CN108646632A - 一种舵伺服系统驱动控制电路及控制方法 - Google Patents

一种舵伺服系统驱动控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种舵伺服系统驱动控制电路及其控制方法；其电路包括控制电路、逻辑电路、驱动电路以及控制信号接口；控制电路第一输入端与控制信号接口连接，控制电路第二输入端与被控制的舵伺服系统电动伺服机构反馈接口连接；逻辑电路输入端与控制电路输出端连接；驱动电路输入端与逻辑电路输出端连接，输出端用于连接电动伺服机构；控制信号接口接入位置控制电压信号、位置反馈电压信号及速度反馈信号；控制电路根据从控制信号接口接收的信号生成方向控制信号、方向信号和使能信号；逻辑电路根据方向控制信号、方向信号和使能信号进行逻辑运算生成开关控制信号；驱动电路根据开关控制信号驱动电动伺服机构偏转，形成位置闭环控制；具有尺寸小、驱动功耗低的特点。

Description

一种舵伺服系统驱动控制电路及控制方法
技术领域
本发明属于机电控制技术领域，更具体地，涉及一种舵伺服系统驱动控制电路及控制方法。
背景技术
随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展阶段，对舵伺服驱动器的功耗、体积、成本的要求也不断提高。
目前，国内绝大多数舵伺服系统采用光耦驱动设计技术，这类设计方案可实现对PWM脉宽波形进行100％调制，但需要上桥臂的每个光耦进行单独供电，增加了电源模块的数量并且增加了产品驱动控制功耗，极大增加了设计成本。这是舵伺服系统光耦驱动方案的固有缺陷，很难得到有效解决。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低功耗、小体积、低成本的舵伺服系统驱动控制电路及控制方法。
为实现本发明目的，提供了一种舵伺服系统驱动控制电路，包括控制电路、逻辑电路、驱动电路、控制信号接口；控制电路的第一输入端与控制信号接口连接，控制电路的第二输入端与被控制的舵伺服系统电动伺服机构的反馈接口连接；逻辑电路的输入端与控制电路的输出端连接；驱动电路的输入端与逻辑电路的输出端连接；驱动电路的输出端用于连接电动伺服机构；
其中，控制信号接口用于接入位置控制电压信号、位置反馈电压信号及速度反馈信号；控制电路用于根据从控制信号接口接收到的信号生成方向控制信号、方向信号和使能信号；
逻辑电路用于根据接收的方向控制信号、方向信号和使能信号进行逻辑运算生成开关控制信号；
驱动电路用于根据上述开关控制信号驱动电动伺服机构偏转，由此形成位置闭环控制；
优选的，上述舵伺服系统驱动控制电路，其逻辑电路包括集成驱动芯片D1、定时器D2、第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、稳压二极管V4、第一电容C1、第二电容C2、自举电容C3、第四电容C4、升压电容C5、第六电容C6、第一可调电阻R1、第二电阻R2；
其中，第一可调电阻R1的一端通过第二电容C2与第四电容C4连接，第一可调电阻R1的另一端通过升压电容C5与第三二极管V3的阳极连接，第三二极管V3与集成驱动芯片D1连接；第二二极管V2、稳压二极管V4、第四电容C4并联后与电动伺服机构的U相连接，第二二极管V2的阴极连接至所述升压电容C5，稳压二极管V4的阳极通过第二电阻R2接地；第一二极管V1的阳极与电源+15V连接，阴极与第三二极管V3的阴极连接；集成驱动控制电路D1与第一电容C1、第六电容C6并联后接+15V，另一端接地；自举电容C3一端与D1连接，另一端与电动伺服机构的U相连接；集成驱动芯片D1的输入端与控制电路连接。
优选的，上述舵伺服系统驱动控制电路，还包括用于给的集成驱动芯片D1供电的充电泵电路。
为实现本发明目的，本发明还提供了一种舵伺服系统的控制方法，包括下述步骤：
