CN109921694A - 一种舵机控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种舵机控制器，包括：主控模块，被配置为产生PWM波信号和使能信号；驱动模块，被配置为接收PWM波信号和使能信号，驱动外部舵机的电机转动；检测模块，被配置为采集外部舵机的电流信号，采集电机的转速信号和采集外部舵机的摇臂的位置信号，并把电流信号、转速信号、位置信号反馈给主控模块；其中，主控模块包括位置控制子模块、速度闭环控制子模块和电流闭环控制子模块；位置控制子模块包括位置闭环控制电路和位置前馈补偿器。本发明采用电流‑速度‑位置三闭环控制和位置前馈控制相结合的主控模块，能够有效地抑制干扰，消除稳态误差，提高系统的控制精度，工作稳定可靠。

Description

一种舵机控制器
技术领域
本发明属于控制装置技术领域，尤其涉及一种舵机控制器。
背景技术
舵机作为伺服系统的关键组成部分,在火箭、飞机、导弹等飞行器领域得到了广泛应用,随着电力电子技术的发展这些飞行器需要控制系统具有高可靠、高灵敏度、高精度等性能。
一般的舵机控制器由主控模块、驱动模块、无刷直流电机、检测模块和通信模块组成，在分析无刷直流电机时，现有的研究采用转速位置双闭环控制策略，通过进行仿真实验，当偏差产生时，控制器根据偏差进行反馈调节，从而消除干扰，继而提高舵机控制器的稳定性和响应速度。
但是，当干扰持续存在时，系统总是不可避免的存在稳态跟踪误差，从而影响控制器的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种舵机控制器，能够有效地抑制干扰，消除稳态误差，提高系统的控制精度，工作稳定可靠。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种舵机控制器，包括：
主控模块，被配置为产生PWM波信号和使能信号；
驱动模块，被配置为接收所述PWM波信号和使能信号，驱动外部舵机的电机转动；
检测模块，被配置为采集所述外部舵机的电流信号，采集所述电机的转速信号和采集所述外部舵机的摇臂的位置信号，并把所述电流信号、所述转速信号、所述位置信号反馈给所述主控模块；
其中，所述主控模块包括位置控制子模块、速度闭环控制子模块和电流闭环控制子模块；
所述位置控制子模块被配置为接收外部上位机发送的位置给定及所述检测模块发送的所述位置信号，对比所述位置给定与所述位置信号，以所述位置给定为准，对所述外部舵机的摇臂进行位置控制；所述位置控制子模块包括位置闭环控制电路和位置前馈补偿器；
所述速度闭环控制子模块被配置为以所述位置闭环控制电路的输出和所述位置前馈补偿器的输出之和作为转速给定，并接收所述检测模块发送的所述转速信号，对比所述转速给定与所述转速信号，以所述转速给定为准，对所述电机进行速度闭环控制；
所述电流闭环控制子模块被配置为以所述速度闭环控制子模块的输出作为电流给定，并接收所述检测模块发送的所述电流信号，对比所述电流给定与所述电流信号，以所述电流给定为准，对所述电机进行电流闭环控制。
根据本发明一实施例，所述主控模块包括DSP芯片和CPLD芯片，所述DSP芯片用于产生所述PWM波信号和所述使能信号；所述CPLD芯片用于对所述电机的控制信号和霍尔信号进行逻辑处理，产生控制所述驱动模块的开关相序。
根据本发明一实施例，所述DSP芯片采用TMS320F28377S型DSP。
根据本发明一实施例，所述驱动模块包括数字隔离电路和驱动器电路，所述驱动器电路包括功率管驱动电路；
所述数字隔离电路用于隔离所述PWM波信号和使能信号；所述驱动器电路用于接收所述使能信号，控制所述功率管驱动电路的正常工作，所述驱动器电路还用于接收所述PWM波信号，调节所述电机的输出电压。
根据本发明一实施例，所述驱动器电路采用内部集成全桥电路的DRV8313型驱动芯片。
根据本发明一实施例，所述检测模块包括电流检测单元、转速检测单元和位置检测单元；
