CN110901895A - 一种无人机舵机控制驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机舵机控制驱动系统，包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；控制模块、功率驱动模块、舵执行机构顺序电性连接，构成闭环；控制模块通过CAN总线与飞控系统连接；控制模块还连接有电源转换模块，电源转换模块连接有28V电源A；功率驱动模块连接有28V电源B；舵执行机构采用无刷直流电机驱动、滚珠丝杠副减速设计；无人机舵机控制驱动系统接收来自飞控系统的控制指令，控制相应的翼舵面动作，实现固定翼无人机的飞行控制；本发明的无人机舵机控制驱动系统具有体积小、重量轻、驱动力矩大、连续工作时间长、稳定可靠的优点，填补了国内固定翼无人机舵机控制驱动系统商用产品的空白，为民用固定翼无人机产品的发展奠定了良好的基础。

Description

一种无人机舵机控制驱动系统

技术领域

本发明涉及无人机舵机控制驱动技术领域，具体涉及一种无人机舵机控制驱动系统。

背景技术

现有民用无人机大多为多旋翼结构，多旋翼无人机机械结构简单，控制相对容易，但存在速度慢、承载能力小、续航时间短的缺点，对某些需要较快航速、较大承载能力、长时间续航的民用领域则无法胜任；而对于固定翼无人机，其飞行姿态控制是通过机翼副翼、垂直尾翼、水平尾翼的动作实现，而机翼副翼、垂直尾翼、水平尾翼的动作需通过舵机控制，因此无人机舵机控制驱动系统是固定翼无人机的关键子系统，但因其开发难度较高，目前市场上尚无固定翼无人机舵机控制驱动系统的商用产品，因此影响了民用固定翼无人机产品的发展。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种无人机舵机控制驱动系统，包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构顺序电性连接，构成闭环；所述控制模块通过CAN总线与飞控系统连接；所述控制模块还电性连接有电源转换模块，电源转换模块电性连接有28V电源A；所述功率驱动模块还电性连接有28V电源B；舵执行机构采用无刷直流电机驱动、滚珠丝杠副减速设计；无人机舵机控制驱动系统接收来自飞控系统的控制指令，控制相应的翼舵面动作，实现固定翼无人机的飞行姿态控制。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种无人机舵机控制驱动系统，包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构顺序通过电缆连接，构成闭环；所述控制模块通过CAN总线电缆与飞控系统连接；所述控制模块还通过电缆连接有电源转换模块，电源转换模块通过电缆连接有28V电源A；所述功率驱动模块通过电缆连接有28V电源B；控制模块、功率驱动模块分别连接独立的28V电源。

进一步的，所述控制模块包括DSP、CAN通信接口电路、总线驱动器、角度解码电路、差分接收电路；所述DSP为控制模块核心，其包括电源接口、通信接口、PWM接口、数据收发接口；电源接口与电源转换模块通过电缆连接；通信接口与CAN通信接口电路通过PCB板导线连接，CAN通信接口电路与飞控系统通过CAN总线电缆连接；PWM接口与总线驱动器通过PCB板导线连接；数据收发接口与角度解码电路、差分接收电路通过PCB板导线依次连接，差分接收电路与舵执行机构通过电缆连接。

进一步的，所述功率驱动模块包括光隔离耦合电路、逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路、逆变电路；隔离耦合电路、逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路、逆变电路位于同一块PCB板上，其中隔离耦合电路、逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路共地，逆变电路为独立地；所述光隔离耦合电路、逻辑综合电路、驱动电路、逆变电路通过PCB板导线顺序连接，过流保护电路与逻辑综合电路通过PCB板导线连接；所述光隔离耦合电路通过电缆与控制模块的总线驱动器连接。

进一步的，所述舵执行机构包括作动器、角度传感器；所述作动器为小型直线电动舵机，其包括无刷直流电机、减速锥齿轮副、滚珠丝杠副、作动杆； 所述无刷直流电机的输出轴通过减速锥齿轮副与滚珠丝杠副的滚珠丝杠转动连接；滚珠丝杠副的滚珠螺母与作动杆固定连接；所述角度传感器分离固定设置在滚珠丝杠副的滚珠丝杠上端部；所述无刷直流电机通过电缆与功率驱动模块的逆变电路连接；所述角度传感器通过电缆与控制模块的差分接收电路连接。

