CN207410257U - 一种高集成度四路位置伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于航天系统技术领域，具体涉及一种高集成度四路位置伺服控制装置。DSP、若干伺服控制电路，伺服控制电路并联，且均接收PWM信号并将处理后信号传输至传输至DSP。在不增加FPGA或CPLD等复杂数字逻辑芯片的前提下，伺服控制驱动器控制的通道数可达四路。由于不涉及复杂数字逻辑芯片，在硬件电路设计时减少了复杂数字逻辑芯片及其外围电路，因此降低了硬件设计复杂度。

Description

一种高集成度四路位置伺服控制装置

技术领域

本发明属于航天系统技术领域，具体涉及一种高集成度四路位置伺服控制装置。

背景技术

当前大功率、高精度航天伺服控制通常采用永磁同步电机作为机电作动器能源，电机正反转通过丝杠转换为机电作动器的伸缩量，从而实现位置伺服。伺服控制驱动器控制永磁同步电机，同时采集机电作动器位置传感器的电信号，接收位置指令，实现位置伺服控制。伺服控制驱动器的控制核心为DSP。

现有的伺服控制驱动器通常以一只DSP作为控制核心，在不使用FPGA或 CPLD等复杂数字逻辑芯片扩充控制逻辑的前提下，一台控制驱动器最多可同时控制两台基于永磁同步电机的机电作动器。若使用复杂数字逻辑芯片扩充控制逻辑后，单台控制驱动器最多控制四台基于永磁同步电机的机电作动器。

因此现有控制基于永磁同步电机的机电作动器的伺服控制驱动器存在以下不足：

1.在不使用复杂数字逻辑芯片扩充控制逻辑时，控制的机电作动器最多仅为两路。

2.在控制机电作动器的路数为四路时，需要增加复杂数字逻辑芯片及其内部控制软件，增加了伺服控制驱动器的设计复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种一种高集成度四路位置伺服控制装置，在该装置工作时，可以实现使用单片DSP控制四路基于永磁同步电机的机电作动器，以降低原多路伺服控制驱动的设计复杂度。

为解决上述技术问题，本发明一种高集成度四路位置伺服控制装置，DSP、若干伺服控制电路，伺服控制电路并联，且均接收PWM信号并将处理后信号传输至传输至DSP；伺服控制电路包括控制回路、作动器、反馈回路，DSP以并行总线的形式连接至控制回路，控制回路接收DSP13发送的PWM信号，将该信号放大、隔离并提高输出能力，控制回路以导线形式连接至作动器的输入端；作动器分别将电机转子位置信号、电机相电流信号和位移传感器输出信号以导线形式输出至反馈回路，反馈回路分别将以上3种信号转换完成后，将电机相电流信号和位移传感器输出信号以可供DSP片内AD接收的模拟量形式输出至 DSP的片内AD端口，电机转子位置信号通过SPI总线方式传输至DSP的配置成SPI总线的GPIO，以供DSP以SPI总线形式读取。

控制回路包括放大电路、隔离电路、功率驱动电路、隔离电路电源、动力电源，DSP以并行总线的形式连接至放大电路的输入管脚，放大电路的输出管脚通过导线连接至隔离电路的输入管脚，隔离电路通过光耦PC817隔离放大电路的输出信号，隔离电路电源将一次电源转换成供光耦副边和功率驱动电路工作的二次电源；隔离电路电源以导线形式连接至功率驱动电路；功率驱动电路接收隔离电路的输出信号，并将动力电源斩波，将最初的PWM波转换成功率信号，最终以导线形式连接至作动器。

反馈回路包括电机转子位置解算电路、电流传感器信号转换电路、位置传感器信号转换电路电流传感器信号转换电路通过导线连接作动器的永磁同步电机的相电流端子，采集该电流信号，并将该信号转换至电压信号，以导线形式连接至DSP片内AD；位置传感器信号转换电路通过导线连接作动器的线位移传感器信号输出端，并将该信号至电压信号，以导线形式连接至DSP13片内AD；电机转子位置解算电路通过导线连接作动器的永磁同步电机的转子位置采集传感器输出端，采集电机的转子位置，并将其转换为数字量，通过SPI串行总线传输至DSP配置成SPI总线的GPIO，以供DSP以SPI总线形式读取。

还包括总线接口电路、上位机，总线接口电路接收上位机发送的各个伺服作动器位置指令，以并行总线的形式将控制指令传递至DSP，将其传递至DSP， DSP解算控制指令后结合各个伺服作动器的反馈信号实现闭环控制，各路伺服作动器可以按照指令实现位置伺服功能。

