CN108111068A - 一种通用型舵机驱控一体装置 - Google Patents

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Abstract

一种通用型舵机驱控一体装置，包括本地控制器、桥电路、桥驱动电路、电荷泵及保护电路；所述本地控制器用于与外部综合控制中心进行数据交互，本地控制器根据外部综合控制中心的指令生成驱动信号，然后本地控制器将驱动信号输出给桥驱动电路；所述桥驱动电路为桥电路提供开通与关断信号；所述桥电路用于对有刷舵机或无刷舵机进行供电；所述电荷泵及保护电路位于桥驱动电路和桥电路之间，电荷泵及保护电路一方面用于抬升桥驱动电路的输出电压，一方面对电荷泵及保护电路及桥电路进行保护。

Description

一种通用型舵机驱控一体装置
技术领域
本发明涉及一种通用型舵机驱控一体装置，属于伺服控制技术领域。
背景技术
目前弹载舵机的控制及驱动装置，其执行机构主要是有刷舵加电位读角器的形式，控制端主要结合上游端综合控制器，通过全桥电路进行动力的控制进而达到驱动及控制的目的。纵观目前弹上综合电子系统的实施方式，常见于在弹载飞行控制器上进行功率电路的集成，后端通过电缆网中的长距离动力线、信号线进行动力与位置信息的传输，这种方式极大浪费非常有限的布局布线空间，同时大量长距离的大线径的动力线也占据了相当多的载荷质量。无刷舵机具有功率密度高，尺寸小，无电刷换相，寿命长稳定性高等特点，未来将取代有刷舵机成为舵机的首选。但无刷型舵机距离广泛应用依然需要经历相当长的过渡期，现有技术中尚未出现一种能够前后兼容与衔接的通用型驱控一体装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通用型舵机驱控一体装置，实现一个通用型的驱动与控制装置，不仅兼容各类舵机，同时能根据舵机功率的不同而实现尺寸、功耗与发热的均衡，同时在统一的芯线数中实现多种通讯交互端口的整合。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种通用型舵机驱控一体装置，包括本地控制器、桥电路、桥驱动电路、电荷泵及保护电路；
所述本地控制器用于与外部综合控制中心进行数据，本地控制器根据外部综合控制中心的指令生成驱动信号，然后本地控制器将驱动信号输出给桥驱动电路；
所述桥驱动电路为桥电路提供开通与关断信号；
所述桥电路用于对有刷舵机或无刷舵机进行供电；
所述电荷泵及保护电路位于桥驱动电路和桥电路之间，电荷泵及保护电路一方面用于抬升桥驱动电路的输出电压，一方面对电荷泵及保护电路及桥电路进行保护。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述桥电路包括三个桥臂，当三个桥臂同时使用能够对无刷舵机进行供电，当其中两个桥臂同时使用能够对有刷舵机机进行供电。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述电荷泵及保护电路的电荷泵功能通过陶瓷电容实现。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述电荷泵及保护电路的保护功能通过串入二极管与限流电阻实现。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述桥电路由六个MOSFET组成，上下相连的两个MOSFET组成桥电路的一相。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述通用型舵机驱控一体装置还包括位置传感器，位置传感器用于测量舵机的位置，位置传感器为电位计或光电编码器。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述通用型舵机驱控一体装置还包括霍尔式电流传感器、高精度AD采样电路，霍尔式电流传感器用于将舵机的电流转化为电压信号，高精度AD采样电路对上述电压信号进行采样然后输出给本地控制器。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述当舵机的工作电流超过阈值时，本地控制器能够控制桥电路切断舵机的动力输入，避免舵机及桥电路因过流损毁。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述与桥电路的不同桥臂相连接的桥驱动电路相互独立。
上述通用型舵机驱控一体装置，所述本地控制器的接口能够兼容PWM接口、PPM接口、CAN总线接口与RS422接口。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明的通用型舵机驱控一体装置在本地对舵机进行闭环控制，对外秩序保留整合后的多种通讯交互端口，给设备布局布线带来更大空间，同时电缆质量的减轻释放了相当一部分有效载荷；
(2)本发明的通用型舵机驱控一体装置具有通用型桥电路，兼容了一定范围内多种功率的有刷舵机和无刷舵机；
(3)本发明的通用型舵机驱控一体装置具备通用型桥驱动电路，能根据负载工况的不同而实现桥电路的均衡选通，使功耗与发热在有效控制的情况下趋于稳定；