所述电流检测单元用于采集所述外部舵机的电流信号，并把所述电流信号反馈给所述主控模块；所述转速检测单元用于采集所述电机的转速信号，并把所述转速信号反馈给所述主控模块；所述位置检测单元用于采集所述外部舵机的摇臂的位置信号，并把所述位置信号反馈给所述主控模块。
根据本发明一实施例，所述转速检测单元为所述外部舵机内部集成的霍尔传感器。
根据本发明一实施例，所述位置检测单元为旋转电涡流角位移传感器。
根据本发明一实施例，还包括通讯模块，用于所述主控模块与外部上位机的通信；所述通讯模块采用RS422异步串行通讯。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1)本发明一实施例中的舵机控制器，由于采用电流-速度-位置三闭环控制和位置前馈控制相结合的主控模块，能够有效地抑制干扰，消除稳态误差，提高系统的控制精度，工作稳定可靠。
2)本发明一实施例中的舵机控制器，其主控模块以DSP芯片为控制核心，辅以CPLD芯片，提高主控模块的灵活性，更好地实现对电机的PWM控制。
3)本发明一实施例中的舵机控制器，在驱动模块中设置了数字隔离电路，将主控模块与驱动器电路隔离，防止主控模块产生的PWM信号和使能信号相互干扰，提高舵机控制器的控制精度。
附图说明
图1为本发明一实施例中的舵机控制器的结构框图；
图2为本发明一实施例中的舵机控制器中的DSP芯片的集成电路图；
图3为本发明一实施例中的舵机控制器中的CPLD芯片的集成电路图；
图4为本发明一实施例中的舵机控制器中的数字隔离的电路图；
图5为本发明一实施例中的舵机控制器中的驱动器的电路图；
图6为本发明一实施例中的舵机控制器中的过流保护电路图；
图7为本发明一实施例中的舵机控制器中的电压调理电路图；
图8为本发明一实施例中的舵机控制器中的通讯模块的电路图；
图9为本发明一实施例中的舵机控制器中的无刷直流电机电路图；
图10为本发明一实施例中的舵机控制器中三闭环+前馈检测电路图。
附图标记说明：
1：主控模块；2：驱动模块；3：舵机；4：检测模块；5：通讯模块；6：上位机；7：电流控制器；8：转速控制器；9：位置控制器；10：位置前馈补偿器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种舵机控制器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
如图1所示，本发明提供的舵机控制器，包括：主控模块1，被配置为产生PWM波信号和使能信号；驱动模块2，被配置为接收PWM波信号和使能信号，驱动外部舵机3的电机转动；检测模块4，被配置为采集外部舵机3的电流信号，采集电机的转速信号和采集外部舵机3的摇臂的位置信号，并把电流信号、转速信号、位置信号反馈给主控模块1；其中，主控模块1包括位置控制子模块、速度闭环控制子模块(转速控制器8)和电流闭环控制子模块(电流控制器7)；位置控制子模块被配置为接收外部上位机6发送的位置给定及检测模块4发送的位置信号，对比位置给定与位置信号，以位置给定为准，对外部舵机3的摇臂进行位置控制；位置控制子模块包括位置闭环控制电路(位置控制器9)和位置前馈补偿器10；速度闭环控制子模块(转速控制器8)被配置为以位置闭环控制电路(位置控制器9)的输出和位置前馈补偿器10的输出之和作为转速给定，并接收检测模块4发送的转速信号，对比转速给定与转速信号，以转速给定为准，对电机进行速度闭环控制；电流闭环控制子模块(电流控制器7)被配置为以速度闭环控制子模块的输出作为电流给定，并接收检测模块4发送的电流信号，对比电流给定与电流信号，以电流给定为准，对电机进行电流闭环控制。