(1)通过RS422通讯接口接收伺服系统的位置参考值、位置反馈信号和速度反馈信号并进行比例积分运算处理获得误差控制量；
(2)判断上述误差控制量是否为正，若是，则进入步骤(3)；若否则进入步骤(4)；
(3)将输入信号方向控制信号、方向信号和使能信号通过逻辑电路进行运算，生成开关控制信号以驱动伺服机构逆时针偏转；
(4)将输入信号方向控制信号、方向信号和使能信号通过逻辑电路进行运算，生成开关控制信号以驱动伺服机构顺时针偏转；
(5)根据位置参考值判断伺服系统是否到达当前位置，若是则控制量输出为零；若否则返回至步骤(1)重新计算误差控制量。
优选地，上述舵伺服系统的控制方法中，步骤(1)中进行比例积分运算处理的方法具体如下：
根据公式进行比例积分运算处理；
其中，u(k)为误差控制量，Kp为比例系数；Kd为速度误差系数；e(k)为位置参考与位置反馈的误差，speedref为参考速度反馈值，speedact为实际速度反馈值，为误差积分环节，e(i)为积分量，Ki为积分系数，i是指积分变量，k是指积分总次数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的舵伺服集成驱动控制电路，采用集成驱动芯片进行设计，只需一路电源供电即可，与传统舵伺服取得系统相比具有功耗低、体积小、成本低等特点。本发明针对舵伺服驱动控制电路设计满足要求的充电泵电路，以解决由于上桥臂导通时供电电源无法通过二极管对自举电容进行充电以维持高端功率管导通的问题，实现了100％脉宽调制。
附图说明
图1是本发明提供的舵伺服系统驱动控制电路的实施例的功能框图；
图2是本发明提供的舵伺服系统驱动控制电路的实施例中控制信号流向示意图；
图3是实施例提供的舵伺服系统驱动控制电路的示意图之一；
图4是实施例提供的舵伺服系统驱动控制电路的示意图之二；
图5是本发明实施例提供的舵伺服系统控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的舵伺服系统驱动控制电路及其控制方法，将系统给定信号和位置反馈信号经过数字信号处理后产生方向控制信号、方向信号和使能信号，经逻辑电路进行运算后，生成开关控制信号以驱动伺服机构逆时针偏转；由位置传感器产生的位置信号反馈到控制电路形成舵机位置控制环；电机霍尔信号则被用于计算电机速度反馈信号，从而实现舵伺服系统的转速闭环控制。
参照图1～4，是本发明提供的舵伺服系统驱动控制电路的实施例；该取得包括控制电路、逻辑电路、驱动电路、控制信号接口；控制电路的第一输入端与控制信号接口连接，控制电路的第二输入端与被控制的舵伺服系统电动伺服机构的反馈接口连接；逻辑电路的输入端与控制电路的输出端连接；驱动电路的输入端与逻辑电路的输出端连接；驱动电路的输出端用于连接电动伺服机构；
其中，控制电路用于根据从控制信号接口接收到的系统给定信号和位置反馈信号生成方向控制信号、方向信号和使能信号；
逻辑电路用于根据接收的方向控制信号、方向信号和使能信号进行逻辑运算生成开关控制信号；
驱动电路用于根据上述开关控制信号驱动电动伺服机构偏转；
控制信号接口用于接入接收位置控制电压信号、位置反馈电压信号及速度反馈信号；控制电路1通过控制信号接口5的RS422接口接收位置控制电压信号，并与位置反馈电压信号及速度反馈信号经控制算法处理后产生控制量，经驱动器输出给舵伺服机构4，从而完成位置闭环控制。
实施例中，逻辑电路参照图3，包括集成驱动芯片D1、定时器D2、第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、稳压二极管V4、第一电容C1、第二电容C2、自举电容C3、第四电容C4、升压电容C5、第六电容C6、第一可调电阻R1、第二电阻R2；
