CN111103478A - 一种无人直升机用舵机自动检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种无人直升机用舵机自动检测设备，其结构包括电源模块（1），主控单元（2），驱动单元（3），采集与处理单元（4），显示屏（5）；其中，电源模块（1）的电源输出端分别与主控单元（2）、驱动单元（3）、采集与处理单元（4）、显示屏（5）的电源输入端相连接，主控单元（2）的信号输入输出端通过串口与显示屏（5）的信号输出输入端对应相连接，主控单元（2）的信号输入端与采集与处理单元（4）的信号输出端相连接，主控单元（2）的信号输出端与驱动单元（3）的信号输入端相连接。本发明操作方便，能检测出多种位置反馈传感器的舵电机、舵机的相关技术指标，为科研试制、批量生产等活动节省专业人力资源。

Description

一种无人直升机用舵机自动检测设备

技术领域

本发明涉及一种无人直升机用舵机自动检测设备, 属于无人直升机的舵电机及舵机自动检测技术领域。

背景技术

直流电机在各行各业中有广泛应用，随着使用寿命、转速、大功率等指标要求逐步提高，直流无刷电机的市场占有份额逐年提升；对于直流无刷电机技术指标的测试过程，一般程序较为繁琐，对测试人员要求比较高，测试人员必须对电机的专业知识有所掌握后才能安全准确地完成测试任务；大多数测试设备仅针对特定的电机位置反馈传感器，且检测方法或检测对象单一，不能对多种舵电机或舵机的指标进行全部检测，不能满足多种场合的使用需求。

发明内容

本发明提出的是一种无人直升机用舵机自动检测设备，其目的旨在提供一种能够实现对多种无人直升机用舵电机、舵机进行自动检测的设备。

本发明的技术解决方案：一种无人直升机用舵机自动检测设备，其结构包括电源模块1，主控单元2，驱动单元3，采集与处理单元4，显示屏5；其中，电源模块1的电源输出端分别与主控单元2、驱动单元3、采集与处理单元4、显示屏5的电源输入端相连接，主控单元2的信号输入输出端通过串口与显示屏5的信号输出输入端对应相连接，主控单元2的信号输入端与采集与处理单元4的信号输出端相连接，主控单元2的信号输出端与驱动单元3的信号输入端相连接。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用人机交互界面一键式操作，界面简单易懂，操作方便；

（2）采用双闭环PID参数自适应算法，能迅速智能地检测出多种位置反馈传感器的舵电机、舵机的相关技术指标，为科研试制、批量生产等活动节省专业人力资源。

附图说明

附图1是本发明的结构示意框图。

附图2是双闭环PID参数自适应算法流程示意图。

附图中1是电源模块，2是主控单元，3是驱动单元，4是采集与处理单元，5是显示屏，6-1是A电缆，6-2是B电缆，6-3是C电缆，7是外接电源，8是被测舵电机和舵机。

具体实施方式

一种无人直升机用舵机自动检测设备，其结构包括电源模块1，主控单元2，驱动单元3，采集与处理单元4，显示屏5；其中，电源模块1的电源输出端分别与主控单元2、驱动单元3、采集与处理单元4、显示屏5的电源输入端相连接，主控单元2的信号输入输出端通过串口与显示屏5的信号输出输入端对应相连接，主控单元2的信号输入端与采集与处理单元4的信号输出端相连接，主控单元2的信号输出端与驱动单元3的信号输入端相连接。

使用时，所述电源模块1的电源输入端与外接电源7的电输出端通过A电缆6-1相连接；驱动单元3的信号输出端通过B电缆6-2与被测舵电机和舵机的信号输入端相连接；采集与处理单元4的信号输入端通过C电缆6-3与被测舵电机和舵机8的信号输出端相连接；电源模块1将转化后的直流电输出给主控单元2、驱动单元3、采集与处理单元4、显示屏5等；电源模块1为主控单元2、驱动单元3、采集与处理单元4、显示屏5分别提供稳定、高质量的供电。

所述电源模块1第一电源输出端与主控单元2的电源输入端相连接，电源模块1第二电源输出端与驱动单元3的电源输入端相连接，电源模块1第三电源输出端与采集与处理单元4的电源输入端相连接，电源模块1第四电源输出端与显示屏5的电源输入端相连接。

所述电源模块1可根据实际应用场合需求选择为AC/DC电源模块或者DC/DC电源模块。

所述主控单元2可根据需要优先选取普通单片机、ARM、DSP、FPGA中的一种，所述主控单元2优选采用STM32F103系统作为主控单元；所述主控单元2通过串口接收显示屏5的指令决定工作状态。