具体的，主控模块1由主控单元和辅助单元及其外围电路组成。主控单元为DSP控制器如图2所示，该主控单元为DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)控制器，选用TMS320F28377S型DSP，具有精度高、速度快、集成度高、功耗低等特点，具有强大的信号处理能力。其中运算速度能够达到200MHz，完全能满足控制器处理速度的要求。该DSP内部集成12路增强型PWM模块能够满足对电机的驱动；同时支持SCI(Serial CommunicationInterface，串行通信接口)、SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)及ECAN(EController Area Network，控制器局域网)通信，方便与其它设备进行通信。其外围电路包括电源电路和复位电路，其中电源电路采用TPS54395芯片，为主控单元提供工作电压。复位电路用于DSP芯片的上电复位，为常规电路，这里不对其结构进行具体的描述。
辅助单元为CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)处理器，如图3所示。该CPLD处理器选用Lattice公司生产的LC4128V芯片，具有128宏单元，可满足系统的需要。其中CPLD的主要功能是作为辅助控制器，提高主控模块的灵活性，对无刷直流电机控制信号和电机霍尔信号进行逻辑处理，产生控制功率管的开关相序，经过隔离单元输入驱动器中，从而实现对无刷直流电机的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制。另外，还进行相关保护的设计，如过流保护。
驱动模块2包括隔离单元和驱动单元，隔离单元衔接主控模块1和驱动单元，将主控模块与驱动单元隔离，驱动单元连接伺服舵机。如图4所示，隔离单元为数字隔离电路，该数字隔离电路由ISO7763和ISO7760及其外围电路组成的电路，数字隔离芯片采用5V供电，信号传输速率快，可达100Mbps，其中3个PWM控制信号和3个使能信号均为输出的正向信号，由ISO7760进行传输隔离。剩下的4路信号分别是2路正向信号(用于驱动芯片的复位和片选，即rest信号、sleep信号)和2路反向信号(故障反馈信号和比较信号)，这4路信号由ISO7763进行隔离。
如图5所示，驱动单元包括驱动器电路。该驱动器电路的功能是对主控模块1输出的使能信号进行功率放大，以驱动功率管工作。在直流调速系统中，主要使用可变电压调节速度，并结合单极性脉宽调制(PWM)原理，驱动无刷直流电机运行。通过改变PWM信号的宽度或占空比来调节电机电枢的输出电压，以实现平稳的电机速度调节。为了提高控制器的可靠性，本系统采用一款内部集成全桥电路的智能驱动芯片DRV8313，来实现对无刷直流电机的驱动。驱动芯片尺寸为9.8mm*6.6mm*1.2mm，便于实现小型化设计，工作电压范围为8V-60V，最大功耗仅为0.06W；芯片本身还集成了过流、欠压、过热等保护功能。
该驱动芯片DRV8313有10个信号与主控模块1连接，包括8组控制信号和两个异常信号。控制信号有三个PWM信号、三个EN使能信号、一个REST信号和一个SLEEP信号。两个异常信号为FAULT信号和COMPO信号。其中，PWM信号用于控制驱动芯片对应半桥的上管的关断和导通，下管的导通状态与对应的上管完全相反，以规避同一桥臂上、下管同时导通的问题。EN信号为使能信号，控制功率管驱动电路的正常工作。REST为复位输入，内部默认低电平，用于初始化内部逻辑，关断所有输出；要如果驱动芯片正常工作此REST引脚应设置为高电平。在调试电路时，为了排除前级电路对后级电路的影响，在驱动芯片的输入端加入了不影响驱动芯片工作的测试电阻。COMPN引脚为分压电路设置的阈值电压值2.3V，COMPP引脚用于测量无刷直流电机的母线电压，COMPO引脚输出的是过流保护信号，当COMPP>COMPN时，COMPO被设置为低电平，发光二极管6D2被点亮。FAULT作为故障信号输出引脚，当驱动芯片有故障发生时(如过流、过热、欠压)，FAULT引脚输出低电平。OUTU、OUTV、OUTW为无刷直流电机三相绕组的输入信号。
检测模块4包括电流检测单元、转速检测单元和位置检测单元。
其中，电流检测单元包括电流检测传感器，电流检测传感器连接驱动器电路，电流检测传感器发送的电流检测信号共分两路传输，其中一路电流检测信号经过电压调理电路处理后送到DSP内部集成的A/D转换模块，另一路电流检测信号经过流保护电路输出过流检测信号到CPLD，控制PWM信号的输出，过流保护电路如图6所示。
