CN108762130A - 一种高度集成的直流伺服电动舵机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高度集成的直流伺服电动舵机控制方法及装置，所述装置包括控制电路和功率驱动电路，所述控制电路包括DSP处理器和A/D模块，所述功率驱动电路包括光耦、驱动芯片和H桥电路。所述方法包括步骤：实时接收4路舵面偏转角指令；采集实际的4路舵面偏转角度值；进行位置闭环控制运算；产生4路PWM信号和4路方向信号；光耦对PWM信号和方向信号进行隔离处理；经过隔离的PWM信号和方向信号输入驱动芯片；驱动芯片驱动H桥电路；从而驱动传动机构，实现舵面偏转。本发明解决了现有技术中存在的系统集成度低、控制精度不高、易受周围电路电磁干扰、体积臃肿、电路复杂程度较高以及系统整体可靠性较低等问题。

Description

一种高度集成的直流伺服电动舵机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及电动舵机技术领域，尤其涉及一种高度集成的直流伺服电动舵机控制方法及装置。

背景技术

在半导体技术快速迭代和自动控制理论不断进步的背景下，导弹武器系统正在向小型化、智能化、轻量化的方向发展。导弹舵机作为导弹控制系统的关键部件，其性能直接影响导弹的飞行姿态和航迹。因此，对其动态性能、体积、重量和可靠性等都提出了更高的要求。按照所使用能源的不同，导弹舵机可以分为气动舵机、液压舵机和电动舵机三种类型。其中，电动舵机因其能源单一、结构紧凑等优势，正逐步取代液压舵机和气动舵机。

典型的电动舵机系统通常由伺服电机、位置传感器、传动机构、舵机控制器等部分组成。直流伺服电机(直流电机)因其结构简单、调速特性好、易于控制等优点，在电动舵机系统中得到了广泛的应用。舵机控制器主要完成指令与反馈信号采集、位置闭环控制和功率驱动放大等功能。其中，功率驱动放大部分一般采用H桥电路，以实现直流电机的正反转控制。

传统的直流伺服电动舵机控制器多采用模拟控制电路实现位置闭环控制，存在系统集成度低、控制精度不高、易受周围电路电磁干扰等问题。另外，功率驱动放大部分通常采用分立式驱动电路，即每个功率管配置一套驱动电路，或者采用两片驱动芯片完成一路H桥的驱动，使得整个功率驱动放大电路的体积非常臃肿。同时，由于功率管的驱动电压一般远低于驱动供电电压，且控制电路与驱动电路之间一般需要电气隔离，因此需要额外设计直流电源变换电路提供驱动电源，从而增加了电路复杂程度，同时降低了电动舵机系统整体的可靠性。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高度集成的直流伺服电动舵机控制方法及装置，用以解决现有技术存在的系统集成度低、控制精度不高、易受周围电路电磁干扰、体积臃肿、电路复杂程度较高以及系统整体可靠性较低等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种高度集成的直流伺服电动舵机控制装置，包括：控制电路和4路功率驱动电路；所述4路功率驱动电路分别与4路直流伺服电动舵机的执行机构连接；

控制电路，包括DSP处理器，通过异步串行总线接口接收弹上计算机/上位机发送的4路舵面偏转角指令，通过A/D模块接收电动舵机执行机构处反馈的4路舵面偏转角度值，经处理得到4路PWM信号和4路方向信号；

4路功率驱动电路，接收所述的4路PWM信号和4路方向信号分别用于驱动4路直流伺服电动舵机的转速和转向；

功率驱动电路包括光耦、驱动芯片和H桥电路；

光耦接收控制电路输出的PWM信号和方向信号，输出隔离后的PWM信号和方向信号；

所述驱动芯片，接收隔离后的PWM信号和方向信号，并依据控制逻辑输出H桥驱动信号，驱动所述H桥电路，控制一路所述直流伺服电动舵机的转速和转向。

进一步地，所述驱动芯片，为所述光耦提供供电电源；所述PWM信号用于驱动H桥电路的下桥臂功率MOS管，所述方向信号用于驱动H桥电路的上桥臂功率MOS管。

具体的，所述控制逻辑包括：

当方向信号为高电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续高电平、上桥驱动信号2为持续低电平、下桥驱动信号1为持续低电平、下桥驱动信号2为放大后的PWM信号；