(4)本发明的通用型舵机驱控一体装置具备通用型桥驱动电路，采用电荷泵升的方法，可一次性驱动一个桥臂，简化了电路实现，从而更加可靠；
(5)本发明的通用型舵机驱控一体装置，在相同的芯线数上，兼容了的四种通讯端口形式，其应用场景更加广泛；
(6)本发明的通用型舵机驱控一体装置，在相同的芯线数上，兼容了的电位计与光电编码器两类位置传感器，使得该装置的应用更加具有普适性；
(7)本发明的通用型舵机驱控一体装置，亦可单独作为驱动装置，从而兼容现有的电气系统整体方案。
附图说明
图1是本发明一种通用型舵机驱控一体装置的组成示意图；
图2是本发明一种通用型舵机驱控一体装置的桥电路原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明达到上述目的，且其特征和优势能够更加清晰易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而并非全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
一种通用型舵机驱控一体装置，既可以作为独立的驱动装置，也可以用于独立的驱动控制装置。一种通用型舵机驱控一体装置包括：本地控制器、桥电路、高精度AD采样电路、霍尔式电流传感器、桥驱动电路、电荷泵及保护电路、位置传感器；如图1所示。对于本发明通用型舵机驱控一体装置驱动的舵机可以是无刷舵机，也可以是有刷舵机；对于无刷舵机，采取三相桥进行驱动；对于有刷舵机，选取三相桥中的任意两相完成驱动。
其中位置传感器可以采用电位计，也可以采用光电编码器。采用电位计反馈舵机位置的方法，电位计测量的信号通过高精度AD采样电路后输入本地控制器的SPI接口，在本地控制器中得到舵机的实际位置；采用光电编码器测量舵机位置的方法，光电编码器直接将测量的信号输出给本地控制器中的正交解码器，正交解码器通过解码计数，获取舵机的实际位置。
本地控制器用于完成与外部综合控制中心的数据交互，同时根据外部综合控制中心的指令生成驱动信号，然后通过PWM输出端输出该驱动信号给桥驱动电路。本实施例中本地控制器采用dsPIC33EP512；本地控制器包括通讯交互接口、SPI接口、正交解码器、PWM输出端。通讯交互接口为整合了PWM、PPM、CAN总线与RS422四类接口标准的统一芯线的接口。通讯交互接口能够通过RS-422或者CAN总线与外部综合控制中心进行双向连接；通讯交互接口也能够通过PWM接口或者PPM接口单方向接收外部综合控制中心的指令。
通用型舵机驱控一体装置若通过PWM输入电路接收外部综合控制中心的控制指令，则通用型舵机驱控一体装置直接执行驱动任务；实际驱动信号经过PWM输出端进入桥驱动电路。
通用型舵机驱控一体装置若通过PPM接口接收上位机经过编码后的控制指令，则在本地控制器中完成控制指令的解码出实际驱动信号，实际驱动信号经过PWM输出端进入桥驱动电路。
桥电路的一端与舵机直连，桥电路的另一端与桥驱动电路相连；桥驱动电路用于为桥电路提供开通与关断信号。在桥驱动和桥电路之间还设置了电荷泵及保护电路，电荷泵电路用于抬升桥驱动电路的输出电压，电荷泵电路利用陶瓷电容两端电压不能瞬间突变的原理实现电压抬升驱动功能；保护电路用于解决电荷泵开通、关断的瞬间产生的高压问题，具体的，保护电路通过串入二极管与限流电阻降低电压抬升时的斜率，从而对电荷泵电路及桥电路进行保护。
在本发明中，桥电路为六个MOSFET组成一个三相全桥电路，六个MOSFET采用两两上下相连的连接方式，上下相连的两个MOSFET组成三相全桥电路的一相，本实施例中，MOSFET选用N型MOS管，如图2所示。为了叙述方便，三相桥分别A相、B相和C相。桥电路采用上桥臂N型MOS管+下桥臂N型MOS管的驱动方案，上桥臂的开启电压参考端与下端不同，在舵机工作时动力线输出端会产生与高压侧电源同量级的电压，动力线输出端即为每相动力线的上桥臂的源极与下桥臂的漏极之间。桥驱动电路的高输出信号不足以提供开启上桥臂N型MOS管的电平，需要采用电荷泵式电路将上桥臂的N型MOS管驱动信号抬升至开启电平。
通用型舵机驱控一体装置通过对桥电路中的A、B、C三相桥臂进行复用，能够实现兼容有刷舵机与无刷舵机的实施效果。
桥电路中A相、B相、C相桥电路均配备各自独立的桥驱动电路。本实施例中桥驱动电路的型号为ADuM4223，ADuM4223是一种内置变压器隔离型推挽输出型的栅极驱动芯片，可通过电荷泵电路实现低压电路驱动高压电路，内置有安全保护电路和报警设置；桥驱动电路ADuM4223的技术成熟、可靠性高，有利于提升通用型舵机驱控一体装置的整体可靠性。PWM输出端的驱动信号输出给桥驱动电路ADuM3223的高低输入端，每个桥驱动电路ADuM3223的内部产生两路高压驱动电平输出给桥电路。
桥驱动电路、电荷泵及保护电路、桥电路的具体电路为：对于桥电路的A相，桥驱动电路ADuM3223同时输出两个电平分别给电荷泵及保护电路、A相N型MOS管下桥臂的栅极；电荷泵及保护电路输出电平给A相N型MOS管上桥臂的栅极；A相N型MOS管上桥臂的源极和A相N型MOS管下桥臂的漏极相连，作为A相动力线的输出端；桥电路的B相和C相均与A相相同。针对无刷舵机，将A、B、C三相动力线的输出端分别与无刷舵机的对应端子相连；针对有刷舵机，在上述A、B、C三相中任选两相与有刷舵机的对应端子相连即可。