本发明的有益技术效果在于：

(1)在不增加FPGA或CPLD等复杂数字逻辑芯片的前提下，伺服控制驱动器控制的通道数可达四路。

(2)由于不涉及复杂数字逻辑芯片，在硬件电路设计时减少了复杂数字逻辑芯片及其外围电路，因此降低了硬件设计复杂度。

(3)由于去除了复杂数字逻辑芯片，减少了复杂数字逻辑芯片的软件设计工作，省去了一个软件可带来的不确定性，进而减少了一个关键串联模型，提高了控制驱动器的可靠性。

(4)减少了一个控制软件，更便于产品管理。

附图说明

图1为本发明所提供的一种高集成度多路位置伺服控制装置的系统框图；

图2为本发明所提供的控制回路原理图；

图3为本发明所提供的反馈回路原理图；

图中：1控制回路I、4控制回路II、7控制回路III、10控制回路IV、2作动器I、5作动器II、8作动器III、11作动器IV、3反馈回路I、6反馈回路II、 9反馈回路III、12反馈回路IV、13为DSP、14为总线接口电路、15为上位机、16为放大电路、17为隔离电路、18为功率驱动电路、19为隔离电路电源、20 为动力电源、21为电机转子位置解算电路、22为电流传感器信号转换电路、23 为位置传感器信号转换电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明一种高集成度四路位置伺服控制装置，如图1所示，DSP13发出 0-3.3V的PWM信号至控制回路Ⅰ1，控制回路Ⅰ1接收DSP13发送的6路PWM 信号，将该信号放大、隔离并提高输出能力；最终将DSP输出的PWM信号直接施加于作动器Ⅰ2内部的永磁同步电机上，实现电机控制。反馈回路Ⅰ3分别采集作动器Ⅰ的电机转子位置信号、电机相电流信号和作动器位移传感器信号，并将以上3种信号分别转换至DSP可接收的信号，以供DSP解算使用。

首先使用DSP13的GPIO配置成ePWM功能，生成6个PWM信号，将该信号以并行总线的形式连接至控制回路Ⅰ1的输入端口，放大电路16将以上 PWM信号隔离、放大后，以导线形式连接至作动器Ⅰ2的输入端。作动器Ⅰ2 分别将电机转子位置信号、电机相电流信号和位移传感器输出信号以导线形式输出至反馈回路Ⅰ3，反馈回路Ⅰ3分别将以上3种信号转换完成后，将电机相电流信号和位移传感器输出信号以可供DSP片内AD接收的模拟量形式输出至 DSP的片内AD端口，电机转子位置信号通过SPI总线方式传输至DSP的配置成SPI总线的GPIO，以供DSP以SPI总线形式读取。

第Ⅱ路至第Ⅳ路的实现方法与第一路相同。

控制回路I1、控制回路II4、控制回路III7、控制回路IV10均为控制电路。

作动器I2、作动器II5、作动器III8、作动器IV11，均为作动器。

反馈回路I3、反馈回路II6、反馈回路III9、反馈回路IV12均为反馈回路。

控制回路的设计原理如下：由DSP13发出0-3.3V的PWM信号至放大电路16，放大电路16接收DSP13发送的6路PWM信号，将该信号放大至0-5V，并提高输出能力；隔离电路17接收放大电路16的信号，通过光电耦合器实现控制部分与功率部分的电气隔离。隔离电路电源19为隔离电路光电耦合器的副边供电。功率驱动电路18接收隔离电路的输出信号，并通过该信号控制功率驱动电路内部的IGBT开关。动力电源20为IGBT供电，最终输出的PWM信号直接施加于伺服作动器Ⅰ内部的永磁同步电机上，实现电机控制。

其连接关系如下：首先由DSP13的GPIO配置成ePWM功能，生成6个 PWM信号，将该信号以并行总线的形式连接至放大电路16的输入管脚，放大电路的输出管脚通过导线连接至隔离电路17的输入管脚，隔离电路通过光耦 PC817隔离放大电路的输出信号，隔离电路电源19将一次电源28V转换成供光耦副边和功率驱动电路18工作的二次电源15V。隔离电路电源19一共产生相互隔离的4路二次电源15V，以导线形式连接至功率驱动电路18，以便于功率驱动电路18使用。功率驱动电路18接收隔离电路17的输出信号，并将动力电源20斩波，将最初的PWM波转换成功率信号，最终以导线形式连接至作动器。

