CN202906826U - 一体化的数字电动舵伺服系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种一体化的数字电动舵伺服系统，包括伺服机构、输出轴、电机及旋转变压器、控制电路、通讯电路等；经通讯接口输入的位置控制信号与通过电机转子位置计算得到的舵轴位置反馈信号和电机定子电流信号，通过数字信号处理器综合处理，计算得到PWM信号，经驱动放大电路后驱动电机按一定的速度旋转，经过滚珠丝杠减速器后通过摇臂带动输出轴转动实现角度输出，同时计算电机转子及输出轴的位置，形成闭环。本实用新型中提供的全数字化伺服机构具有体积小、效率高、可靠性好、精度高、抗干扰能力强的优点。

Description

一体化的数字电动舵伺服系统

技术领域

本实用新型属于机电一体化控制领域，涉及一种基于DSP控制器的SVPWM永磁交流同步舵伺服控制系统。

背景技术

近年来，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电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。

新一代伺服系统以机电一体化时代作为背景，尤其是80年代以来，矢量控制技术的不断成熟，极大地推动了交流伺服驱动技术的发展，使交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统媲美。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展。在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、近而向电动机环路的更深层发展。

交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，过载能力强和转动惯量低体现出了交流伺服系统的优越性。交流伺服系统采用以微处理器为基础的系统级芯片、数字通信接口以及智能化功率器件，很好地克服了伺服系统模型参数变化和非线性等不确定因素，提高了系统的鲁棒性和容错性，成功实现了高精度伺服控制。特别是控制理论的新发展及智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使基于智能控制理论的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略完美结合，为交流伺服系统的实际应用奠定了坚实的基础。

在机电一体化发展中，为满足电动舵机的发展需求，国外已经在电动舵机的设计中开展了减速机构及电机一体化设计研究，并在相关型号上得到了应用。但是未见技术方案的详细报道。随着国内电动舵机应用要求的提高，减速机构及电机一体化设计方案将会在很多电动舵机设计方案中被采用。采用滚珠丝杠与电机一体化设计可以实现电机输出转速及力矩对舵面进行直接的输出控制，同时避免了电机驱动减速机构带来的能量损失及过渡机构传动间隙对控制系统造成的影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一体化的数字电动舵伺服系统，实现电动舵机系统的精确控制。

为解决上述技术问题，本实用新型的一体化的数字电动舵伺服系统，包括：数字化功放电路、执行机构，其特征在于，所述数字化功放电路包括数字控制电路、驱动放大电路、数字信号变换器、控制信号接口电路、激励信号发生器，执行机构包括永磁同步电机，无刷旋转变压器，滚珠丝杠，摇臂；所述永磁同步电机的输出轴与滚珠丝杠同轴一体化连接，形成滚珠丝杠减速器，所述滚珠丝杠螺母通过钢套连接所述摇臂一端，所述摇臂另一端与舵轴连接；

所述数字控制电路通过驱动放大电路的电流检测电路检测三相定子电流信号i_a、i_b、i_c，经3/2坐标系变换得到两相静止交流坐标系下的电压和电流值，与永磁同步电机电流参考信号进行比较得到电流环控制量后，所述数字控制电路的电流控制器对电流环调节后输出空间矢量脉宽调制SVPWM信号，驱动电机旋转，激励信号发生器的正弦信号激励无刷旋转变压器产生正交的正弦、余弦信号，数字信号变换器将检测无刷旋转变压器转子位置信号并转换为数字信号，通过SPI接口传输到数字控制电路，计算转子位置信号与所述滚珠丝杠减速器的减速比，得到舵伺服机构的位置反馈和电机转速信号，与位置反馈和电机转速参考信号比较，经数字控制电路的速度控制器与位置控制器输出控制量，实现了舵伺服系统速度与位置的控制。

优选的，所述速度控制器为比例控制器，提高舵伺服系统的快速响应能力，所述位置控制器为模糊PID控制器，在消除控制系统抖动现象的同时提高了系统抗干扰能力。

进一步优化的，所述电流控制器为PI控制器，消除了电流波动对系统造成的影响，提高了舵伺服系统的稳定性。

本实用新型的有益效果是：滚珠丝杠与电机一体化设计实现了电机输出转速及力矩对舵面进行直接的输出控制，同时避免了电机驱动减速机构带来的能量损失及过渡机构传动间隙对控制系统造成的影响。

DSP数字化功放电路中使用CAN、SPI通信接口对系统位置参考和反馈信号与控制器进行数字化通信，消除了传统模式由于对位置信号采用造成了采样精度和干扰造成的系统误差，极大的提高了系统的抗干扰能力和稳定性。

采用空间矢量控制算法(SVPWM)有助于提高电机输出效率，同时可以适时地控制电机的转矩、速度和位置状态，可以控制电机启动瞬间电流的幅值，应用于正弦波电流驱动时可以消除转矩的波动，减少电机电流谐波损耗，提高控制系统性能。