所述驱动单元3根据所用环境要求，选择使用通用的MOS管搭接电路或现成的无刷电机驱动模块；所述驱动单元3优选采用MSK4300作为驱动单元；所述驱动单元3接收主控单元2发送的PWM控制信号，转化为驱动舵电机或舵机的驱动信号，通过B电缆6-2传输给舵电机和舵机，控制舵电机和舵机工作。

所述采集与处理单元4包括位置信号采集和转速信号采集；采用RC电路及12位的AD转换芯片进行位置反馈信号的滤波处理和AD转换，采用霍尔或旋转变压器的激磁解调电路ADS1210进行转速采集。

所述显示屏5电容型SDWE050T30C系列触摸显示屏；显示屏5作为人机交互的主体，它接收主控单元2的信息显示出来，并且操作人员可以通过显示屏界面上的按钮决定系统工作状态，显示屏5发送相应的控制指令给主控单元2；所述显示屏5可根据实际应用场合需求，也可以在上位机界面中显示，通过上位机显示信息并发送指令。

所述主控单元2接收采集与处理单元4的舵电机转速、舵机位置等信息，首先根据如图2中位置闭环的指令与反馈差值范围的大小，以预设规则自动调节位置环的比例项P _p、积分项I _p、和微分项D _p参数；根据位置差值计算舵电机的目标转速与实际采集到的舵电机转速的大小，同时根据舵机的减速比，计算舵电机实际要转动的转数，根据计算的结果范围，以并根据测试到的电压/转速曲线、转速/转矩曲线，自动调节速度闭环的比例项P _n、积分项I _n、微分项D _n参数；两者的输出作为舵电机的最终控制量，以达到自适应调节PID参数的目的，最终计算出相应的PWM电机控制信号发送给驱动单元5，算法流程如图2所示。

所述一种无人直升机用舵机自动检测设备，其采用双闭环PID参数自适应算法，完成对舵电机和舵机的智能算法控制。

所述双闭环PID参数自适应算法，该算法具体实现步骤为：

1）无人直升机用舵机自动检测设备中主控单元2接收到控制指令及采集与处理单元4采集到舵电机和舵机的当前位置后会计算出当前的位置误差；

2）无人直升机用舵机自动检测设备中主控单元2根据位置误差P _err值的范围，选择不同的KP _p，KI _p，KD _p值，以确保在不同位置误差P _err时，舵机的响应时间尽量短，如图2主控单元2在位置环中增加指令的前馈项，提高整个系统的响应；

根据上述分析位置环的n_sp为：

n _sp = KP _p* P _err+ KI _p * ΣP _err + KD _p* P ^' _err + K*P'sp；

其中，n_sp为位置环的控制输出量、也就是转速闭环的设定值，KP _p为位置误差的比例项，KI _p为位置误差的积分项，KD _p为位置误差变化率的微分项，P _err为位置误差，P ^' _err为位置误差变化率，P'sp为位置设定值的变化率，K为位置设定值的变化率的比例项；

3）如图2中转速闭环的转速设定值，可以用经验值查询在不同位置误差值需要的转速值，也可以根据位置环的输出值来获取；转速设定值选取的方式为：

（1）默认使用的是经位置环的n_sp计算出的转速值作为转速闭环的设定值；

（2）通过转速闭环的输出控制量计算后，实时采集此时的舵电机上的电流，如果此时的电流值超过程序中设置的电流值阈值，则改用经验转速设定值；

4）无人直升机用舵机自动检测设备根据P _err值和n _err的曲线拟合，可以推算出此时舵机上的负载情况，根据不同的负载实时选取不同的KP _n，KI _n，KD _n值，最终输出到舵电机上的控制量为：

U = KP _n* n _err+ KI _n * Σn _err + KD _n* n ^' _err；

其中，U为转速闭环的输出控制量、即为舵电机的输入量，KP _n为转速误差的比例项，KI _n为转速误差的积分项，KD _n为转速误差变化率的微分项，n _err为转速误差，n ^' _err为转速误差的变化率。

算法中不同的位置误差的比例项KP _p系数，位置误差的积分项KI _p系数，位置误差变化率的微分项KD _p系数，转速误差的比例项KP _n系数，速误差的积分项KI _n系数，转速误差变化率的微分项KD _n系数的选取以及转速闭环不同转速设定值的选用，均为实现双闭环PID参数自适应算法。