如图3所示，反馈回路设计原理如下：电流传感器信号转换电路22采集作动器的永磁同步电机的相电流信号，并将该信号转换至DSP13内AD可采集的范围，DSP13采集该信号进行电流闭环控制使用；电机转子位置解算电路21 采集作动器的永磁同步电机的转子位置，解调后通过SPI总线传递至DSP13， DSP13采集该信号进行速度闭环控制使用；位置传感器信号转换电路23采集作动器的线位移传感器的电信号，并将该信号转换至DSP13片内AD可采集的范围，DSP13采集该信号进行位置闭环控制使用；

其连接关系如下：电流传感器信号转换电路22通过导线连接作动器的永磁同步电机的相电流端子，通过霍尔电流传感器LEM100P采集该电流信号，并将该信号通过运算放大器AD8692转换至0到3.3V的电压信号，以导线形式连接至DSP片内AD。位置传感器信号转换电路23通过导线连接作动器的线位移传感器信号输出端，并将该信号通过运算放大器AD8692转换至0到3.3V的电压信号，以导线形式连接至DSP13片内AD。电机转子位置解算电路21通过导线连接作动器的永磁同步电机的转子位置采集传感器输出端，使用AD2S1210采集电机的转子位置，并将其转换为数字量，通过SPI串行总线传输至DSP配置成SPI总线的GPIO，以供DSP以SPI总线形式读取。

总线接口电路14使用BU61580接收上位机通过1553B总线发送的各个伺服作动器位置指令，以并行总线的形式将控制指令传递至DSP，将其传递至 DSP13，DSP13解算控制指令后结合各个伺服作动器的反馈信号实现闭环控制，各路伺服作动器可以按照指令实现位置伺服功能。

Claims (5)

1.一种高集成度四路位置伺服控制装置，其特征在于：DSP(13)、若干伺服控制电路，伺服控制电路并联，且均接收PWM信号并将处理后信号传输至传输至DSP；伺服控制电路包括控制回路、作动器、反馈回路，DSP(13)以并行总线的形式连接至控制回路，控制回路接收DSP13发送的PWM信号，将该信号放大、隔离并提高输出能力，控制回路以导线形式连接至作动器的输入端；作动器分别将电机转子位置信号、电机相电流信号和位移传感器输出信号以导线形式输出至反馈回路，反馈回路分别将以上3种信号转换完成后，将电机相电流信号和位移传感器输出信号以可供DSP片内AD接收的模拟量形式输出至DSP的片内AD端口，电机转子位置信号通过SPI总线方式传输至DSP的配置成SPI总线的GPIO，以供DSP以SPI总线形式读取。

2.根据权利要求1所述的一种高集成度四路位置伺服控制装置，其特征在于：控制回路包括放大电路(16)、隔离电路(17)、功率驱动电路(18)、隔离电路电源(19)、动力电源(20)，DSP(13)以并行总线的形式连接至放大电路(16)的输入管脚，放大电路(16)的输出管脚通过导线连接至隔离电路(17)的输入管脚，隔离电路(17)通过光耦PC817隔离放大电路(16)的输出信号，隔离电路电源(19)将一次电源转换成供光耦副边和功率驱动电路(18)工作的二次电源；隔离电路电源(19)以导线形式连接至功率驱动电路(18)；功率驱动电路(18)接收隔离电路(17)的输出信号，并将动力电源斩波，将最初的PWM波转换成功率信号，最终以导线形式连接至作动器。

3.根据权利要求2所述的一种高集成度四路位置伺服控制装置，其特征在于：反馈回路包括电机转子位置解算电路(21)、电流传感器信号转换电路(22)、位置传感器信号转换电路(23)电流传感器信号转换电路(22)通过导线连接作动器的永磁同步电机的相电流端子，采集该电流信号，并将该信号转换至电压信号，以导线形式连接至DSP片内AD；位置传感器信号转换电路(23)通过导线连接作动器的线位移传感器信号输出端，并将该信号至电压信号，以导线形式连接至DSP13片内AD；电机转子位置解算电路(21)通过导线连接作动器的永磁同步电机的转子位置采集传感器输出端，采集电机的转子位置，并将其转换为数字量，通过SPI串行总线传输至DSP配置成SPI总线的GPIO，以供DSP以SPI总线形式读取。

4.根据权利要求3所述的一种高集成度四路位置伺服控制装置，其特征在于：还包括总线接口电路(14)、上位机(15)，总线接口电路(14)接收上位机发送的各个伺服作动器位置指令，以并行总线的形式将控制指令传递至DSP(13)，将其传递至DSP(13)，DSP(13)解算控制指令后结合各个伺服作动器的反馈信号实现闭环控制，各路伺服作动器可以按照指令实现位置伺服功能。

5.根据权利要求4所述的一种高集成度四路位置伺服控制装置，其特征在于：伺服控制电路为4个。