CN107888112A - 一种电动舵机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动舵机驱动装置。该装置包括控制单元、电源供给单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，其中：控制单元分别与通信单元和数据存储单元连接，并且控制单元的PWM输出端与隔离单元的输入端连接，隔离单元的输出端与三相逆变桥式单元的输入端连接，三相逆变桥式单元的输出端与三相无刷直流电机的输入端连接，三相无刷直流电机的输出端与数据采集单元的输入端连接，数据采集单元的输出端与控制单元的输入端连接；电源供给单元与其他各单元的电源接口连接。本发明能够低速且大力矩快速精确控制三相无刷直流电机，并采用USART串口实现与上位机通信给定电动舵机的速度信息，位置信息和启停信息。

Description

一种电动舵机驱动装置
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，特别是一种电动舵机驱动装置。
背景技术
现代战争对制导武器提出了全新的要求，其中导弹因为具备远程打击能力而成为其中的佼佼者。而导弹制导与控制系统中的电动舵机驱动装置的性能优劣直接决定了导弹飞行过程中的动态品质和制导精度。电动舵机是导弹制导与控制系统中的执行机构，也随着半导体技术、计算机技术和电力电子技术的发展而快速发展，其中无刷直流电机既有优秀的调速特性又有不错的转矩特性，在国防工业乃至民用行业都得到广泛应用。
电动舵机按驱动能源的类型，可分为气压舵机、液压舵机和电动舵机。传统导弹都是采用液压或气动舵机，但此类舵机结构复杂、加工难度高。随着航天技术的蓬勃发展，对舵机整体性能要求越来越高，电动舵机向体积质量不断减小，承载能力不断增强，控制性能不断提高的方向提高发展。而电动舵机具有能源单一，易于控制等特性，在飞行器、机器人等领域上得到了广泛的应用。现有电动舵机目前还存在体积较大、成本较高的问题，且在低速下的控制精度仍然不高，故在电动舵机领域中对其控制驱动装置改进研究十分有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性价比高、动态品质优、控制精度高的速度及位置双闭环控制的电动舵机驱动装置，该装置能够低速且大力矩并快速精确控制三相无刷直流电机(BLDC)，并采用USART串口通信实现与上位机通信给定电动舵机的速度信息，位置信息和启停信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电动舵机驱动装置，所述电动舵机采用三相无刷直流电机，该电动舵机驱动装置包括控制单元、电源供给单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，其中：
所述控制单元分别与通信单元和数据存储单元连接，并且控制单元的PWM输出端与隔离单元的输入端连接，所述隔离单元的输出端与三相逆变桥式单元的输入端连接，所述三相逆变桥式单元的输出端与三相无刷直流电机的输入端连接，所述三相无刷直流电机的输出端与数据采集单元的输入端连接，所述数据采集单元的输出端与控制单元的输入端连接；所述电源供给单元与其他各单元的电源接口连接。
进一步地，所述控制单元采用STM32最小系统电路，其中包括晶振电路、数模隔离电路、复位电路、可编程指示灯电路，所述控制单元一方面模拟产生PWM信号用于控制三相无刷直流电机，另一方面接收三相无刷直流电机的速度、位置信息；
控制单元对电机输出端的实际转速进行比例积分调节，得到电机转动的位置反馈值送于控制单元的输入端，与给定的位置指令信号进行比较，将位置误差信号作为速度环节的输入给定值，从而得到PWM信号；控制单元根据数据采集单元检测到电机的三个转子位置信号进行查询换相，将该三个转子位置信号与PWM信号一起送至三相逆变桥式单元，实现三相无刷直流电机的换相和调速功能。
进一步地，所述电源供给单元通过稳压和升压电路提供不同的电压给控制单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，并满足各个单元所需要的工作电压及功率。