转速检测单元为舵机内部集成的霍尔传感器，霍尔传感器输出的电机霍尔信号送到主控单元进行处理。
位置检测单元采用旋转电涡流角位移传感器，如图1所示的RVIT。其长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响。该旋转电涡流角位移传感器可输出电压为0.5V到4.5V的连续模拟信号，经过电压调理电路送到DSP的AD采集模块，从而形成位置闭环控制。电压调理电路如图7所示。
通讯模块5包括串口通信电路，主控单元通过串口通信电路连接到上位机6，串口通信电路采用RS422异步串行通讯模式,实现主控模块1与上位机6之间的通信。串口通信电路如图8所示。
如图9所示为基于BLDCM创建的无刷直流电机的模型，图中系统的输入量U(s)为无刷直流电机的电枢电压，L为电枢回路电感，R为电枢回路电阻，在U(s)的作用下产生电枢电流Im(s),Im(s)产生转动力矩Te(s)，其中Cm为转矩常数，T为负载力矩，J为转动惯量，系统输出电机转速为ω(s)，同时产生反电势，Ce为反电势常数。转动惯量J计算公式为：
式中：Jm为自身转动惯量；J1为负载转动惯量；n为减速比。
基于BLDCM模型，该舵机控制器采用三闭环结构，即电流环、转速环、位置环，再加入位置前馈补偿转速，提高系统的控制精度。每个闭环都有相应的控制器控制，电流环由电流控制器7控制，转速环由转速控制器8控制，位置环由位置控制器9控制，当然，位置前馈转速补偿由位置前馈补偿器10控制。根据多闭环控制系统的设计规则，以电流环、转速环、位置环、前馈补偿的顺序设计舵机控制器。如图10所示，首先设计电流环，对差值电流ie，采用P(proportion，比例)控制，Ki为比例系数，经过电流控制器ACR输出无刷直流电机的控制电压ur使无刷直流电机输出电流iy；电流控制器的输出电压计算公式为：
ur＝Ki×(ig-iy)+R×ig
式中，ig为转速给定量，iy为无刷直流电机电流反馈量，Ki是电流环比例系数，R为电枢绕组电阻，ur是由单极性PWM波控制的电枢电压。
设计转速环时将电流环作为内环，无刷直流电机运转时不断校正转速得到转速环输出ig。对差值ωe转速采用P控制，比例系数为Kw；转速控制器的输出量计算公式为：
ig＝Kω×(ωg+ωq-ωy)
式中，ωg为位置控制器输出量，为ωq为前馈补偿器输出转速，ωf为当前舵机反馈量，Kω为比例系数。
同理设计位置环时，将转速环作为内环。转速环的输出ωy经过减速器，再经过积分器得到位置角度，再乘以系数得到系统的转动位置角θy。位置环作为系统最重要的一环，对系统的稳态特性尤为重要，因此对差值转动位置角θe采用PI(proportion-integral，比例-积分)控制，确定合适的比例积分常数，得到转速环的参考输入ωr。位置控制器的输出量计算公式为：
ωg＝Kpp×(θg-θy)+Kpt×θerror
式中ωg为位置控制器输出量，θg为位置给定量，θy为位置反馈量，θerror为位置误差积分量，Kpp为位置闭环比例系数，Kpt为位置误差积分系数。
最后，考虑系统的干扰信号设计前馈控制器对转速进行补偿，在前馈控制器的前向通路中设计微分器和比例环节，比例系数为Kf，得到前馈补偿器的补偿输出转速ωq。前馈补偿器的输出转速计算公式为：
ωq＝Kqd*Kqp×θg
式中，Kqd为前馈控制器微分系数，Kqp为前馈控制器比例系数。
下面简要介绍一下本发明舵机控制器的控制过程，具体如下：
位置控制子模块接收上位机6发送的位置给定，对比位置检测单元的位置反馈信号，如该位置反馈信号与位置给定存在偏差，则以位置给定为准，对舵机3的摇臂的位置进行位置闭环控制；然后，速度控制闭环子模块以位置闭环(位置控制器9)的输出和位置前馈补偿器10的输出之和作为转速给定，对比转速检测单元的转速反馈信号，如该转速反馈信号与转速给定存在偏差，则以转速给定为准，对无刷直流电机进行转速闭环控制；最后，电流闭环控制子模块以转速闭环(转速控制器8)的输出作为电流给定，对比电流检测单元的电流反馈信号，如该电流反馈信号与电流给定存在偏差，则以电流给定为准，对无刷直流电机进行电流闭环控制。电流闭环用于提高系统抗负载扰动能力，提高系统的动态响应速度。速度闭环用于提升抗负载扰动能力，抑制速度波动；位置闭环满足对位置指令的快速响应，在加入位置前馈补偿器之后，能够对位置反馈中的噪声进行抑制，进一步提高了系统的稳定性。主控模块1通过改变占空比输出PWM波，结合HALL状态在CPLD中进行换相逻辑运算，经驱动芯片处理后输出电机电枢控制电压，从而实现对无刷直流电机的PWM控制。
