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无人飞行器数字舵机控制仪的研制

归档日期:07-08       文本归类:直接数字控制      文章编辑:爱尚语录

  的研究。由于数字舵机是一个复杂的机电一体化系统,使用的模拟式舵机控制器的控制参数不易调整,且用于调整参数的电位器极易出现故障,设计了一套基于TMS320F2812的数字舵机控制系统,同时分析了其结构组成,控制方案、控制器软硬件设计。

  不但在体积上有所缩小,而且简化了系统外围设备,降低了系统的功耗,控制性能比模拟式舵机更加优良,增加了控制器的准确性以及可靠性,对电动机的发展具有较大的实用意义和工程价值。

  现在军事领域中使用无人飞行器既要达到体积小、耗电量少而且功能调整度灵敏。因为微处理器的关系,数字舵机可以在将动力脉冲发送到舵机马达之前,对输入信号利用设定的参数进行处理,这意味着动力脉冲的宽度,可以根据微处理器的程序运算而调整,以适应不同的功能要求,并优化舵机的性能。

  舵机主要由无刷电机、控制器、舵机机械结构、传感器四部分组成,其中控制器是舵机的核心部分口。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机,经由电路板上的 IC判断转动方向,再驱动无核心马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由位置检测器送回讯号,判断是否已经到达定位。

  位置检测器其实就是可变电阻,当舵机转动时电阻值也会随之改变,由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上,当电流流经线圈时便会产生磁场,与转子外围的磁铁产生排斥作用,进而产生转动的作用力。

  舵机是无人机飞行控制系统的执行机构,在空中按一定轨迹飞行的无人机都是靠舵机带动舵面来实现的,其性能的好坏直接影响无人机性能。舵机主要由无刷电机、控制器、舵机机械结构、传感器四部分组成,其中控制器是舵机的核心部分口。由于舵机控制精度高,响应速度快,因此本文选用TMS320F2812作为主控制单元。

  飞控计算机通过RS232串口发出舵偏角指令以数字形式送给舵机控制器并监控舵机的状态,舵机控制器TMS320F2812接收到该指令后通过AD通道与检测到的实际舵面偏转角送入舵面的位置和速度调节单元从而得到参考PWM占空比,在软件中通过实际量测量和反馈量的比较来决定是否对舵机发送控制信号,经由减速传动驱动电路实现对舵机的控制。总体框图如图1所示:

  数字式舵机控制器硬件由控制电路、反馈信号采样电路、驱动电路、串口通信电路组成。

  由TMS320F2812作为主控芯片的控制电路是数字化舵机的核心部分,实现信号的采集,位置与速度的调节,校正和控制PWM信号输出分配。选用美国德州仪器公司生产的TMS320F2812芯片作为主控单元。

  此芯片主频150MHz,32位内核,片上集成256 K字节的闪存,内部集成马达控制外围设备、串口外围设备、具有16通道12位的ADC以及集成128K字节的闪存,方便自启动,无需外部扩展,减小了控制系统的尺寸,适合进行伺服电机的控制。

  内部含有96个中断源,能够及时处理各种突发事件,提高了系统的可靠性,DSP的外围电路包括参数存储电路、时钟电路、JTAG接口电路和供电电源电路等。

  时钟电路使用外部有源晶振,通过CPU内部PLL倍频得到最大为150MHz的工作频率,可减小外部干扰信号对波形的影响,DSP芯片的JTAG口可实现在线编程。

  由电源芯片TPS767D301将飞控机提供的5V电源转换为TMS320F2812的内核1.8V和I/O的3.3V,通过改变定时器1周期寄存器与比较寄存器的数值就可以改变定时器T1的PWM信号的占空比,从而控制舵机输出。

  该驱动电路采用的是光耦隔离驱动电路,能够进行触发脉冲的信号隔离。由于控制电路产生的触发信号属于弱电信号,采用比较常见用于信号传输的高速光耦将控制电路和驱动电路进行有效的隔离,用来实现单方向传递信号以避免DSP运行时受到功放电路的干扰,同时TMS320F2812的PWM输出是3.3V的信号,而舵机的驱动需要5V的信号。因此,在处理器与舵机之间需要一个电压转换芯片。

  由MAXIM公司生产的双向8通道电平转换芯片MAX3001E能够为多电压系统的数据传输提供必要的电平转换。外接电压VCC和VL分别设置转换器两侧的逻辑电平。

  器件VL一侧的逻辑信号在VCC一侧呈现为较高电压的逻辑信号,该芯片有8个通道,能够完成系统的至少4路PWM信号输出,光耦隔离电路及驱动电路原理图如图2所示。

  数据采集是飞行测控仪的另一个关键部分,系统能否正常工作取决于数据采集是否及时、数据转换是否及时、是否达到精度要求,数据传输是否实时。

  根据设计要求,数据采集部分用作采集飞行器飞行过程中的气压和空速,来自传感器的信号为0~5V的模拟信号,对这两路信号的输入要求模数转换器为16位A/D,采样频率不小于100KHz,通道数大于2,转换精度±1LSB。

  由于TMS320F2812内置的模数转换器只有12位的操作范围,不能满足系统的设计要求,因此需要外扩模数转换器以达到设计要求。由MAXIM公司推出的MAX1168芯片是一款功率低、体积小的模数转换芯片,高性价比使它成为数据采集、数字信号处理等系统中的理想器件,如图3所示:

  数字式舵机控制器的主程序流程是先将DSP的时钟、定时器、寄存器、中断、A/D端口、PWM端口等初始化,通过串口接收飞控计算机的位置、速度给定信号,通过中断采样舵机的反馈信号同时完成数据的采集处理滤除干扰信号和较大的信号,实现控制算法。

  通过位置给定信号与反馈信号采取比较的方式进行控制量输出,通过控制算法控制舵机运行。调整控制器系统的各参数,编写参数处理子程序,通过串口修改参数,舵机控制器接收位置给定信号由串口通信处理子程序完成,参数的修改通过串口调用串口子程序来完成。

  通过改变PWM1-PWM4脉冲调制信号的占空比,空间矢量PWM控制就是通过分配电压空间矢量,尤其是零矢量的作用时间,最终形成等幅不等宽的PWM脉冲波,频率按逆时针方向匀速旋转,那么其在三相轴上的投影就是对称的正弦量。

  从仿真结果可以看出,在较强外界干扰的影响下,姿态角能够很好地跟踪较为苛刻的方波指令信号。

  本文采用了TMS320F28l2作为主控芯片集成了PWM电路,正交编码脉冲QEP电路、捕获单元、串行通讯端口等许多控制部件,使电机的控制模块大为简化。

  采用数字控制的舵机控制器同样可以实现良好的伺服控制,整个系统简单可靠,运行效果良好,控制精度高,数字式舵机控制器体积较小,灵活性较强,通过串口对参数进行修改即可以控制参数不同的舵机,不拆卸飞控计算机即可修改舵机的参数。

  通过伺服电机测速阶跃响应函数、脉冲响应函数、初始条件响应函数,能自动产生适当的仿真范围对模型进行仿真,也可以直接指定仿真终止时间或采样时间向量。

  (摘编自《电气技术》,原文标题为“基于DSP无人飞行器数字舵机控制仪研究”,作者为袁媛、王忠庆等。)返回搜狐,查看更多

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