，使用隔离DC/DC模块将+28V转换为+5V，为高速光耦及通讯接口电路供电。使用TI公司TPS767D301芯片为DSP供电，保证DSP可靠稳定工作。使用SPX1117系列芯片生成+2.5V、+1.2V给FPGA供电。使用两片隔离DC/DC芯片分别生成隔离+5V为驱动电路和同步422通讯接口电路供电。
控制电路采用DSP+FPGA架构，为满足控制电路双向数据传输以及高速通讯要求，DSP与FPGA之间的数据交互使用16位并行总线(XD0～XD15)模式，FPGA通过接收DSP的地址总线信号(XA0～XA7)，对同步422通讯接口进行读写操作，控制电路内部信号接口关系如图4所示，采用数字式位置传感器，由模拟接口改为数字接口，省去模拟信号调理电路、采集电路。将控制电路与驱动电路一体化设计，控制电路与驱动电路之间的连线直接从印制板走线，大大减少两者之间的连线。充分利用DSP快速计算能力和FPGA高速并行处理能力，将多种外设接口集成到FPGA中。位置传感器中采用SPI总线连接，一个控制电路可以外接多路传感器，减少了接口芯片数量，降低了印制板面积。DSP、FPGA等大规模集成电路采用BGA封装，降低了整体面积。
模拟功能数字化设计，采用数字接口取代模拟接口，避免模拟器件固有的温漂、参数分散、元器件性能波动等因素，进一步提高了控制性能。
为解决电动舵机集成小型化问题，本文设计的用于导弹电动舵机与弹上控制器的同步422通讯接口，硬件功能软件化，如图5所示，利用FPGA实现同步422通讯接口，通讯误码率不大于10-6，CRC校验支持CCITT16，相比之前使用的专用通讯接口芯片，缩短了舵系统控制器的研制周期，减小了控制器的体积，降低了控制器功耗，而且便于二次开发。电路连接关系为，CPU通过数据总线、地址总线和读写信号线控制FPGA的工作状态，通过中断信号线读取接收数据，FPGA的接收与发送信号经过电平转换电路转换为差分信号，连接到外部同步422总线上。发送通道的主要功能是产生同步发送时钟，接收DSP的数据存入FIFO，并在收到DSP的发送使能信号后开始发送数据，并在发送数据段前加上“7E”起始标志，对发送数据做CRC校验，并对包括CRC校验值在内的数据进行“插零”操作，最后附上三个“7E”结束标志。接收通道的主要功能是实时检测数据流中是否有“7E”标志，如果存在帧头标志就开始接收数据。当检测到数据流中有“1F”信号时，对数据进行“删零”操作，对经过“删零”操作后的数据进行CRC校验，把接收到的数据进行串并转换并存入接收FIFO，当接收到帧尾标志后，向DSP发送接收数据中断。
驱动电路原理图如图6所示：驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号、使能信号经电平匹配和高速光耦隔离，与霍尔传感器采集到的霍尔信号一起传输给驱动电路，经栅极驱动芯片译码后，驱动三相桥电路，使三相绕组分时导通，霍尔传感器与电机相连用于采集电机信号。栅极驱动芯片采用SI9979。驱动电路的设计原则为：(1)开关管开通瞬时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡；(2)开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定；(3)关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极问电容电压的快速泄放，保证开关管能快速关断。
具体地，经过设计控制电路印制板的体积为80mmx50mmx20mm。
本发明有益效果如下：
(1)模拟功能数字化设计，采用数字接口取代模拟接口，避免模拟器件固有的温漂、参数分散、元器件性能波动等因素，进一步提高了控制性能；(2)高集成一体化设计，采用集成取代分立方式，控制电路和驱动电路高度耦合，减小了控制电路体积，提高了系统可靠性；(3)软硬件功能渗透化设计，采用大规模集成电路及多功能的微处理器取代分立元器件方式，显著减少元器件种类，提高了功率密度。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成小型化电动舵机控制系统，其特征在于，包括：驱动电路、电源电路、控制电路以及外部接口；电源电路对外与弹上电源连接，将弹上电源电压转换成控制电路内部元器件需要的低压电向各元器件供电，控制电路对外与位置传感器通过外部接口连接，内部与驱动电路连接，进行数据传输，完成指令接收、算法处理、遥测发送，驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号及使能信号，实现三相无刷直流电机的驱动控制。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外部接口包括SPI数字接口，位置传感器为数字式位置传感器，通过SPI数字接口与控制电路相连。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，电源电路包括：弹上电源采用+28V供电，使用隔离DC/DC模块将+28V转换为+5V，为高速光耦及通讯接口电路供电；使用TI公司TPS767D301芯片为DSP供电，保证DSP可靠稳定工作；使用SPX1117系列芯片生成+2.5V、+1.2V给FPGA供电；使用两片隔离DC/DC芯片分别生成隔离+5V为驱动电路和同步422通讯接口电路供电。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，控制电路采用DSP+FPGA架构；DSP与FPGA之间的数据交互使用16位并行总线模式，FPGA通过接收DSP的地址总线信号，对同步422通讯接口进行读写操作，将多种外设接口集成到FPGA中，DSP、FPGA采用BGA封装。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述外部接口包括用于导弹电动舵机与弹上控制器的同步422通讯接口，采用FPGA实现同步422通讯接口；DSP通过数据总线、地址总线和读写信号线控制FPGA的工作状态，通过中断信号线读取接收数据，FPGA的接收与发送信号经过电平转换电路转换为差分信号，连接到外部同步422总线上。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制电路包括发送通道和接收通道；工作时，发送通道产生同步发送时钟，接收DSP的数据存入FIFO，在收到DSP的发送使能信号后开始发送数据，并在发送数据段前加上预先约定的起始标志，对发送数据做CRC校验，并对包括CRC校验值在内的数据进行“插零”操作，最后附上三个帧尾标志。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，工作时，接收通道实时检测数据流中是否有预先约定的起始标志，如果存在则开始接收数据；当检测到数据流中有“1F”信号时，对数据进行“删零”操作，对经过“删零”操作后的数据进行CRC校验，把接收到的数据进行串并转换并存入接收FIFO，当接收到帧尾标志后，向DSP发送接收数据中断。
8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，驱动电路接收控制电路的脉宽信号、方向信号、使能信号经电平匹配和高速光耦隔离，与霍尔传感器采集到的霍尔信号一起传输给驱动电路，经栅极驱动芯片译码后，驱动三相桥电路。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，将控制电路与驱动电路一体化设计，控制电路与驱动电路之间的连线直接从印制板走线。
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