进一步的，所述控制模块还包括驱动电源检测电路，驱动电源检测电路分别与控制模块的DSP通过PCB板导线连接，与功率驱动模块的逆变电路通过电缆连接。

进一步的，所述DSP内置舵机控制功能模块，舵机控制功能模块包括初始化模块、找零模块、功率电压判断模块、上电自检模块、数据采集模块、通信模块、定时中断模块、控制算法模块；当控制模块上电时，自动运行进入舵机控制功能模块，舵机控制功能模块执行主循环、定时中断，在主循环中执行通信模块、定时中断模块；当定时中断模块执行时，选择调用功率电压判断模块、上电自检模块、找零模块、数据采集模块、控制算法模块。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种无人机舵机控制驱动系统，包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构顺序电性连接，构成闭环；所述控制模块通过CAN总线与飞控系统连接；所述控制模块还电性连接有电源转换模块，电源转换模块电性连接有28V电源A；所述功率驱动模块还电性连接有28V电源B；舵执行机构采用无刷直流电机驱动、滚珠丝杠副减速设计；无人机舵机控制驱动系统接收来自飞控系统的控制指令，控制相应的翼舵面动作，实现固定翼无人机的飞行姿态控制；本发明的无人机舵机控制驱动系统具有体积小、重量轻、驱动力矩大、连续工作时间长、稳定可靠的优点，填补了国内固定翼无人机舵机控制驱动系统商用产品的空白，为民用固定翼无人机产品的发展奠定了良好的基础。

附图说明

图1为无人机舵机控制驱动系统结构框图；

图2为无人机舵机控制驱动系统功能模块示意框图；

图3为作动器结构示意图；

图4为舵机控制功能模块运行流程图。

图中：1、无刷直流电机；2、减速锥齿轮副、3、滚珠丝杠副；4、作动杆；5、角度传感器。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种无人机舵机控制驱动系统，一种无人机舵机控制驱动系统，包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构顺序通过电缆连接，构成闭环；所述控制模块通过CAN总线电缆与飞控系统连接；所述控制模块还通过电缆连接有电源转换模块，电源转换模块通过电缆连接有28V电源A；所述功率驱动模块通过电缆连接有28V电源B；其中控制模块、功率驱动模块分别连接不同的28V电源，是因为功率驱动模块工作时电流较大、且会产生较大的谐波干扰，为防止对控制模块产生不良影响，将控制模块、功率驱动模块采用两组28V电源驱动；另外，控制模块、功率驱动模块分别封装在两个独立的金属盒中，以进行电磁隔离，防止功率驱动模块对控制模块产生干扰。

所述控制模块包括DSP、CAN通信接口电路、总线驱动器、角度解码电路、差分接收电路；所述DSP为控制模块核心，其包括电源接口、通信接口、PWM接口、数据收发接口；电源接口与电源转换模块通过电缆连接；通信接口与CAN通信接口电路通过PCB板导线连接，CAN通信接口电路与飞控系统通过电缆连接；PWM接口与总线驱动器通过PCB板导线连接；数据收发接口与角度解码电路、差分接收电路通过PCB板导线依次连接，差分接收电路与舵执行机构通过电缆连接；

其中DSP选用TMS320F2812，其外围电路包括时钟电路、JTAG接口电路、复位电路和总线驱动电路等；时钟电路使用晶体谐振器，两个匹配电容为20pF；DSP采用锁相环(PLL)技术对外部时钟进行倍频，可得到最大100MHz的工作频率；DSP的上电复位信号由电源变换芯片提供；电源引脚用0.1μF的电容滤波接地；

其中CAN通信接口电路选用SN65HVD233CAN收发器，匹配120Ω电阻，通过DSP片内CAN总线控制器与CAN总线收发器进行数据通讯；

其中总线驱动器是为了增强DSP产生的PWM和DIR信号驱动能力，确保PWM信号和DIR输出到功率驱动模块时电平仍然有效，总线驱动器使用SNJ54LS240对PWM和DIR信号进行增强；

