基于集成驅動的數(shù)字舵機控制器設計

王鴻睿 梁柱 馬炎

摘要：針對國內電動舵機控制系統(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動的數(shù)字舵機控制器的設計方法。采用了TI公司的TMS320F28335數(shù)字芯片和WBC02-30集成驅動芯片形成主回路。詳細介紹了系統(tǒng)的組成原理、電路設計和控制方法。試驗結果表明該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

關鍵詞：數(shù)字舵機控制器;TMS320F28335;小型化;集成驅動

引言

舵機是與控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是與控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。舵機按照所使用的能源來分類，通常可以分為氣動舵機、液壓舵機、電動舵機（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控制領域得到廣泛地應用[2]。隨著數(shù)字伺服控制與數(shù)字化信息技術的發(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動的數(shù)字舵機控制器，選用美國 TI 公司的 TMS320F28335 作為主控芯片，選用WBC02-30作為集成驅動器，配以相應的控制軟件以解決現(xiàn)有航空電動舵機控制器不符合數(shù)字化、低成本、小型化、集成化的需求。

1 數(shù)字舵機控制器硬件電路設計

舵機控制器硬件電路主要包括：電平轉換電路、DSP中央處理器單元、集成驅動器、422通訊電路、PWM產生電路、AD采樣電路。

本設計方案采用了“比例微分控制”（PD控制）來提高舵機的動態(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，減少調節(jié)時間[5]。

1.1 電平轉換電路

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集成驅動器

為了滿足舵機控制器的集成化、小型化的需求，并具備良好的散熱功能。選用了WBC02-30無刷直流電機驅動器。該集成驅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)字信號實現(xiàn)轉速控制與正反轉控制，便于實現(xiàn)數(shù)字隔離控制。該電路具有禁止功能和限流保護功能。

1.4 數(shù)據通信電路

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

1.5 PWM產生電路

舵機控制器輸出4路PWM和4路GPIO分別控制解鎖電路和4路舵機伺服機構。舵機控制器PWM和GPIO輸出由處理器TMS320F28335內嵌的PWM模塊和通用GPIO實現(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運算放大器將4路舵機反饋電壓進行調理，將調理后的信號經AD7656BST芯片進行轉換輸出到TMS320F28335的SPI接口。AD7656BST芯片具有6個獨立的ADC通道，雙極性模擬量輸入，并具備6通道的同步轉換功能，最高吞吐量可達250KSPS。

2 軟件設計

2.1控制算法

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

模糊PID控制器的原理圖如圖1所示。

3 實驗結果

經上述原理進行了集成驅動數(shù)字舵機控制器的硬件和軟件系統(tǒng)設計。將數(shù)字舵機控制器與舵機聯(lián)試，測試結果如圖2所示。

由圖可知集成驅動數(shù)字舵機控制器具有超調小，調節(jié)時間短，速度高等優(yōu)點，滿足了電動舵機控制系統(tǒng)預期指標要求。

4 結論

系統(tǒng)采用TI公司DSP芯片TMS320F28335和集成驅動器WBC02-30來完成的舵機控制系統(tǒng)設計。該電路設計具備了調試簡單，高可靠等優(yōu)點，解決了現(xiàn)有電動舵機控制器不符合數(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

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

[2]汪軍林，解付強，劉玉浩.電動舵機的研究現(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的原理和設計. 辭學出版社，2007.

[4 ]張琛. 直流無刷電機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]劉金琨，先進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.高精度機電伺服控制系統(tǒng)[J].微特電機，2007，35（2）：35—37.