进一步地，所述隔离单元采用封装为SOIC8的HCPL2630芯片，两路输入方波信号接入隔离芯片两路阴极输入引脚，两路阳极输入管脚分别用220欧的电阻接3.3V电压上拉，将幅值为3.3V的两路方波输入信号调制成5V的方波输出信号，以匹配三相逆变桥式单元中栅极驱动IC的方波输入需求。
进一步地，所述三相逆变桥式单元通过栅极驱动IC和功率开关器件实现三相桥式驱动的换流，三相逆变桥式单元采用12片IRF5301功率开关器件形成三路UVW上下桥臂，每个桥臂分别由两个功率开关器件并联组成，且上下桥臂控制信号分别利用220欧电阻连接至功率开关器件的栅极输入。
进一步地，所述数据采集单元采用霍尔传感器，以120度安装方式安装于电机内定子绕组上方10mm，以检测无刷直流电机BLDC的速度和位置信息。
进一步地，所述数据存储单元通过外部SPI Flash将电动舵机当前的速度信息和角度位置信息实时存储，用于进行数据分析和调试。
进一步地，所述通信单元通过USART串口通信协议，该协议包含针头针尾当前舵速度和当前舵角度信息，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的舵机速度信息和角度位置信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)针对电动舵机进行芯片选型和一体化设计，适用性强、安装简单且调试方便可靠；(2)采用驱动控制组合设计，焊接和接线方便，装配简易可靠，抗电磁干扰；(3)驱动负载能力高，响应快速、稳态误差低、低速性能优，能有效提供和保障导弹飞行轨迹变更时所需转向力矩，实现对电动舵机的精准控制；(4)成本低，能节省大量人力物力，经济效益好。
附图说明
图1是本发明电动舵机驱动装置的硬件整体设计示意图。
图2是本发明电动舵机驱动装置的控制板设计示意图。
图3是本发明电动舵机驱动装置的驱动板设计示意图。
图4是本发明电动舵机驱动装置的数据采集单元设计示意图。
图5是本发明电动舵机驱动装置的控制算法流程示意图。
图6是本发明电动舵机驱动装置的速度环控制算法流程示意图。
附图标识：1为SWD下载和仿真调试接口，2为W25Q128(SPI FLASH)存储单元，3为PWM输出接口，4为5V和3.3V供电单元，5为STM32F103C8T6最小系统，6为霍尔(速度位置信息)传感器接口，7为USART串口通信接口，8为12V升压供给单元，9为隔离单元，10为三相逆变桥式单元，11为三相霍尔传感器A，12为三相霍尔传感器B，13为霍尔检测板定位孔，14为三相霍尔传感器C。
具体实施方式
结合图1～6，本发明电动舵机驱动装置，所述电动舵机采用三相无刷直流电机，该电动舵机驱动装置包括控制单元、电源供给单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，其中：
所述控制单元分别与通信单元和数据存储单元连接，并且控制单元的PWM输出端与隔离单元的输入端连接，所述隔离单元的输出端与三相逆变桥式单元的输入端连接，所述三相逆变桥式单元的输出端与三相无刷直流电机的输入端连接，所述三相无刷直流电机的输出端与数据采集单元的输入端连接，所述数据采集单元的输出端与控制单元的输入端连接；所述电源供给单元与其他各单元的电源接口连接。
进一步地，所述控制单元采用STM32最小系统电路，其中包括晶振电路、数模隔离电路、复位电路、可编程指示灯电路，所述控制单元一方面模拟产生PWM信号用于控制三相无刷直流电机，另一方面接收三相无刷直流电机的速度、位置信息；
控制单元对电机输出端的实际转速进行比例积分调节，得到电机转动的位置反馈值送于控制单元的输入端，与给定的位置指令信号进行比较，将位置误差信号作为速度环节的输入给定值，从而得到PWM信号；控制单元根据数据采集单元检测到电机的三个转子位置信号进行查询换相，将该三个转子位置信号与PWM信号一起送至三相逆变桥式单元，实现三相无刷直流电机的换相和调速功能。
