基于集成驅(qū)動的數(shù)字舵機(jī)控制器設(shè)計

王鴻睿 梁柱 馬炎

摘要：針對國內(nèi)電動舵機(jī)控制系統(tǒng)趨于數(shù)字化、集成化、小型化的需求，提出了一種基于集成驅(qū)動的數(shù)字舵機(jī)控制器的設(shè)計方法。采用了TI公司的TMS320F28335數(shù)字芯片和WBC02-30集成驅(qū)動芯片形成主回路。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成原理、電路設(shè)計和控制方法。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字舵機(jī)控制器;TMS320F28335;小型化;集成驅(qū)動

引言

舵機(jī)是與控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是與控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。舵機(jī)按照所使用的能源來分類，通常可以分為氣動舵機(jī)、液壓舵機(jī)、電動舵機(jī)（electromechanical actuator，簡稱EMA）等[1]。

以DSP為核心的數(shù)字信號處理器的飛速發(fā)展使數(shù)字伺服控制器在電機(jī)控制領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用[2]。隨著數(shù)字伺服控制與數(shù)字化信息技術(shù)的發(fā)展，逐步向智能化、數(shù)字化和信息化方向發(fā)展，數(shù)字伺服控制器替代現(xiàn)有的模擬伺服控制器已成為的發(fā)展趨勢[3]。

本文介紹一種基于集成驅(qū)動的數(shù)字舵機(jī)控制器，選用美國 TI 公司的 TMS320F28335 作為主控芯片，選用WBC02-30作為集成驅(qū)動器，配以相應(yīng)的控制軟件以解決現(xiàn)有航空電動舵機(jī)控制器不符合數(shù)字化、低成本、小型化、集成化的需求。

1 數(shù)字舵機(jī)控制器硬件電路設(shè)計

舵機(jī)控制器硬件電路主要包括：電平轉(zhuǎn)換電路、DSP中央處理器單元、集成驅(qū)動器、422通訊電路、PWM產(chǎn)生電路、AD采樣電路。

本設(shè)計方案采用了“比例微分控制”（PD控制）來提高舵機(jī)的動態(tài)性能[4]。比例控制的作用是瞬時減小偏差信號，微分控制的作用是能使偏差在變大之前引入一個早期的修正信號，加快系統(tǒng)動作速度，減少調(diào)節(jié)時間[5]。

1.1 電平轉(zhuǎn)換電路

采用LM1117IMPX線性穩(wěn)壓器為TMS320F28335提供A3.3V和D3.3V電壓[6]。采用AMS1117線性穩(wěn)壓器為TMS320F28335提供A1.9和D1.9V電壓。

1.2 DSP中央處理單元

為滿足產(chǎn)品的可靠性、高精度、高速采集的要求，中央處理單元采用處理器TMS320F28335。TMS320F28335是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位CPU。

1.3集成驅(qū)動器

為了滿足舵機(jī)控制器的集成化、小型化的需求，并具備良好的散熱功能。選用了WBC02-30無刷直流電機(jī)驅(qū)動器。該集成驅(qū)動具備極限功率電源電壓80V、最大輸出電流30A、全部的橋臂控制電路、霍爾信號解碼電路。可以直接使用數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制與正反轉(zhuǎn)控制，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字隔離控制。該電路具有禁止功能和限流保護(hù)功能。

1.4 數(shù)據(jù)通信電路

舵機(jī)控制器接受指令為異步RS422通信方式，TMS320F28335內(nèi)部集成串行通信接口（SCI），只需通過適當(dāng)?shù)目偩€驅(qū)動器即可實(shí)現(xiàn)異步422通信。總線驅(qū)動器選用MAX490ESE芯片。

1.5 PWM產(chǎn)生電路

舵機(jī)控制器輸出4路PWM和4路GPIO分別控制解鎖電路和4路舵機(jī)伺服機(jī)構(gòu)。舵機(jī)控制器PWM和GPIO輸出由處理器TMS320F28335內(nèi)嵌的PWM模塊和通用GPIO實(shí)現(xiàn)[9]。

1.6 AD采樣電路

為了滿足AD采樣電路的電平要求，采用OP4177運(yùn)算放大器將4路舵機(jī)反饋電壓進(jìn)行調(diào)理，將調(diào)理后的信號經(jīng)AD7656BST芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出到TMS320F28335的SPI接口。AD7656BST芯片具有6個獨(dú)立的ADC通道，雙極性模擬量輸入，并具備6通道的同步轉(zhuǎn)換功能，最高吞吐量可達(dá)250KSPS。

2 軟件設(shè)計

2.1控制算法

由于舵系統(tǒng)受工藝、制造水平以及飛行負(fù)載的影響，具有較強(qiáng)的非線性和強(qiáng)耦合特點(diǎn)，同時動態(tài)指標(biāo)要求不斷提高，因此舵系統(tǒng)控制難度大、控制算法設(shè)計及控制參數(shù)調(diào)節(jié)是舵系統(tǒng)研制的共用關(guān)鍵技術(shù)之一。模糊控制不依賴于被研究對象的精確數(shù)學(xué)模型，對于系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒性和適應(yīng)性，將模糊控制思想引入傳統(tǒng)的PID控制中，根據(jù)誤差及誤差變化率建立模糊規(guī)則表，具有實(shí)現(xiàn)方法簡易、易于工程化實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)[6]。

模糊PID控制器的原理圖如圖1所示。

3 實(shí)驗結(jié)果

經(jīng)上述原理進(jìn)行了集成驅(qū)動數(shù)字舵機(jī)控制器的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計。將數(shù)字舵機(jī)控制器與舵機(jī)聯(lián)試，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖可知集成驅(qū)動數(shù)字舵機(jī)控制器具有超調(diào)小，調(diào)節(jié)時間短，速度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了電動舵機(jī)控制系統(tǒng)預(yù)期指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

系統(tǒng)采用TI公司DSP芯片TMS320F28335和集成驅(qū)動器WBC02-30來完成的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計。該電路設(shè)計具備了調(diào)試簡單，高可靠等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有電動舵機(jī)控制器不符合數(shù)字化、低成本、小型化、集成化問題。采用了比例微分的控制方法，得到了較好的控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]王海軍，一種直流永磁無刷電機(jī)及控制器的監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2015，23（1）：17-18.

[2]汪軍林，解付強(qiáng)，劉玉浩.電動舵機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.控制與.2008（3）：42-46

[3 ]葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動機(jī)的原理和設(shè)計. 辭學(xué)出版社，2007.

[4 ]張琛. 直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]劉金琨，先進(jìn)PID控制MATLABA仿真[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007：1-6

[6]張海濤，林輝.高精度機(jī)電伺服控制系統(tǒng)[J].微特電機(jī)，2007，35（2）：35—37.