专利名称：一种数字电动舵机控制装置和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种数字电动舵机的控制装置和控制方法，尤其针对飞行器用具有快速动态响应的无刷直流电动舵机。
背景技术：
电动舵机是一种高精度的位置伺服系统，舵机工作原理是接受主控计算机给出的舵面偏角给定信号，舵机控制系统将舵面偏角给定信号和舵面偏角反馈信号经过信号处理和程序调节最终通过输出指令来操纵舵面的偏转，从而改变飞行器的飞行姿势或飞行轨迹，最终确保飞行器在空中按照预定轨迹飞行。电动舵机属于飞行器的前端执行部件，在高速飞行的过程中要直接承受空气摩擦和阻力，工作环境恶劣，在需要承受大负载、高低温、强振动等苛刻条件的前提下还要保证偏转精度和响应速度，其中在如此复杂的工作环境中还要具有快速响应速度是一个技术难点。近年来，随着大功率电力电子技术和稀土永磁电机技术的快速发展，电动舵机技术发展迅速，成效显著，在小功率范围内正在一步步取代传统的液压舵机和气动舵机。公开号为CN102854814A的发明专利《一种数字舵机控制器》就提出了一种基于DSP模块的数字电动舵机方案，但是它只提出了系统的整体结构方案，对于系统的各个功能模块和具体控制方法没有详细给出。发表于《电工技术学报》的文章《一种永磁无刷直流电动舵机四象限控制》提供了一种在P ID基础上改进的基于电流滞环控制的电动舵机控制方案，但是这种改进是针对系统输出转矩脉动抑制，对于在复杂工作环境下的快速响应速度这个电动舵机最重要的性能并没有任何帮助。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种数字电动舵机的控制装置，电机响应速度快，抗干扰性强。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于电动舵机的控制装置，包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、传动齿轮组、电流传感器、位置传感器和通信电路。舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出6路数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路，从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，形成转速闭环；舵面当前偏角经通信电路传给上位机进行实时监测。本发明还提供上述控制装置的控制方法，包括以下步骤:第一步:将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行前期处理，包括电压变换、滤波和限幅；
第二步:将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP，为舵面偏角数字给定信号；第三步:将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；第四步:进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置环调节输出量，并且将其作为速度环给定；第五步:将电流环计数变量清零，利用采集的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；第六步:进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，将速度环计数变量加I;第七步:判断速度环PID调节次数是否达到设定次数n，n彡10，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；第八步:将采集的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD送入DSP，然后通过霍尔相序来判断当前转向的正负，母线电流值与转向信号相乘，变成矢量以作为电流环反馈；然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差；第九步:进行电流环PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量，将电流环计数变量加I ;第十步:把电流环调节输出量变换成占空比信号，占空比信号有正负；第十一步:将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；第十二步:判断电流环PID调节次数是否达到设定次数n，n彡10，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。本发明的有益效果是:由于无刷直流电机的母线电流没有正负向之分，但是在实际控制中为了实现舵面正反转，在进行电流环闭环时必须要赋予母线电流以正负号，本发明的上述控制方法在第八步里通过读取与无刷直流电机同轴相连的霍尔元件的当前三相霍尔状态，然后与无刷直流电机的正转逻辑相序和反转逻辑相序相比对，从而判断出当前电机转向，然后决定母线反馈电流的正负，当电机正转时认为反馈电流为正，当电机反转时认为反馈电流为负。所以本发明的有益效果是:本发明应用于电动舵机系统与传统舵机系统相比具有以下优势:(I)电磁力矩方向(即电流方向)始终与转速方向保持一致，可使无刷直流电机稳定的工作在电动模式下，使得舵机机械特性始终处于无刷直流电机机械特性的一、三象限，转矩与转速呈线性特性，使得舵机系统控制起来非常方便，可以有效的提高系统的稳态精度。(2)由于电机的实际转速方向决定了母线反馈电流的方向，所以电流环在实际上就对转速进行了有效的调节，这种方法可以有力地提高系统的快速性和灵活性。
图1为无刷直流电动舵机系统结构图
图中，I一/[目号调理电路，2一控制器DSP, 3一数字隔尚电路，4一驱动电路，5—主功率电路，6—无刷直流电机(BLDCM )，7—传动齿轮组，8—舵面，9一电流传感器，IO—位置传感器，11一RS422通信。图2为电动舵机系统控制框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本发明的技术方案包括:控制器一 DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、无刷直流电机(BLDCM)、传动齿轮组、舵面、电流传感器、位置传感器、422通信电路。舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP通过控制策略进行调节，输出6路数字控制信号，数字控制信号经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路里的MOSFET的开通关断，从而控制无刷直流电动机(BLDCM)工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号。无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样，实现电流环闭环控制。 与传动齿轮组相连的角度传感器(编码器)实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，通过当前偏角计算得到转速形成转速闭环，反馈回来的舵面当前偏角完成舵面位置闭环控制。舵面当前偏角经RS-422传给上位机进行实时监测。本发明的技术方案中，舵机系统控制方案采用位置-速度-电流三闭环PID控制。系统具体控制方法如下:第一步:将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行电压变换、滤波、限幅等前期处理；第二步:将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号；第三步:将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器(数字编码器)信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差;第四步:进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置环调节输出量，并且将其作为速度环给定，速度环给定有正负；第五步:将电流环计数变量清零，利用之前采集回来的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；第六步:进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，电流环给定有正负，将速度环计数变量加I ;第七步:判断速度环PID调节次数是否达到η (η < 10)次，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；第八步:将采集回来的母线反馈电流(标量)经过电压变换、滤波、限幅等处理后通过AD送入DSP，然后通过霍尔相序来判断当前转向的正负，母线电流值与转向信号相乘，变成矢量以作为电流环反馈。然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差。第九步:进行电流PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量(有正负)，将电流环计数变量加I ;第十步:把电流环调节输出量变换成占空比信号，占空比信号有正负。