综上所述，本发明提供的舵机控制器，在硬件上多采用集成电路，电路设计简单可靠，同时还设计了隔离电路及电流保护电路极大的提高了舵机控制器的可靠性；在软件算法上采用电流-转速-位置三闭环控制结构，其中位置环采用了位置反馈+前馈补偿的复合控制算法使舵机控制器拥有很好的动静态性能，控制精度高，工作稳定可靠。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种舵机控制器，其特征在于，包括：
主控模块，被配置为产生PWM波信号和使能信号；
驱动模块，被配置为接收所述PWM波信号和使能信号，驱动外部舵机的电机转动；
检测模块，被配置为采集所述外部舵机的电流信号，采集所述电机的转速信号和采集所述外部舵机的摇臂的位置信号，并把所述电流信号、所述转速信号、所述位置信号反馈给所述主控模块；
其中，所述主控模块包括位置控制子模块、速度闭环控制子模块和电流闭环控制子模块；
所述位置控制子模块被配置为接收外部上位机发送的位置给定及所述检测模块发送的所述位置信号，对比所述位置给定与所述位置信号，以所述位置给定为准，对所述外部舵机的摇臂进行位置控制；所述位置控制子模块包括位置闭环控制电路和位置前馈补偿器；
所述速度闭环控制子模块被配置为以所述位置闭环控制电路的输出和所述位置前馈补偿器的输出之和作为转速给定，并接收所述检测模块发送的所述转速信号，对比所述转速给定与所述转速信号，以所述转速给定为准，对所述电机进行速度闭环控制；
所述电流闭环控制子模块被配置为以所述速度闭环控制子模块的输出作为电流给定，并接收所述检测模块发送的所述电流信号，对比所述电流给定与所述电流信号，以所述电流给定为准，对所述电机进行电流闭环控制。
2.如权利要求1所述的舵机控制器，其特征在于，所述主控模块包括DSP芯片和CPLD芯片，所述DSP芯片用于产生所述PWM波信号和所述使能信号；所述CPLD芯片用于对所述电机的控制信号和霍尔信号进行逻辑处理，产生控制所述驱动模块的开关相序。
3.如权利要求2所述的舵机控制器，其特征在于，所述DSP芯片采用TMS320F28377S型DSP。
4.如权利要求1所述的舵机控制器，其特征在于，所述驱动模块包括数字隔离电路和驱动器电路，所述驱动器电路包括功率管驱动电路；
所述数字隔离电路用于隔离所述PWM波信号和使能信号；所述驱动器电路用于接收所述使能信号，控制所述功率管驱动电路的正常工作，所述驱动器电路还用于接收所述PWM波信号，调节所述电机的输出电压。
5.如权利要4所述的舵机控制器，其特征在于，所述驱动器电路采用内部集成全桥电路的DRV8313型驱动芯片。
6.如权利要求1所述的舵机控制器，其特征在于，所述检测模块包括电流检测单元、转速检测单元和位置检测单元；
所述电流检测单元用于采集所述外部舵机的电流信号，并把所述电流信号反馈给所述主控模块；所述转速检测单元用于采集所述电机的转速信号，并把所述转速信号反馈给所述主控模块；所述位置检测单元用于采集所述外部舵机的摇臂的位置信号，并把所述位置信号反馈给所述主控模块。
7.如权利要求6所述的舵机控制器，其特征在于，所述转速检测单元为所述外部舵机内部集成的霍尔传感器。
8.如权利要求6所述的舵机控制器，其特征在于，所述位置检测单元为旋转电涡流角位移传感器。
9.如权利要求1所述的舵机控制器，其特征在于，还包括通讯模块，用于所述主控模块与外部上位机的通信；所述通讯模块采用RS422异步串行通讯。
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