当方向信号为低电平时，所述驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的低电平、上桥驱动信号2为持续的高电平，下桥驱动信号1为放大后的PWM信号，下桥驱动信号2为持续的低电平。

本发明还提供了一种高度集成的直流伺服电动舵机控制方法，包括以下步骤：

步骤1、舵机控制装置的异步串行总线接口通过数字通信协议，实现DSP与弹上计算机/上位机高速数字交互，并实时接收4路舵面偏转角指令；

步骤2、由舵机执行机构上的位置传感器，采集实际的4路舵面偏转角度值，经调理电路处理后，进行模/数变换，并基于同步串行通信接口输入到控制电路的DSP中；

步骤3、DSP处理器基于接收到的舵面偏转指令和实际舵面偏转角度，进行位置闭环控制运算；

步骤4：基于DSP内部集成的PWM外设模块，产生4路PWM信号和4路方向信号；

步骤5：功率驱动电路，接收所述的4路PWM信号和4路方向信号，从而驱动传动机构，实现舵面偏转。

所述步骤5进一步包括以下步骤：

步骤5.1、所述功率驱动电路中光耦对PWM信号和方向信号进行隔离处理，并输出PWM信号和方向信号；

步骤5.2、经过隔离的PWM信号和方向信号输入驱动芯片；

步骤5.3、所述驱动芯片接收PWM信号和方向信号，并依据控制逻辑输出H桥驱动信号，从而驱动H桥电路；

步骤5.4、所述H桥电路作用于电动舵机执行机构的直流电机，从而驱动传动机构，实现舵面偏转。

进一步地，所述光耦供电电源由驱动芯片提供；所述驱动芯片只需要提供直流母线电压；所述PWM信号用于驱动H桥电路的下桥臂功率MOS管，方向信号用于驱动H桥电路的上桥臂功率MOS管。

具体的，控制逻辑包括：

当方向信号为高电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的高电平，上桥驱动信号2为持续的低电平，下桥驱动信号1出为持续的低电平，下桥驱动信号2为放大后的PWM信号；当方向信号为低电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的低电平，上桥驱动信号2为持续的高电平，下桥驱动信号1为放大后的PWM信号，下桥驱动信号2为持续的低电平。

上述方案的有益效果如下：

(1)以一片高性能DSP为核心，完成4路执行机构的位置闭环控制功能，并通过数字接口实现与弹上计算机/上位机的交互，将接收到的舵面偏转角指令，进行模/数变换，输入到控制电路中；提高了系统集成度和控制精度，且系统不易受周围电磁电路干扰。

(2)DSP输出的PWM控制信号直接驱动光耦，无需电平转换电路，既节省了空间，又减少了控制器的元器件数量。

(3)功率驱动电路由4路光耦、4片集成驱动芯片DRV8701和4路H桥组成。其中，1片DRV8701驱动一路H桥，且无需辅助电源和驱动电阻，减小了控制器的体积和重量。

(4)控制电路和功率驱动电路之间采用光耦实现电气隔离，且光耦的后端电源由驱动芯片内部的降压电路提供，无需额外的直流电源变换电路，简化了控制器电路，提高了控制器的可靠性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可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说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

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为本发明实施例所述装置的结构框图；

图2为本发明实施例所述功率驱动电源的原理框图；

图3为本发明实施例所述方法的流程示意图。

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，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，图1为本发明实施例所述装置的结构框图，一种高度集成的直流伺服电动舵机控制装置，

包括控制电路和4路功率驱动电路；所述4路功率驱动电路分别与4路直流伺服电动舵机的执行机构连接；其中，4路执行机构分别驱动导弹的4个舵面；

控制电路，包括DSP处理器，通过异步串行总线接口接收弹上计算机/上位机发送的4路舵面偏转角指令(指令为二进制格式的角度值)，通过A/D模块接收电动舵机执行机构反馈的4路舵面偏转角度值(数字量，二进制格式)，经处理得到4路PWM信号和4路方向信号；

