基于集成驅動的數字舵機控制器設計

王鴻睿 梁柱 馬炎

摘要：針對國內電動舵機控制系統趨于數字化、集成化、小型化的需求，提出了一種基于集成驅動的數字舵機控制器的設計方法。采用了TI公司的TMS320F28335數字芯片和WBC02-30集成驅動芯片形成主回路。詳細介紹了系統的組成原理、電路設計和控制方法。試驗結果表明該系統具有良好的動態和穩態特性。

關鍵詞：數字舵機控制器;TMS320F28335;小型化;集成驅動

引言

舵機是與控制系統的重要組成部分，也是與控制系統的執行機構。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為核心的數字信號處理器的飛速發展使數字伺服控制器在電機控制領域得到廣泛地應用[2]。隨著數字伺服控制與數字化信息技術的發展，逐步向智能化、數字化和信息化方向發展，數字伺服控制器替代現有的模擬伺服控制器已成為的發展趨勢[3]。

本文介紹一種基于集成驅動的數字舵機控制器，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有航空電動舵機控制器不符合數字化、低成本、小型化、集成化的需求。

1 數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，加快系統動作速度，減少調節時間[5]。

1.1 電平轉換電路

采用LM1117IMPX線性穩壓器為TMS320F28335提供A3.3V和D3.3V電壓[6]。采用AMS1117線性穩壓器為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。可以直接使用數字信號實現轉速控制與正反轉控制，便于實現數字隔離控制。該電路具有禁止功能和限流保護功能。

1.4 數據通信電路

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），只需通過適當的總線驅動器即可實現異步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[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，同時動態指標要求不斷提高，因此舵系統控制難度大、控制算法設計及控制參數調節是舵系統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學模型，對于系統動態響應有較好的魯棒性和適應性，將模糊控制思想引入傳統的PID控制中，根據誤差及誤差變化率建立模糊規則表，具有實現方法簡易、易于工程化實現的特點[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字舵機控制器的硬件和軟件系統設計。將數字舵機控制器與舵機聯試，測試結果如圖2所示。

由圖可知集成驅動數字舵機控制器具有超調小，調節時間短，速度高等優點，滿足了電動舵機控制系統預期指標要求。

4 結論

系統采用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設計。該電路設計具備了調試簡單，高可靠等優點，解決了現有電動舵機控制器不符合數字化、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測系統[J]. 水雷戰與艦船防護，2015，23（1）：17-18.

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

[3 ]葉金虎.現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：機械工業出版社，2004.

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

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