舵机的电流采集通过霍尔式电流传感器进行隔离采样，霍尔式电流传感器将舵机的电流转化为电压信号，然后霍尔式电流传感器将上述电压信号输出给高精度AD采样电路，高精度AD采样电路将采样后的信号发送给本地控制器的SPI接口后，在本地控制器中得到舵机的电流实测值。
高速高精度AD转换电路至少包括三路，其中一路用于舵机的位置检测，另外两路用于桥电路的电流检测(每个桥电路检测两相)。通过霍尔式电流传感器、高精度AD采样电路完成桥电路的电流检测，然后输出给本地控制器的SPI接口，本地控制器对桥电路的电流进行监测，当桥电路的电流超出阈值时，本地控制器启动过流保护机制，控制桥电路的上下桥臂断电，切断舵机的动力输入，防止舵机及桥电路因过流损毁。
对舵机工作电流进行高速高精度采样，完成电流环的闭环，对工作过程中可能发生的堵转等异常工作状态，通过电流监测触发保护及驱动电路对模组实施保护。
舵机的电流信号经由霍尔式电流传感器进行隔离采集，隔离电路共有两路，记为AI、BI两个通道，分别对应A、B两个桥臂的电流模拟量。当驱动无刷型舵机时，可以同时采样AI、BI两个通道的电流值，通过数学计算得到第三通道C的电流值。针对有刷电机，仅需测量一个桥臂的电流模拟量，而三个通道任选两个通道进行工作，其中必至少包含一个桥臂的电流模拟量。
驱控装置中，按照伺服控制系统连接关系进行电路连接，连接完成后通过上位机对驱控模组进行设置，配置正确的系统参数，其中包括：工作模式选择、信息接收端口选择、电机类型及额定参数、反馈模块的类型及各项控制参数。
本发明首先能够应对现有以及未来弹上电气系统的通用接口形式，能够兼容有刷舵机与无刷舵机，同时还可在保证功率密度的前提下，节约弹上空间。这一发明目前市场上尚无相关产品，它不仅能够最大限度地兼容弹载舵机的应用需求，同时还可在现在与未来弹上电子系统之间实现舵机驱动及控制的无缝衔接。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：包括本地控制器、桥电路、桥驱动电路、电荷泵及保护电路；
所述本地控制器用于与外部综合控制中心进行数据交互，本地控制器根据外部综合控制中心的指令生成驱动信号，然后本地控制器将驱动信号输出给桥驱动电路；
所述桥驱动电路为桥电路提供开通与关断信号；
所述桥电路用于对有刷舵机或无刷舵机进行供电；
所述电荷泵及保护电路位于桥驱动电路和桥电路之间，电荷泵及保护电路一方面用于抬升桥驱动电路的输出电压，一方面对电荷泵及保护电路及桥电路进行保护。
2.根据权利要求1所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述桥电路包括三个桥臂，当三个桥臂同时使用能够对无刷舵机进行供电，当其中两个桥臂同时使用能够对有刷舵机进行供电。
3.根据权利要求1所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述电荷泵及保护电路的电荷泵功能通过陶瓷电容实现。
4.根据权利要求1所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述电荷泵及保护电路的保护功能通过串入二极管与限流电阻实现。
5.根据权利要求1所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述桥电路为六个MOSFET组成的一个三相全桥电路，六个MOSFET采用两两上下相连的连接方式，上下相连的两个MOSFET组成三相全桥电路的一相。
6.根据权利要求1所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述通用型舵机驱控一体装置还包括位置传感器，位置传感器用于测量舵机的位置，位置传感器为电位计或光电编码器。
7.根据权利要求1所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述通用型舵机驱控一体装置还包括霍尔式电流传感器、高精度AD采样电路，霍尔式电流传感器用于将舵机的电流转化为电压信号，高精度AD采样电路对上述电压信号进行采样然后输出给本地控制器。
8.根据权利要求7所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述当舵机的工作电流超过阈值时，本地控制器能够控制桥电路切断舵机的动力输入，避免舵机及桥电路因过流损毁。
9.根据权利要求1～8之一所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述与桥电路的不同桥臂相连接的桥驱动电路相互独立。
10.根据权利要求1～8之一所述的一种通用型舵机驱控一体装置，其特征在于：所述本地控制器的接口能够兼容PWM接口、PPM接口、CAN总线接口与RS422接口。
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