具体的，上述DSP处理器包括CPU、SCI接口(异步串行通信接口)、SPI接口(同步串行通信接口)、12C接口(DSP内部集成的接口)以及PWM接口；

4路功率驱动电路，接收所述的4路PWM信号和4路方向信号分别用于驱动4路直流伺服电动舵机的转速和转向。

如图2所示，功率驱动电路包括光耦、驱动芯片和H桥电路；

光耦接收控制电路输出的PWM信号和方向信号，输出隔离后的PWM信号和方向信号；

驱动芯片，接收隔离后的PWM信号和方向信号，并依据控制逻辑输出H桥驱动信号，驱动所述H桥电路，控制一路所述直流伺服电动舵机的转速和转向。

进一步地，所述驱动芯片，为所述光耦提供供电电源；所述PWM信号用于驱动H桥电路的下桥臂功率MOS管，所述方向信号用于驱动H桥电路的上桥臂功率MOS管。

具体的，控制逻辑包括：

当方向信号为高电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续高电平，上桥驱动信号2为持续低电平，下桥驱动信号1为持续低电平，下桥驱动信号2为放大后的PWM信号；当方向信号为低电平时，所述驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的低电平，上桥驱动信号2为持续的高电平，下桥驱动信号1为放大后的PWM信号，下桥驱动信号2为持续的低电平。

具体的，上述驱动芯片型号为DRV8701(供电电源-VM(1脚)，5V电源-AVDD(7脚)，方向信号-PH(15脚)，PWM信号-EN(14脚)，上桥驱动1-GH1(17脚)，上桥驱动2-GH2(24脚)，下桥驱动1-GL1(19脚)，下桥驱动2-GL1(22脚))，上述光耦型号为HCPL0631。

如图3所示，图3为本发明实施例所述方法的流程示意图，具体方法可以包括如下步骤：

步骤S1、舵机控制装置的异步串行总线接口通过数字通信协议，如CAN、RS422/485、以太网等，实现DSP与弹上计算机/上位机高速数字交互，并实时接收4路舵面偏转角指令；

步骤S2、由舵机执行机构上的位置传感器，采集实际的4路舵面偏转角度值(模拟量)，经调理电路处理后，进行模/数变换，并基于同步串行通信接口输入到控制电路的DSP中；

步骤S3、DSP处理器基于接收到的舵面偏转指令和实际舵面偏转角度，进行位置闭环控制运算，其中，位置闭环控制运算可以包括：PID控制，结合前馈、数字滤波、非线性控制、参数自适应等控制算法；

步骤S4：基于DSP内部集成的PWM外设模块，产生4路PWM信号和4路方向信号；

步骤S5：功率驱动电路，接收所述的4路PWM信号和4路方向信号，从而驱动传动机构，实现舵面偏转。

所述步骤S5进一步包括以下步骤：

步骤S5.1、所述功率驱动电路中光耦对PWM信号和方向信号进行隔离处理，并输出PWM信号和方向信号；

步骤S5.2、经过隔离的PWM信号和方向信号输入驱动芯片；

步骤S5.3、所述驱动芯片接收PWM信号和方向信号，并依据控制逻辑输出H桥驱动信号，从而驱动H桥电路；

步骤S5.4、所述H桥电路作用于电动舵机执行机构的直流电机，从而驱动传动机构，实现舵面偏转。

进一步地，驱动芯片本身集成了LDO稳压器，可为光耦提供供电电源；所述驱动芯片只需要提供直流母线电压。

进一步地，所述PWM信号用于驱动H桥电路的下桥臂功率MOS管，方向信号用于驱动H桥电路的上桥臂功率MOS管。

具体的，控制逻辑包括：

当方向信号为高电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的高电平，上桥驱动信号2为持续的低电平，下桥驱动信号1出为持续的低电平，下桥驱动信号2为放大后的PWM信号；当方向信号为低电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的低电平，上桥驱动信号2为持续的高电平，下桥驱动信号1为放大后的PWM信号，下桥驱动信号2为持续的低电平。