其中角度解码电路选用LS7366R1进行角度传感器数据的采集，LS7366R1具有与外部DSP高速通讯的SPI口，与DSP系统电平兼容，不需外加电平转换电路；

其中接收器选用FX26LS32型四通道差分接收器，接收来自于角度传感器输出数据A+和A-、B+和B-差分信号，并将之转化为单端输出A1、B1角度信号。

所述功率驱动模块包括光隔离耦合电路、逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路、逆变电路；所述光隔离耦合电路、逻辑综合电路、驱动电路、逆变电路通过PCB导线顺序连接，过流保护电路与逻辑综合电路通过PCB板导线连接；所述功率驱动模块为Ⅰ级降额设计，以提高其工作可靠性。

其中光耦隔离电路选用NEC PS8701，其作用是将功率驱动模块与DSP控制模块进行电隔离，避免功率驱动模块对控制模块造成干扰；输入功率驱动模块的DSP控制信号有两路：电机转向信号DIR和脉宽调整信号PWM，其中电机转向信号频率小于10kHz，PWM的频率为10 kHz～20kHz；

逻辑综合电路的主要功能包括：一、根据无刷直流电机内置的霍尔传感器信号和转向信号产生控制功率管开关的相序；二、将PWM信号合成到功率开关管的导通相序中，控制电机输出力矩；三、实现过流保护功能；根据无刷电机换相逻辑真值表可以得出以下逻辑关系：

其中，S1、S3、S5、S2、S4和S6为逻辑综合电路输出至驱动电路的信号，PWM为脉宽调制信号，OC为过流保护信号，DIR为电机转向信号，HA、HB、HC为无刷直流电机内部的霍尔传感器状态信号；根据上述逻辑关系，逻辑综合电路选用门逻辑门电路CD4069、CD4070、CD4073、CD4081实现；

其中过流保护电路的作用是将采样电阻采集的信号进行滤波放大等处理，并与设定阈值进行比较，以限定电机的最大工作电流；过流保护电路选用差动比较器LM193，比较器基准电压设定为0.714V，采样电阻阻值为0.051欧姆，因此驱动电路的限流值为14.3安培，此限流值可根据实际需要进行设计修改；

其中驱动电路的主要功能是提高逻辑综合电路输出信号的驱动能力，用来开启和关断后级逆变电路的大功率晶体管；驱动电路的驱动芯片选用IR2013，该芯片高端工作电压可以达到600V，同时该芯片驱动能力强，开通关断时间短，有利于降低功耗；

其中逆变电路选用IRFP250，搭建成三相桥式电路，通过驱动电路控制三相桥式电路的通断，将直流电源转换为驱动无刷直流电机运行的三相交流电U、V、W，U、V、W实际输出为方波电流。

所述舵执行机构包括作动器、角度传感器5；所述作动器为小型直线电动舵机，其包括无刷直流电机1、减速锥齿轮副2、滚珠丝杠副3、作动杆4； 所述无刷直流电机的输出轴通过减速锥齿轮副与滚珠丝杠副的滚珠丝杠转动连接；滚珠丝杠副的滚珠螺母与作动杆4固定连接；所述角度传感器分离固定设置在滚珠丝杠副的滚珠丝杠上端部；

为在有限的空间内能够满足舵机结构布局的要求，适应小型固定翼无人机的需求，设计上采用直线电动舵机，通过以精密滚珠丝杠副为核心的大减速设计，以进一步提高负载能力；同时为满足舵机在机翼内布局的要求，采用无刷直流电机1和滚珠丝杠副3正交设计方式，将丝杠螺母与作动杆4设计为一体，通过滚珠丝杠的转动推动作动杆4直线移动，推动摇臂机构，实现舵翼面的转动；为满足长航时，高可靠性的工作要求，在设计上采取以下措施：一、驱动电机采用无刷直流电动机，可以在同样的空间内承受更大的载荷，且采用电子换向取代了机械电刷换向，从而大幅提高了舵执行机构工作的可靠性；二、位置传感器采用非接触式角位移传感器，消除传统电位器中电刷对导电轨道的磨损，显著提高了测角传感器的工作可靠性及精度；角度传感器分离固定设在滚珠丝杠副的端头，通过测量滚珠丝杠的转数来间接实现舵偏角的测量。