本发明主要应用于无人直升机的舵电机及舵机的指标检测。

本发明将被测的舵电机或舵机通过电缆与测试设备相连，采集与处理单元4采集舵电机或舵机的霍尔信号或旋变解调信号以及舵机电位器的位置信号，并将这些信息传输给主控单元2；主控单元2通过串口接收显示屏5发送的指令，决定设备的工作状态：舵电机开环测试、舵机开环测试、舵机闭环测试等；主控单元2根据显示屏5发送的指令以及采集与处理单元4传输的信息通过PID方式计算得到控制输出信号PWM，并将其发送给驱动单元3；驱动单元3将控制信号转换为驱动信号驱动舵电机和舵机运动。

本发明采用人机交互界面一键式操作，采集舵电机、舵机的电压、转速、位置信息，根据双闭环PID参数自适应算法，自动计算出舵电机的电压转速曲线、响应时间，闭环控制的阶跃响应、超调量检测、频率响应范围等；能迅速智能地检测出舵电机、舵机的相关技术指标；无人直升机用舵机自动检测设备的主要测试的功能包括：通过开环测试的方式测试有刷、无刷舵电机的起动电压和转速检测，通过舵机电的转速判断，测试舵机的起动电压、舵机运行速度，通过位置传感器、角度传感器信号反馈，进行位置及速度的双闭环的控制，进行舵机的位置伺服控制等；无人直升机用舵机自动检测设备具有旋变解调信号采集及霍尔信号采集的功能，可满足多种位置反馈传感器的直流无刷电机的测试；无人直升机用舵机自动检测设备具有双向通信功能，能实时传输舵电机或舵机的状态；无人直升机用舵机自动检测设备具有触摸显示屏，界面简单易懂，操作方便；无人直升机用舵机自动检测设备为科研试制、批量生产等活动节省了大量专业人力资源；且具有检测充分、设备可靠、交互方式便捷等优势。

本发明具体的工作状态介绍如下：

（1）舵电机开环测试：该工作模式下主要测试舵电机的起动电压、额定转速、额定电流、电压/转速曲线、响应时间等指标；

（2）舵机开环测试：该工作模式下主要测试舵机的起动电压、响应时间等指标；

（3）舵机闭环测试：该工作模式下主要测试舵机的阶跃响应、起调量、频率响应、带载能力、到位精度、电气行程等指标，并可对舵机进行长时间的磨机试验，验证舵机工作状态；

在以上几种工作状态下，均会对旋变解调信号、霍尔信号、舵机位置信号、电流信号等信号进行监测，确保设备工作状态正常。

本发明针对无人直升机用舵电机以及舵机，设计了一种自动检测设备，该自动检测设备采用人机交互界面一键式操作，配合双闭环PID参数自适应算法，能迅速智能地检测出多种位置反馈传感器的舵电机、舵机的相关技术指标。

实施例1

本实施例提供一种无人直升机用舵机自动检测设备，参照附图1，该设备包含电源模块1、主控单元2、驱动单元3、采集与处理单元4、显示屏5、A电缆6-1、B电缆6-2、C电缆6-3。

附图1中电源模块1主要功能是根据实际情况将交流电或者高幅值直流电转换成系统中有源元器件所需的工作电压。

附图1中主控单元2主要实现以下功能：

（1）完成对舵电机以及舵机控制的PWM占空比输出；

（2）完成对采集与处理单元4信息的接收和处理，信息包括舵电机或舵机角度传感器角度值、舵机电位器位置信息、驱动电流值等；

（3）将舵电机和舵机的工作状态信息传递给至显示屏5并接收显示屏5的指令信息。

附图1中驱动单元3主要实现对主控单元2输出的PWM占空比的功率放大，从而驱动舵电机和舵机工作。

附图1中采集与处理单元4主要实现以下功能：

（1）舵电机和舵机电机转速的采集；如果角度传感器为霍尔传感器，则通过采集电机转子不同角度时的霍尔输出值的变化率作为电机转动的速度；如果角度传感器为旋转变压器，则勇者采集旋转变压器转子与定子之间的角度值的变化率作为电机转动的速度；同时判断霍尔传感器与旋转变压器的工作状态；