进一步地，所述电源供给单元通过稳压和升压电路提供不同的电压给控制单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，并满足各个单元所需要的工作电压及功率。
进一步地，所述隔离单元采用封装为SOIC8的HCPL2630芯片，两路输入方波信号接入隔离芯片两路阴极输入引脚，两路阳极输入管脚分别用220欧的电阻接3.3V电压上拉，将幅值为3.3V的两路方波输入信号调制成5V的方波输出信号，以匹配三相逆变桥式单元中栅极驱动IC的方波输入需求。
进一步地，所述三相逆变桥式单元通过栅极驱动IC和功率开关器件实现三相桥式驱动的换流，三相逆变桥式单元采用12片IRF5301功率开关器件形成三路UVW上下桥臂，每个桥臂分别由两个功率开关器件并联组成，且上下桥臂控制信号分别利用220欧电阻连接至功率开关器件的栅极输入。
进一步地，所述数据采集单元采用霍尔传感器，以120度安装方式安装于电机内定子绕组上方10mm，以检测无刷直流电机BLDC的速度和位置信息。
进一步地，所述数据存储单元通过外部SPI Flash将电动舵机当前的速度信息和角度位置信息实时存储，用于进行数据分析和调试。
进一步地，所述通信单元通过USART串口通信协议，该协议包含针头针尾当前舵速度和当前舵角度信息，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的舵机速度信息和角度位置信息。
下面结合附图和实施例对本发明电动舵机驱动装置作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，为本发明一种电动舵机驱动装置的硬件整体设计示意图，所述电动舵机驱动装置包括控制单元、电源供给单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元。其中本发明的电动舵机驱动其中所述电源供给单元与各个所需电压的单元电源接口连接，所述控制单元与所述通信单元和所述数据存储单元连接，并且所述控制单元的PWM输出端与所述隔离单元的输入端连接，所述隔离单元的输出端与所述三相逆变桥式单元的输入端连接，所述三相逆变桥式单元的输出端与所述三相无刷直流电机的输入端连接，所述无刷直流电机的输出端与所述数据采集单元的输入端连接，所述数据采集单元的输出端与所述控制单元的输入端连接。
所述控制单元采用性价比高的STM32F103C8T6芯片，其内核为ARM Cortex-M3；电源供给单元采用的分别是LM2976-5.0芯片三端稳压输出5V电源和AMS1117-3.3芯片三端稳压输出3.3V电源以及ST662A升压输出12V电源；隔离单元采用封装为SOIC8，工作频率可达10MBd的HCPL2630芯片作为光耦隔离电路的主要组成部分，其隔离效果优良，并能将幅值为3.3V的方波调制成5V的方波，以匹配栅极驱动IC的方波输入需求。
考虑到电动舵机驱动装置最终需要装配到弹体中，故三相逆变桥式单元的实现方案是采用封装为PQFN-8的N-MOS管IRFH5301TRPBF，这款功率开关器件的漏级电流可高达100A，完全满足电动舵机的工作电流。考虑到该款功率开关器件的栅漏开启电压，并采用了栅极供给电压可达20V，封装为SOIC8的芯片IRS2003作为栅极驱动IC，利用IRS2003实现对功率开关器件N-MOS管IRFH5301TRPBF的导通与关断控制。
数据采集单元通过120度安装方式安装三个霍尔传感器AH3144E检测无刷直流电机(BLDC)的速度和位置信息；所述据存储单元选用容量为128Mb，可擦写次数高达10W多次的W25Q128芯片作为SPI FLSH存储；通信单元采用自定义包含针头针尾速度位置信息的数据通信协议。
如图2所示，为一种电动舵机驱动装置的控制板设计示意图，所述控制板包括SWD下载和仿真调试接口、W25Q128(SPI FLASH)存储单元、PWM输出接口、5V供电单元、STM32F103C8T6最小系统、霍尔(速度位置信息)传感器接口、USART串口通信接口。
所述SWD下载和仿真调试接口1用于提供Keil5程序软件的下载和仿真调试，使得线下能够在线实现功能和参数的调整以及电动舵机性能的检测；