所述控制模块还包括驱动电源检测电路，驱动电源检测电路通过PCB板导线与控制模块的DSP连接，通过电缆与功率驱动模块的逆变电路连接；驱动电源检测电路对功率驱动模块的U、V、W三相电压进行检测，以判断功率驱动模块的加电时刻，为位置传感器的调零提供准备，当驱动电源检测电路检测到功率驱动模块正常工作时，输出高电平给DSP的通用I/O口；驱动电源检测电路选用HCPL5231，其光耦输入级驱动电流临界值为2mA左右，选择限流电阻为10kΩ，检测电路的阈值为21V。

所述DSP内置舵机控制功能模块，舵机控制功能模块包括初始化模块、功率电压判断模块、找零模块、上电自检模块、数据采集模块、通信模块、定时中断模块、控制算法模块；当控制模块上电时，自动运行进入舵机控制功能模块，舵机控制功能模块执行时包括主循环、定时中断，在主循环中执行通信模块、定时中断模块；当定时中断模块执行时，选择调用找零模块、上电自检模块、数据采集模块、控制算法模块；

其中初始化模块主要完成以下功能：一、配置DSP时钟；二、配置DSP中断向量；三、配置I/O口，将CAN、QEP、PWM相关接口配置为相应的复用功能模式，将用到的其他I/O口配置为普通模式；配置普通I/O口的方向，且将其初始电平配置为无效电平；四、配置PWM频率为12.5KHz；五、配置CAN外设，波特率为1Mbps；六、配置定时中断周期为0.5ms；初始化模块不调用其他功能模块，且不与其他功能模块交换信息；

定时中断模块以时间作为中断事件触发条件，执行定时中断模块；定时周期为0.5ms,定时中断主要完成以下功能：一、功率电压判断；二、角度数据采集；三、上电自检；四、闭环控制；定时中断模块根据条件选择，调用以上功能模块；

功率电压判断模块通过电源检测电路HCPL5231芯片的GPIOB7口的电平状态，来判断功率电压是否正常，当连续10ms检测为高电平时认为功率电压正常，否则认为异常；

找零模块用于系统上电后的舵机找零，当检测到功率电压正常后，判断舵机是否已经找零，如果舵机没有找零，延时0.5s然后进行找零；先以10%的占空比控制舵执行机构正向走到极限位置，记录此时编码器数值X1，X1减去57037（27.85mm），即得到机械零位对应的数值，然后再以10%的占空比控制机构反向走到极限位置，记录此时编码器数值X2，X1减去X2即为找零过程中丝杠走过的行程对应的数值。KZ-7丝杠总行程为55mm，1mm对应2048个数值，即物理行程对应的数值为112640，如果X1减去X2的绝对值与物理总行程之差小于4mm（8192个数），则认为找零正常，否则认为找零异常；找零结束后，通过CAN总线向飞控系统反馈找零结果；

上电自检模块由飞控系统指令控制启动，舵机接收到一帧有效的上电自检指令后启动上电自检，包括对DSP内部CPU和存储器的检测；上电自检时间小于100ms；上电自检完毕后向飞控系统反馈上电自检结果，其中包括DSP检测结果、软件版本等信息；

数据采集模块通过DSP的数据收发接口完成角度传感器脉冲数的采集，并对数据越界进行处理；如果数据收发接口采集到的数据为65535，且数据收发接口继续正向计数，则会发生正向越界，角度数据会接近0；例如越界后的数据为100，而实际需要的为65636（65536+100），因此需要对数据收发接口采集到的数据进行处理，处理方法如下：一、如果正向越界，令参数k累加1；二、如果反向越界，令参数k自减1；三、coder1 = coder + k×65536，coder为处理前的数据，coder1为处理后的数据；四、越界处理后的数值，与找零功能得到的零位值求差后，即得到当前丝杠位置对应的编码器角度数值，计算出当前丝杠转动多少圈，然后再根据丝杠的螺距，计算出作动杆位移；