（2）舵机电位器位置信息值的采集，将电位器位置由模拟量转换为数字量传递给主控单元2；

（3）驱动电流信息的采集，实时采集被测舵机工作过程中的电流值，将驱动电流对应的模拟量转换为数字量传递个主控单元2。

附图1中显示屏5界面中可以实时显示当前设备的工作状态及舵电机或舵机的状态信息，简单明了；并且可通过显示屏确定设备的工作状态，交互简便，易于操作。

附图1中电缆主要实现将舵电机和舵机、外接电源与无人直升机用舵机自动检测设备电气连接起来的功能。

本发明提出的一种无人直升机用舵机自动检测设备，通过双闭环PID参数自适应算法完成对舵电机或舵机的指标检测，通过显示屏使人机交互更为简单方便；该无人直升机用舵机自动检测设备将舵电机及舵机的状态实时上传在显示屏上显示，方便测试人员实时监测；该无人直升机用舵机自动检测设备具有旋变解调信号采集及霍尔信号采集的功能，可满足多种位置反馈传感器的直流无刷电机的测试要求。

Claims (9)

1.一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是包括电源模块（1），主控单元（2），驱动单元（3），采集与处理单元（4），显示屏（5）；其中，电源模块（1）的电源输出端分别与主控单元（2）、驱动单元（3）、采集与处理单元（4）、显示屏（5）的电源输入端相连接，主控单元（2）的信号输入输出端通过串口与显示屏（5）的信号输出输入端对应相连接，主控单元（2）的信号输入端与采集与处理单元（4）的信号输出端相连接，主控单元（2）的信号输出端与驱动单元（3）的信号输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是：使用时，所述电源模块（1）的电源输入端与外接电源（7）的电输出端通过A电缆（6-1）相连接；驱动单元（3）的信号输出端通过B电缆（6-2）与被测舵电机和舵机的信号输入端相连接；采集与处理单元（4）的信号输入端通过C电缆（6-3）与被测舵电机和舵机（8）的信号输出端相连接。

3.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是所述电源模块（1）第一电源输出端与主控单元（2）的电源输入端相连接，电源模块（1）第二电源输出端与驱动单元（3）的电源输入端相连接，电源模块（1）第三电源输出端与采集与处理单元（4）的电源输入端相连接，电源模块（1）第四电源输出端与显示屏（5）的电源输入端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是所述主控单元（2）为普通单片机、ARM、DSP、FPGA中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是所述驱动单元（3）选择使用通用的MOS管搭接电路或无刷电机驱动模块。

6.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是所述采集与处理单元（4）包括RC电路和12位的AD转换芯片；采用RC电路及12位的AD芯片进行位置反馈滤波处理和AD转换，采用旋转变压器的激磁解调电路ADS1210进行转速采集。

7.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是所述显示屏（5）为电容型SDWE050T30C系列触摸显示屏。

8.根据权利要求1所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是采用双闭环PID参数自适应算法，完成对舵电机和舵机的智能算法控制。

9.根据权利要求8所述的一种无人直升机用舵机自动检测设备，其特征是所述双闭环PID参数自适应算法，该算法具体实现步骤为：

1）无人直升机用舵机自动检测设备中主控单元（2）接收到控制指令及采集与处理单元（4）采集到舵电机和舵机的当前位置后会计算出当前的位置误差；

2）无人直升机用舵机自动检测设备中主控单元（2）根据位置误差P _err值的范围，选择不同的KP _p，KI _p，KD _p值，以确保在不同位置误差P _err时，舵机的响应时间尽量短，主控单元（2）在位置环中增加指令的前馈项，提高整个系统的响应；

根据上述分析位置环的n_sp为：

n _sp = KP _p* P _err+ KI _p * ΣP _err + KD _p* P ^' _err + K*P'sp；

其中，n_sp为转速闭环的设定值，KP _p为位置误差的比例项，KI _p为位置误差的积分项，KD _p为位置误差变化率的微分项，P _err为位置误差，P ^' _err为位置误差变化率，P'sp为位置设定值的变化率，K为位置设定值的变化率的比例项；

3）转速闭环的转速设定值，用经验值查询在不同位置误差值需要的转速值或根据位置环的输出值来获取；转速设定值选取的方式为：

（1）默认使用的是经位置环的n_sp计算出的转速值作为转速闭环的设定值；

（2）通过转速闭环的输出控制量计算后，实时采集此时的舵电机上的电流，如果此时的电流值超过程序中设置的电流值阈值，则改用经验转速设定值；

4）检测设备根据P _err值和n _err的曲线拟合，可以推算出此时舵机上的负载情况，根据不同的负载实时选取不同的KP _n，KI _n，KD _n值，最终输出到舵电机上的控制量为：

U = KP _n * n _err+ KI _n * Σn _err + KD _n* n ^' _err；

其中，U为转速闭环的输出控制量、即为舵电机的输入量，KP _n为转速误差的比例项，KI _n为转速误差的积分项，KD _n为转速误差变化率的微分项，n _err为转速误差，n ^' _err为转速误差的变化率。

Images