其中，第一可调电阻R1的一端通过第二电容C2与第四电容C4连接，第一可调电阻R1的另一端通过升压电容C5与第三二极管V3的阳极连接，第三二极管V3与集成驱动芯片D1连接；第二二极管V2、稳压二极管V4、第四电容C4并联后与电动伺服机构的U相连接，第二二极管V2的阴极连接至所述升压电容C5，稳压二极管V4的阳极通过第二电阻R2接地；第一二极管V1的阳极与电源+15V连接，阴极与第三二极管V3的阴极连接；集成驱动控制电路D1与第一电容C1、第六电容C6并联后接+15V，另一端接地；自举电容C3一端与D1连接，另一端与电动伺服机构的U相连接；集成驱动芯片D1的输入端与控制电路连接，驱动控制电路的输出端与电动伺服机构连接。
基于上述驱动电路，实施例提供的舵伺服系统的控制方法，包括下述步骤：
(1)通过RS422通讯接口接收位置参考值、位置反馈信号和速度反馈信号并对其进行比例积分运算处理获得误差控制量；
(2)判断上述误差控制量是否为正，若是，则进入步骤(3)；若否则进入步骤(4)；
(3)PWM、DIR、EN等输入信号经逻辑电路进行运算，输出开关控制信号，驱动伺服机构逆时针偏转；
(4)PWM、DIR、EN等输入信号经逻辑电路进行运算，输出开关控制信号，驱动伺服机构顺时针偏转；
(5)根据位置参考值判断伺服机构是否到达当前位置，若是则控制量输出为零；若否则返回至步骤(1)重新计算误差控制量。
步骤(1)中进行比例积分运算处理的方法具体如下：
根据公式进行比例积分运算处理；
其中，u(k)为误差控制量，Kp为比例系数；Kd为速度误差系数；e(k)为位置参考与位置反馈的误差，speedref为参考速度反馈值，speedact为实际速度反馈值，为误差积分环节，e(i)为积分量，Ki为积分系数，i是指积分变量，k是指积分总次数。
上述的这种控制方法采用的PID控制算法具有控制精度高、采用正弦波信号进行控制，保证了舵伺服机构运行的平稳性。可采用软件实现大部分硬件的功能，做到硬件功能的软件化，增加了系统的灵活性。并且可以在电路硬件不作大的调整情况下，通过修改软件的方法完成上述功能，从而大大缩短电路的研发周期。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的舵伺服系统驱动控制电路及其控制方法，现参照图1-图4并结合具体实例详述如下。
实施例中，控制电路采用DSP数字信号处理器TMS320F28335为处理单元，接收RS422通讯接口位置参考值与位置反馈信号及速度反馈信号进行运算，产生误差控制量。并通过误差值对舵机需要旋转方向进行判断，控制电路产生控制指令、方向信号及使能信号给逻辑电路进行逻辑运算。通过逻辑电路产生6路开关信号，给驱动电路进行功率放大，以驱动舵机按控制指令进行偏转。电机经过减速器带动输出轴和位置传感器运动，同时位置传感器提取位置信号反馈到控制器，形成舵机位置控制环。
参照图3～4是实施例中的驱动电路示意图；以下结合附图及实施例具体阐述原理如下：当高端MOS管V5关断时，系统电源(+15V)经快恢复二极管V1对自举电容C3进行充电；当高端MOS管V5导通时，其源极VS相应地浮动为高端电源，二极管V1充电回路被阻断，无法靠系统电源对自举电容C3充电。为维持高端功率管V5导通，自举电容C3进行放电，当降低至一定程度时便无法驱动高端功率管V5。但由于充电泵电路的存在，当高端功率管V5导通时，三相桥上的大电流经功率管V5的源极VS被引入到充电泵电路，依次经过稳压管V4、功率电阻R2至地，形成一个电流回路。此时定时器开始工作，经充电泵电路中的升压电容C5及二极管V2、V3处理后，变换为+15V电压对自举电容C3进行充电。
本发明提供的舵伺服集成驱动控制电路与传统舵伺服系统相比，本发明实施例采用了集成驱动、充电泵电路设计技术等，减少电源供电数量，简化复杂电路设计。舵伺服驱动控制电路采用充电泵电路设计，达到伺服驱动器的100％调制要求，从而使该系统具有了具有功耗低、体积小、成本低等特点。