附图说明

图1为本实用新型一体化舵伺服系统的总体结构框图。

图2为数字控制电路的功能原理示意图。

图3为一体化执行机构结构示意图。

图4为数字控制电路的结构示意图。

图5为数字变换器与数字处理器的连接示意图。

图6为驱动放大电路图。

图7为控制软件总体流程图。

图8为控制系统对位置调节的流程图。

图9为控制系统对速度调节的流程图。

图10为控制系统对电流调节的流程图。

具体实施方案

下面结合附图对本实用新型的具体实施方案作进一步详细说明。

图1所示的一体化的数字电动舵伺服系统包括：数字化功放电路10、执行机构11，数字化功放电路10包括数字控制电路1、驱动放大电路2、数字信号变换器3、控制信号接口电路4、激励信号发生器5。执行机构11包括永磁同步电机6，无刷旋转变压器7，滚珠丝杠，摇臂9。

数字控制电路1是系统的控制核心，本具体实施方式包括了数字处理器TMS320F2812处理芯片、通讯接口、信号调理电路等部分电路，主要完成对位置、速度、电流反馈控制的实现，通讯，电流信号的采样计算，PWM信号输出，信号调理电路用于对模拟量进行滤波、调幅处理。图4为数字控制电路的结构图。

驱动放大电路2主要功能是将数字控制电路1送出的6路SPWM信号缓冲、隔离，以驱动逆变器的功率开关，从而驱动永磁交流同步电机。驱动放大电路2由光耦隔离电路、场效应管驱动电路、三项逆变电路、相电流采样电路组成。其功能是将控制回路产生的PWM信号转换成幅值和相位符合要求的6路驱动信号，然后驱动功率器件，同时相电流采样电路采集电机电枢电流。驱动放大电路与控制电路间采用光电耦合器进行隔离，以提高舵机的抗干扰能力，图7为驱动放大电路图。

旋转变压器数字变换电路，即RDC电路，采用的是串行数据输出的12bit单片集成电路AD2S90数字变换器。它接收从无刷旋转变压器7输出的电机转轴当前位置正弦和余弦信号（sin，cos输入）的模拟信号，以及由励磁信号发生器产生的参考信号(ref输入)，采用Ⅱ型伺服环的跟踪型转换原理，将输入模拟角度信号转换成数字型轴角信号。其转换器带宽为1KHz，最高跟踪速度为375r/s（能够满足系统要求）。输出轴角的数字信息以绝对串行二进制输出（12bit）到控制器，图5为数字变换器与数字处理器连接示意图。

控制信号接口电路4采用CAN、SPI通信接口对系统位置参考和反馈信号与数字信号处理器进行数字化通信，消除了传统模式由于对位置信号采用造成了采样精度和干扰造成的系统误差，极大的提高了系统的抗干扰能力和稳定性。有利于使舵伺服控制系统朝着高可靠性、高性能、维护及调试方便的全数字化方面发展。控制信号接口电路4接收位置给定参考信号作为系统输入。

永磁同步电动机6的转速和转子位置信号，均通过旋转变压器7获取。激励信号发生器5产生正弦波激励信号，在旋转变压器7原边获得激励后，相应地副边产生与所在角度相关的正弦波和余弦波，经过信号调理后进入数字信号变换器RDC3，串行同步通讯接口把数字量传送给数字控制电路1的SPI（Serial Peripheral Interface）接口模块，实现了永磁同步电动机的转子位置信号和转速的检测。

数字控制电路1通过驱动放大电路2的电流检测电路检测三相定子电流信号i_a、i_b、i_c，经3/2坐标系变换得到两相静止交流坐标系下的电压和电流值，与永磁同步电机6电流参考信号进行比较得到电流环控制量后，数字控制电路1的电流控制器对电流环PI调节后输出空间矢量脉宽调制SVPWM信号，驱动电机旋转；激励信号发生器5的正弦信号激励无刷旋转变压器7产生正交的正弦、余弦信号，数字信号变换器3将检测无刷旋转变压器7转子位置信号并转换为数字信号，通过SPI接口传输到数字控制电路1，计算转子位置信号与所述滚珠丝杠减速器8的减速比，得到舵伺服机构的位置反馈和电机转速信号，与位置反馈和电机转速参考信号比较，经数字控制电路1的速度控制器的比例调节、位置控制器的模糊PID调节后输出控制量，实现了舵伺服系统速度与位置的控制。

空间矢量控制算法(SVPWM)：有助于提高电机输出效率，同时可以适时地控制电机的转矩、速度和位置状态，可以控制电机启动瞬间电流的幅值，应用于正弦波电流驱动时可以消除转矩的波动，减少电机电流谐波损耗，提高控制系统性能。