至此，完成了高度集成的直流伺服电动舵机控制。

综上所述，本发明实施例提供了一种高度集成的直流伺服电动舵机控制方法及装置，解决了直流伺服电动舵机控制器存在的系统集成度低、控制精度不高、易受周围电路电磁干扰、体积臃肿、电路复杂程度较高以及系统整体可靠性较低等问题。

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 (10)

1.一种高度集成的直流伺服电动舵机控制装置，其特征在于，所述装置包括控制电路和4路功率驱动电路；所述4路功率驱动电路分别与4路直流伺服电动舵机的执行机构连接；

所述控制电路，包括DSP处理器，通过异步串行总线接口接收弹上计算机/上位机发送的4路舵面偏转角指令，通过A/D模块接收电动舵机执行机构反馈的4路舵面偏转角度值，经处理得到4路PWM信号和4路方向信号；

所述4路功率驱动电路，接收所述的4路PWM信号和4路方向信号分别用于驱动4路直流伺服电动舵机的转速和转向。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述功率驱动电路包括光耦、驱动芯片和H桥电路；

所述光耦，接收所述控制电路输出的PWM信号和方向信号，输出隔离后的PWM信号和方向信号；

所述驱动芯片，接收隔离后的PWM信号和方向信号，并依据控制逻辑输出H桥驱动信号，驱动所述H桥电路，控制一路所述直流伺服电动舵机的转速和转向。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述驱动芯片，为所述光耦提供供电电源；所述PWM信号用于驱动H桥电路的下桥臂功率MOS管，所述方向信号用于驱动H桥电路的上桥臂功率MOS管。

4.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述控制逻辑包括：

当方向信号为高电平时，所述驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续高电平，上桥驱动信号2为持续低电平，下桥驱动信号1为持续低电平，下桥驱动信号2为放大后的PWM信号；

当方向信号为低电平时，所述驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的低电平，上桥驱动信号2为持续的高电平，下桥驱动信号1为放大后的PWM信号，下桥驱动信号2为持续的低电平。

5.一种高度集成的直流伺服电动舵机控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、舵机控制装置的异步串行总线接口通过数字通信协议，实现DSP与弹上计算机/上位机高速数字交互，实时接收4路舵面偏转角指令；

步骤2、由舵机执行机构上的位置传感器，采集实际的4路舵面偏转角度值，经调理电路处理后，进行模/数变换，并基于同步串行通信接口输入到控制电路的DSP中；

步骤3、DSP处理器基于接收到的舵面偏转指令和实际舵面偏转角度，进行位置闭环控制运算；

步骤4：基于DSP内部集成的PWM外设模块，产生4路PWM信号和4路方向信号；

步骤5：功率驱动电路，接收所述的4路PWM信号和4路方向信号，从而驱动传动机构，实现舵面偏转。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括以下步骤：

步骤5.1、所述功率驱动电路中光耦对PWM信号和方向信号进行隔离处理，并输出PWM信号和方向信号；

步骤5.2、经过隔离的PWM信号和方向信号输入驱动芯片；

步骤5.3、所述驱动芯片接收PWM信号和方向信号，并依据控制逻辑输出H桥驱动信号，从而驱动H桥电路；

步骤5.4、所述H桥电路作用于电动舵机执行机构的直流电机，从而驱动传动机构，实现舵面偏转。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述光耦供电电源由所述驱动芯片提供。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述驱动芯片只需要提供直流母线电压。

9.根据权利要求6-8之一所述方法，其特征在于，所述PWM信号用于驱动H桥电路的下桥臂功率MOS管，所述方向信号用于驱动H桥电路的上桥臂功率MOS管。

10.根据权利要求6-8之一所述方法，其特征在于，所述控制逻辑包括：

当方向信号为高电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的高电平，上桥驱动信号2为持续的低电平，下桥驱动信号1出为持续的低电平，下桥驱动信号2为放大后的PWM信号；当方向信号为低电平时，驱动芯片输出的上桥驱动信号1为持续的低电平，上桥驱动信号2为持续的高电平，下桥驱动信号1为放大后的PWM信号，下桥驱动信号2为持续的低电平。