通讯模块负责无人机舵机控制驱动系统与飞控之间的通讯，在主循环调用；通讯模块主要完成以下功能：一、对CAN的接收邮箱进行周期查询，当有数据时进行读取；二、对读取的数据进行解码，根据指令类型调用相应的模块，完成舵机自检、随动控制、位置反馈等功能；三、根据相应的指令类型，将舵机状态相关数据进行封装，并通过CAN的发送邮箱送给飞控；

控制算法模块是系统闭环控制的核心，负责完成无人机舵机控制驱动系统跟随舵控指令的功能； 控制算法模块主要完成以下功能：一、根据舵控指令及当前位置，计算系统位置误差；二、将位置误差送入数字PID控制器中进行调节，得到控制量；三、对控制量进行限幅；控制算法模块输入为舵控指令、舵偏角；输出为控制量PWM占空比、电机方向信号DIR。

本发明未详述部分为现有技术。

Claims (6)

1.一种无人机舵机控制驱动系统，其特征是：包括控制模块、功率驱动模块、舵执行机构；所述控制模块、功率驱动模块、舵执行机构顺序电性连接，构成闭环；所述控制模块通过CAN总线与飞控系统连接；所述控制模块还电性连接有电源转换模块，电源转换模块电性连接有28V电源A；所述功率驱动模块还电性连接有28V电源B。

2.根据权利要求1所述无人机舵机控制驱动系统，其特征是：所述控制模块包括DSP、CAN通信接口电路、总线驱动器、角度解码电路、差分接收电路；所述DSP为控制模块核心，其包括电源接口、通信接口、PWM接口、数据收发接口；电源接口与电源转换模块电性连接；通信接口与CAN通信接口电路电性连接，CAN通信接口电路与飞控系统电性连接；PWM接口与总线驱动器电性连接；数据收发接口与角度解码电路、差分接收电路依次电性连接，差分接收电路与舵执行机构电性连接。

3.根据权利要求1所述无人机舵机控制驱动系统，其特征是：所述功率驱动模块包括光隔离耦合电路、逻辑综合电路、过流保护电路、驱动电路、逆变电路；所述光隔离耦合电路、逻辑综合电路、驱动电路、逆变电路顺序电性连接，过流保护电路与逻辑综合电路连接；所述光隔离耦合电路与控制模块的总线驱动器电性连接。

4.根据权利要求1所述无人机舵机控制驱动系统，其特征是：所述舵执行机构包括作动器、角度传感器（5）；所述作动器为小型直线电动舵机，其包括无刷直流电机（1）、减速锥齿轮副（2）、滚珠丝杠副（3）、作动杆（4）； 所述无刷直流电机（1）的输出轴通过减速锥齿轮副（2）与滚珠丝杠副（3）的滚珠丝杠转动连接；滚珠丝杠副（3）的滚珠螺母与作动杆（4）固定连接；所述角度传感器分离固定设置在滚珠丝杠副的滚珠丝杠上端部；所述无刷直流电机（1）与功率驱动模块的逆变电路电性连接；所述角度传感器（5）与控制模块的差分接收电路电性连接。

5.根据权利要求3所述无人机舵机控制驱动系统，其特征是：所述控制模块还包括驱动电源检测电路，驱动电源检测电路分别与控制模块的DSP、功率驱动模块的逆变电路电性连接。

6.根据权利要求1所述无人机舵机控制驱动系统，其特征是：所述DSP内置舵机控制功能模块，舵机控制功能模块包括初始化模块、找零模块、功率电压判断模块、上电自检模块、数据采集模块、通信模块、定时中断模块、控制算法模块；当控制模块上电时，自动运行进入舵机控制功能模块，舵机控制功能模块执行主循环、定时中断，在主循环中执行通信模块、定时中断模块；当定时中断模块执行时，选择调用功率电压判断模块、上电自检模块、找零模块、数据采集模块、控制算法模块。

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