图3为一体化执行机构结构示意图。舵机设计采用集成式一体化设计，舵机设计指标主要为电机输出转速和力矩的传动，保证舵机输出力矩和转速满足设计要求，减速器采用一级减速，电机输出轴和滚珠丝杠副一体化设计，确保丝杠与电机轴，丝杠与螺母同轴度，圆跳动要求，丝杠螺母通过钢套带动拨叉转动，使舵机结构简单、安装方便。电机尾部安装无刷旋转变压器用于实现闭环控制中的位置反馈和速度反馈，舵机电缆从舵机引出后由插头与功率放大器连接，并在舵机表面用线卡固定，永磁同步电机6的输出轴与滚珠丝杠同轴一体化连接，形成滚珠丝杠减速器8，所述滚珠丝杠螺母通过钢套连接所述摇臂9一端，摇臂9另一端与舵轴连接。丝杠在运动过程中既有径向载荷又有轴向载荷，电机输出轴使用角接触轴承支撑，考虑到丝杠因受热伸长，对于角接触轴承，补偿间隙留在轴承内部。滚动轴承外端用轴承盖紧固，内端用丝杠轴螺纹紧固。

伺服系统通过在TMS320F2812上的控制软件实现。本系统控制软件用汇编与C语言混合编写，经试验表明性能比较好。

控制软件总体设计中，包括了初始化CAN、SPI、EV事件管理器、T1中断服务程序、T2中断服务程序、CPU定时中断服务程序及主程序设计，图7为控制软件总体流程图。

1、通讯接口(CAN)

用于上位机与DSP之间进行舵位置参考信号的通讯。

2、外设接口(SPI)

采用DSP外设接口(SPI)与数字信号解算芯片(AD2S90)进行数据传输，数字信号解算芯片(AD2S90)与DSP连接如图5。

3、事件管理器(EV)

配置事件管理器(EV)，完成了定时寄存器周期、初始化比较寄存器等单元配置，用于产生比较单元PWM1～PWM6驱动信号，并在CPU定时中断服务程序进行舵伺服控制系统的电流环调节。

4、系统的中断

T1定时器周期中断用于位置环的调节；T2定时器周期中断用于速度环的调节；CPU定时器周期用于电流环调节及空间矢量控制算法(SVPWM)的计算。

在舵伺服控制系统中，许多被控对象随着负载变化和干扰因素影响，其对象特性参数或机构发生改变。使控制系统品质不能保持在最佳范围内，极大的影响了控制性能。随着控制理论的发展，人们运用模糊数学的基本理论和方法，把模糊控制规则及有关信息存入控制器知识库中，然后控制器根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整。将位置参考与反馈进行综合控制放大，输出位置控制量，同时通过位置控制量换算为电机转速参考信号并传递到速度环，图8为控制系统对位置调节的流程图。

转速的计算与调节，为提高舵伺服系统的动态性能，速度调节器采用了P控制策略，位置环将计算得到的速度参考信号传递到速度环，与电机实际转速进行比较，经速度调节器输出速度控制量，同时计算交轴电流给定值并传递给电流环，图9为控制系统对速度调节的流程图。

电流调节和空间矢量开关时间计算，电流环的计算是在CPU定时中断服务程序中进行，具体工作是：电流采样与变换、电流调节器的计算和电流控制量的输出到主程序中，进行SVPWM控制信号生成，从而完成对舵伺服控制系统的控制，图10为控制系统对电流调节的流程图。

Claims (3)

1.一体化的数字电动舵伺服系统，包括：数字化功放电路(10)、执行机构(11)，其特征在于，所述数字化功放电路(10)包括数字控制电路(1)、驱动放大电路(2)、数字信号变换器(3)、控制信号接口电路(4)、激励信号发生器(5)，执行机构(11)包括永磁同步电机(6)，无刷旋转变压器(7)，滚珠丝杠，摇臂(9)；所述永磁同步电机(6)的输出轴与滚珠丝杠同轴一体化连接，形成滚珠丝杠减速器(8)，所述滚珠丝杠螺母通过钢套连接所述摇臂(9)一端，所述摇臂(9)另一端与舵轴连接；

所述数字控制电路(1)通过驱动放大电路(2)的电流检测电路检测三相定子电流信号i_a、i_b、i_c，经3/2坐标系变换得到两相静止交流坐标系下的电压和电流值，与永磁同步电机(6)电流参考信号进行比较得到电流环控制量后，所述数字控制电路(1)的电流控制器对电流环调节后输出空间矢量脉宽调制SVPWM信号，驱动电机旋转；激励信号发生器(5)的正弦信号激励无刷旋转变压器(7)产生正交的正弦、余弦信号，数字信号变换器(3)将检测无刷旋转变压器(7)转子位置信号并转换为数字信号，通过SPI接口传输到数字控制电路(1)，计算转子位置信号与所述滚珠丝杠减速器(8)的减速比，得到舵伺服机构的位置反馈和电机转速信号，与位置反馈和电机转速参考信号比较，经数字控制电路(1)的速度控制器与位置控制器输出控制量，实现了舵伺服系统速度与位置的控制。

2.如权利要求1所述的一体化的数字电动舵伺服系统，其特征在于，所述速度控制器为比例控制器。

3.如权利要求1所述的一体化的数字电动舵伺服系统，其特征在于，所述电流控制器为PI控制器。

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