所述W25Q128(SPI FLASH)存储单元2通过外部SPI Flash将电动舵机当前的速度信息和角度位置信息实时存储，使得数据能够掉电不丢失，便于进行数据分析和调试；
所述PWM输出接口3可将控制单元输出的方波驱动信号传递给隔离单元；所述5V和3.3V供电单元4可将外部电源转换成所需的两种电压供给各个对应需要用电的单元；
所述STM32F103C8T6最小系统5分别由晶振电路、复位电路、数模隔离电路等构成整个驱动装置的控制单元；
所述霍尔(速度位置信息)传感器接口6与数据采集单元的霍尔传感器ABC三路信号输出连接，并通过硬件滤波和上拉处理将信号传递给控制单元；
所述USART串口通信接口7构成通信单元，并采用自定义包含针头针尾速度位置信息的数据通信协议。通过自定义的USART串口通信协议，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的舵机速度信息和角度位置信息；
如图3所示，为一种电动舵机驱动装置的驱动板设计示意图，所述驱动板包括ST662A升压12V供给单元，隔离单元，三相逆变桥式单元。
所述12V升压供给单元8通过设计ST662A升压电路输出12V电压并供给连接至栅极驱动IC；
所述隔离单元9作为光耦隔离电路的主要组成部分，将幅值为3.3V的方波调制成5V的方波，以匹配栅极驱动IC的方波输入需求。通过光耦隔离电路实现控制单元输出的智能控制结果的信号隔离，用于防止三相逆变桥式单元的工作异常导致大电流信号反窜灌入控制单元，损毁整个控制单元和整个驱动装置；
所述三相逆变桥式单元10通过栅极驱动IC和功率开关器件实现三相桥式驱动的换流。考虑到电动舵机驱动装置最终需要装配到弹体中，故三相逆变桥式单元的实现方案是采用封装为PQFN-8的N-MOS管IRFH5301TRPBF，这里使用12片组成三相UVW全桥并且每相的上下半桥并联两片增强驱动能力。考虑到该款功率开关器件的栅漏开启电压Vgd，并采用了栅极供给电压可达20V，封装为SOIC8的芯片IRS2003作为栅极驱动IC，利用IRS2003实现对功率开关器件N-MOS管IRFH5301TRPBF的导通与关断控制。
如图4所示，为一种电动舵机驱动装置的数据采集单元设计示意图。所述数据采集单元包括11为三相霍尔传感器A，12为三相霍尔传感器B，13为霍尔检测板定位孔，14为三相霍尔传感器C。
所述传感器11，传感器B12，传感器C14。三相ABC霍尔传感器成120度安装在半径为40mm的圆形周边，组成六种检测状态，可在舵机旋转时候检测当前转子位置信息，通过连接控制板的霍尔(速度位置信息)传感器接口6传递给控制单元并进行数据处理和智能运算。
所述13为霍尔检测板定位孔用于安装霍尔检测板定位到定子绕组上，并使得边缘三相ABC霍尔传感器检测外转子的转动情况。
如图5所示，为一种电动舵机驱动装置的控制算法流程示意图。所述伺服系统控制器接收指令，按照预设定输出PWM给执行机构BLDC，带动舵机转动，并通过三相ABC霍尔传感器检测舵面位置和当前的BLDC转子位置信息和速度信息反馈到控制器中。控制器对电机输出端的实际转速进行比例积分调节，处理后可得到电机转动的位置反馈值送于输入端与给定的位置指令信号进行比较，将误差信号输入控制器后，得到相应的速度值，并将其作为速度环节的输入给定值，从而得到脉宽调制信号。通过霍尔传感器检测到电机的三个转子位置信号，然后经过控制器查询换相，将该霍尔信号与PWM信号一起送至三相桥式驱动单元，实现无刷直流电机的换相和调速功能。
如图6所示，为一种电动舵机驱动装置的速度环控制算法流程示意图。速度环用于限速功能，为了抑制积分饱和作用设计抗积分饱和的PI控制算法。速度环子程序中需要计算反馈速度，速度的计算需要利用STM32的定时器TIM3检测当前产生的脉冲数，利用M法测速公式可得当前速度值，这种方法仅适合用于BLDC中速或者高速，而当速度较慢时候，需要通过T法测速，即测量相邻的两个位置检测信号的时间来测得转速。