第十一步:将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；第十二步:判断电流环PID调节次数是否达到η (η彡10)次，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。如图1所示，舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路I将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP2，DSP2通过控制策略进行调节，输出6路数字控制信号，数字控制信号经数字隔离电路3进行隔离、经驱动电路4转换成功率控制信号后，通过控制主功率电路5里的M0SFET，从而控制无刷直流电动机(BLDCM) 6工作，无刷直流电机通过传动齿轮组7带动舵面8偏转以跟随舵面偏角给定信号。无刷直流电机的母线电流经电流传感器9采样，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组相连的角度传感器(编码器)10实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，通过当前偏角计算得到转速形成转速闭环，反馈回来的舵面当前偏角完成舵面位置闭环控制。舵面当前偏角经RS-422通信电路11传给上位机进行实时监测。如图2所示，本发明采用经典的位置-速度-电流三闭环PID控制，其具体控制过程为: 第一步:将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行电压变换、滤波、限幅等前期处理；第二步:将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号P* ；第三步:将速度环计数变量Vcnt清零，用DSP读取角度传感器(数字编码器)信号作为舵面偏角数字反馈信号P，用舵面偏角数字给定信号P*减去舵面偏角数字反馈信号P求出位置偏差ΔΡ ；第四步:进行位置环PID调节，根据偏差Λ P算出位置环调节量输出，并且将其作为速度环给定V*有正负；第五步:将电流环计数变量Icnt清零，利用之前采集回来的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速V作为速度反馈，用速度环给定V*减去速度反馈V得到速度偏差Λ V ；第六步:进行速度环PID调节，根据速度偏差AV算出速度调节输出量，并将其作为电流环给定Γ，Γ有正负，将速度环计数变量Vcnt加I ;第七步:判断速度环PID调节次数是否达到η (η < 10)次，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；第八步:将采集回来的母线电流Itl经过电压变换、滤波、限幅处理后通过AD送入DSP，通过读取与无刷直流电机同轴相连的霍尔元件的当前霍尔状态，利用正反转霍尔相序判断舵机当前转向，转向正负用变量Fto来表示，通过公式I=FltoIci计算将电流变成矢量I作为电流反馈。然后用电流给定Γ减去电流反馈I得到电流偏差Al。第九步:进行电流环PID调节，根据电流偏差Λ I算出电流调节输出量(有正负)，将电流环计数变量Icnt加I ;第十步:把电流环调节输出量变换成占空比信号D，D有正负；第十一步:将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；第十二步:判断电流环PID调节次数是否达到η (η彡10)次，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节；本发明通过电机实际转向的正负来决定母线反馈电流的正负，使电磁转矩方向(即电流方向)始终与电机转向保持一致，使无刷直流电机稳定的工作在电动模式下，可以方便的进行控制 。
权利要求
1.一种数字电动舵机控制装置，包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、传动齿轮组、电流传感器、位置传感器和通信电路，其特征在于:舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出6路数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路，从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，形成转速闭环；舵面当前偏角经通信电路传给上位机进行实时监测。
2.一种利用权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于包括下述步骤: 第一步:将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行前期处理，包括电压变换、滤波和限幅； 第二步:将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP，为舵面偏角数字给定信号； 第三步:将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差； 第四步:进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置环调节输出量，并且将其作为速度环给定； 第五步:将电流环计数变量清零，利用采集的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差； 第六步:进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，将速度环计数变量加I ; 第七步:判断速度环PID调节次数是否达到设定次数η，η < 10，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制； 第八步:将采集的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD送入DSP，然后通过霍尔相序来判断当前转向的正负，母线电流值与转向信号相乘，变成矢量以作为电流环反馈；然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差； 第九步:进行电流环PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量，将电流环计数变量加I ; 第十步:把电流环调节输出量变换成占空比信号，占空比信号有正负； 第十一步:将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转； 第十二步:判断电流环PID调节次数是否达到设定次数η，η< 10，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。
全文摘要
本发明提供了一种数字电动舵机控制装置和控制方法，信号调理电路将舵面偏角给定信号进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，通过控制主功率电路从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP。本发明有效的加快了无刷直流电动舵机的频响，提高了系统的抗干扰性。
文档编号B64C13/50GK103231798SQ20131016277
公开日2013年8月7日 申请日期2013年5月6日 优先权日2013年5月6日
发明者李兵强, 李志 , 林辉, 戴志勇, 孙欣欣 申请人:西北工业大学