图5示出了本发明实施例提供的舵伺服系统控制方法的实现流程；实施例中，控制电路采用的DSP数字信号处理器采用CCS5.1软件开发平台。控制软件首先对EV事件管理器、RS422通讯、相关GPIO及定时器等初始化。初始化完成后，DSP数字信号处理器接收RS422通讯接口位置参考值与位置反馈信号及速度反馈信号进行运算，产生误差控制量。通过误差值对舵机需要旋转方向进行判断，控制电路根据误差量做出运算并输出10KHz～30KHz的PWM信号。逻辑电路将PWM控制信号、DIR方向信号及EN信号调制成幅值和相位满足要求的6路开关信号输出，通过驱动电路对控制信号进行功率放大驱动舵伺服机构进行偏转。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种舵伺服系统驱动控制电路，其特征在于，包括控制电路、逻辑电路、驱动电路以及控制信号接口；
所述控制电路的第一输入端与控制信号接口连接，控制电路的第二输入端与被控制的舵伺服系统电动伺服机构的反馈接口连接；逻辑电路的输入端与控制电路的输出端连接；驱动电路的输入端与逻辑电路的输出端连接；驱动电路的输出端用于连接电动伺服机构；
所述控制信号接口用于接入位置控制电压信号、位置反馈电压信号及速度反馈信号；控制电路用于根据从控制信号接口接收到的信号生成方向控制信号、方向信号和使能信号；逻辑电路用于根据接收的方向控制信号、方向信号和使能信号进行逻辑运算生成开关控制信号；驱动电路用于根据所述开关控制信号驱动电动伺服机构偏转，由此形成位置闭环控制。
2.如权利要求1所述的舵伺服系统驱动控制电路，其特征在于，所述逻辑电路包括集成驱动芯片D1、定时器D2、第一二极管V1、第二二极管V2、第三二极管V3、稳压二极管V4、第一电容C1、第二电容C2、自举电容C3、第四电容C4、升压电容C5、第六电容C6、第一可调电阻R1、第二电阻R2；
所述第一可调电阻R1的一端通过第二电容C2与第四电容C4连接，第一可调电阻R1的另一端通过升压电容C5与第三二极管V3的阳极连接，第三二极管V3与集成驱动芯片D1连接；第二二极管V2、稳压二极管V4、第四电容C4并联后与电动伺服机构的U相连接，第二二极管V2的阴极连接至所述升压电容C5，稳压二极管V4的阳极通过第二电阻R2接地；第一二极管V1的阳极与电源+15V连接，阴极与第三二极管V3的阴极连接；集成驱动控制电路D1与第一电容C1、第六电容C6并联后接+15V，另一端接地；自举电容C3一端与D1连接，另一端用于连接电动伺服机构的U相；集成驱动芯片D1的输入端与控制电路连接。
3.如权利要求2所述的舵伺服系统驱动控制电路，其特征在于，还包括用于给的集成驱动芯片D1供电的充电泵电路。
4.一种舵伺服系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通过RS422通讯接口接收伺服系统的位置参考值、位置反馈信号和速度反馈信号并进行比例积分运算处理获得误差控制量；
(2)判断上述误差控制量是否为正，若是，则进入步骤(3)；若否则进入步骤(4)；
(3)将输入信号方向控制信号、方向信号和使能信号通过逻辑电路进行运算，生成开关控制信号以驱动伺服机构逆时针偏转；
(4)将输入信号方向控制信号、方向信号和使能信号通过逻辑电路进行运算，生成开关控制信号以驱动伺服机构顺时针偏转；
(5)根据位置参考值判断伺服系统是否到达当前位置，若是则控制量输出为零；若否则返回至步骤(1)重新计算误差控制量。
5.如权利要求4所述的舵伺服系统的控制方法，其特征在于，步骤(1)中进行比例积分运算处理的方法具体如下：
根据公式进行比例积分运算处理；
其中，u(k)为误差控制量，Kp为比例系数；Kd为速度误差系数；e(k)为位置参考与位置反馈的误差，speedref为参考速度反馈值，speedact为实际速度反馈值，为误差积分环节，e(i)为积分量，Ki为积分系数，i是指积分变量，k是指积分总次数。
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