综上，本发明通过特定的霍尔检测板的安装情况采用六步换相双闭环控制策略设计一种电动舵机驱动装置，适用性强、安装简单且针对电动舵机进行器件选型和一体化设计，调试方便可靠；采用驱动控制组合设计，焊接和接线方便，装配简易可靠，抗电磁干扰；由于执行机构选用无刷直流电机且设计为极对数较多的定子绕组使得电动舵机驱动装置能够提高驱动负载能力、低速性能优、稳态误差低，能有效提供和保障导弹飞行轨迹变更时所需转向力矩，实现对电动舵机的精准控制，响应快速；本装置所有部件均经过反复测试和选型设计，降低成本，节省大量人力物力，经济效益好。

Claims (8)

1.一种电动舵机驱动装置，其特征在于：所述电动舵机采用三相无刷直流电机，该电动舵机驱动装置包括控制单元、电源供给单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，其中：
所述控制单元分别与通信单元和数据存储单元连接，并且控制单元的PWM输出端与隔离单元的输入端连接，所述隔离单元的输出端与三相逆变桥式单元的输入端连接，所述三相逆变桥式单元的输出端与三相无刷直流电机的输入端连接，所述三相无刷直流电机的输出端与数据采集单元的输入端连接，所述数据采集单元的输出端与控制单元的输入端连接；所述电源供给单元与其他各单元的电源接口连接。
2.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述控制单元采用STM32最小系统电路，其中包括晶振电路、数模隔离电路、复位电路、可编程指示灯电路，所述控制单元一方面模拟产生PWM信号用于控制三相无刷直流电机，另一方面接收三相无刷直流电机的速度、位置信息；
控制单元对电机输出端的实际转速进行比例积分调节，得到电机转动的位置反馈值送于控制单元的输入端，与给定的位置指令信号进行比较，将位置误差信号作为速度环节的输入给定值，从而得到PWM信号；控制单元根据数据采集单元检测到电机的三个转子位置信号进行查询换相，将该三个转子位置信号与PWM信号一起送至三相逆变桥式单元，实现三相无刷直流电机的换相和调速功能。
3.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述电源供给单元通过稳压和升压电路提供不同的电压给控制单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，并满足各个单元所需要的工作电压及功率。
4.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述隔离单元采用封装为SOIC8的HCPL2630芯片，两路输入方波信号接入隔离芯片两路阴极输入引脚，两路阳极输入管脚分别用220欧的电阻接3.3V电压上拉，将幅值为3.3V的两路方波输入信号调制成5V的方波输出信号，以匹配三相逆变桥式单元中栅极驱动IC的方波输入需求。
5.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述三相逆变桥式单元通过栅极驱动IC和功率开关器件实现三相桥式驱动的换流，三相逆变桥式单元采用12片IRF5301功率开关器件形成三路UVW上下桥臂，每个桥臂分别由两个功率开关器件并联组成，且上下桥臂控制信号分别利用220欧电阻连接至功率开关器件的栅极输入。
6.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述数据采集单元采用霍尔传感器，以120度安装方式安装于电机内定子绕组上方10mm，以检测无刷直流电机BLDC的速度和位置信息。
7.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述数据存储单元通过外部SPI Flash将电动舵机当前的速度信息和角度位置信息实时存储，用于进行数据分析和调试。
8.根据权利要求1所述的电动舵机驱动装置，其特征在于，所述通信单元通过USART串口通信协议，该协议包含针头针尾当前舵速度和当前舵角度信息，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的舵机速度信息和角度位置信息。
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