基于DSP的数字舵机控制器设计

1、文章编号:10071385(200601000804基于DSP的数字舵机控制器设计刘涛吕迅竑黄一敏(南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016摘要:介绍了某型无人机的数字式舵机控制器的设计。由于原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,设计了使用T M S320F2812作为CP U的数字式舵机控制器。本控制器使用DSP芯片对多路舵机实现了伺服控制,不但体积大大缩小,而且控制性能更加优良,并实现了系统的各主要控制参数的不拆机修改,增加了控制器的灵活性以及通用性。关键词:DSP;T MS320F2812;伺服控制;数字舵机控制器中图分类号:V279文献

2、标识码:A某型无人机使用的模拟式舵机控制器控制参数需用电位器进行调整,不易修改,且体积较大,抗干扰能力不强。在舵机控制器在无人机上安装好之后,控制参数的调整非常困难。由于受到舵机齿轮的限制,舵机零位的调整必须于安装好以后进行。由于电位器的可靠性相对较低,出现过多起由于电位器工作异常而返厂维修的情况。因此,用数字式舵机控制器取代模拟式舵机控制器势在必行。数字式舵机控制器抗干扰能力强,参数调整通过软件完成。1某型无人机舵机简介某型无人机选用的是交流舵机,该舵机由磁滞电动机、测速发电机、减速器、电磁离合器、反馈电位计及鼓轮组成1。测速机通过齿轮与磁滞电动机相连,提供交流测速信号。反馈电位计安装在鼓轮

3、上,提供舵机的位置反馈信号。磁滞电动机为三相交流电动机,通过电容移相,实现单相交流电源供电2。电动机采用pang-pang控制方式(即只控制电动机正转、反转、停止。2数字式舵机控制器总体设计舵机控制器控制舵机的基本原理是:飞控计算机通过RS232串口将舵机的位置给定信号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AD通道对舵机的位置和速度反馈收稿日期:20051205作者简介:刘涛(1977,男,山东淄博人,在读研究生信号采样,在软件中通过对给定量和反馈量的比较来决定是否对舵机发送控制信号,经由驱动电路实现对舵机的控制。舵机控制器以插板的形式置于飞控计算机机箱内部,所需5V及15V电源

4、由飞控计算机提供,总体框图如图1所示 。图1舵机控制器系统框图3数字式舵机控制器硬件设计数字式舵机控制器硬件由DSP及其外围电路、反馈信号采样电路、驱动电路、串口通信电路组成。硬件电路结构图如图2所示。3.1CP U及外围电路CP U选用TI公司的DSP芯片T MS320F2812,此芯片内部集成马达控制外围设备、串口外围设备、16通道的12位的ADC以及128K片内F LAS H存储器,适合进行电机控制3。DSP的外围电路包括参数存储电路、时钟电路、JT AG接口电路和供电电源电路等。用16K的EEP2 RO M:24LC16B进行控制参数存储。时钟电路使用外部有源晶振,通过CP U内部P

5、LL倍频得到最大为150MHz的工作频率。DSP芯片的JT AG口可实现在线编程。由电源芯片TPS767D318将飞控计算机提供2006年2月第23卷第1期沈阳航空工业学院学报Journal of Shenyang I nstitute of Aer onautical EngineeringFeb.2006Vol.23No.1的5V 电源转换为3.3V 和1.8V,满足DSP 的3.3V 的外围电源及1.8V 的核心电源的需要。图2舵机控制器硬件电路结构图3.2舵机测速反馈及位置反馈处理电路舵机位置反馈信号是由反馈电位计输出的直流信号。由于加在电位计两端的电源为15V 电源,因此,位置反馈信

6、号范围为+15V -15V 。T MS320F2812片内AD 的输入范围为03V,因此,应对信号进行衰减和电平平移,在AD 采样之前,还应进行滤波,去除高频干扰信号对采样造成的影响。舵机的速度反馈信号是400Hz 交流信号,无法直接用于伺服控制的反馈。因此,应通过解调电路先解调成直流信号。对解调后的直流信号进行滤波、衰减、电平平移后再进行AD 采样。采样的精度由DSP 芯片的片内AD 的精度决定,此芯片的片内AD 的精度为12位,单次转换时间为80ns,可满足系统的采样要求。两反馈通道滤波电路均采用二阶低通滤波电路。滤波器原理图如图3所示。此滤波器的放大倍数:A uo =-R 3/R 1,截

7、止角频率c =1/R 2R 3C 1C 2=2f c ,据此设计R 1、R 2、R 3、 C 1、C 2的值,使参数设置满足低通滤波的要求。图3二阶低通滤波电路3.3舵机的电动机控制电路舵机的电动机的控制电路由光电隔离、双向可控硅放大电路组成。DSP 通过I O 口输出控制信号,经双向可光电耦合器隔离,触发双向可控硅导通,从而控制电动机运转。舵机控制电路的示意图如图4。图中虚线右侧为磁滞电动机,通过跨接于90V 交流电AB 两相间的移相电容,实现单相供电,即仅靠A 相或B 相供电即可使磁滞电动机转动。使用DSP 芯片的通用I/O 口(GP I O 对舵机进行控制,而不是P WM 输出引脚进行控

8、制,去除了DSP 控制电机数量有限的限制。在我们的系统中,可以控制五路舵机的运行。由于此款DSP 芯片的良好性能,经程序运行时间和AD 采样时间的测算,还可以继续扩展舵机的控制数目,这为系统的改进打下了良好的基础。图5为光电隔离及驱动电路的原理图。 经CP U 出来的控制信号经光耦器件隔离后 ,通过控制开关管导通的方式达到控制磁滞电动机转动的目的。图4舵机控制电路图5光耦隔离电路及驱动电路原理图4数字式舵机控制器软件设计数字式舵机控制器的控制程序的主要功能是通过串口接收飞控计算机的位置给定信号,采样舵机的反馈信号,通过位置给定信号与反馈信号进行比较的方式进行控制量的输出进行控制律解算后控制舵机

9、运行。为了便于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,参数的可在线修改增加了控制程序的灵活性。舵机控制器接收位置给定信号、发送位置反馈信号由串口通信处理子程序完成,参数的修改由参数处理子程序完成。第1期刘涛等:基于DSP 的数字舵机控制器设计94.1控制主程序本系统的主程序流程图如图6所示。首先进行系统初始化,完成各功能寄存器、定时器的基本设置,以及参数从外部EEPROM 的读入。初始化完成后,进入主循环。在主循环中,根据标志位调用不同的子程序 。图6主程序流程图在串口通讯处理子程序中,控制信号是以数据帧的形式经飞控计算机的串口给出,子程序通过判断数据帧帧头的方式来判断给

10、出的信号的类型,是参数处理数据、舵机控制信号数据还是无效数据。当接收到舵机控制信号(即位置给定信号时,调用反馈信号的AD 采样子程序程序,取得反馈量的数值,最后在控制量输出子程序里根据位置给定与反馈量的差值决定控制量的输出。当接收到的数据是需要调节的参数时,调用参数处理子程序,将EEPROM 存储的参数数据进行修改和保存后,程序结束返回系统初始化之前。当接收到无效数据时,返回串口处理子程序的开始位置。在AD 采样子程序中,依次对多路舵机的位置和测速反馈信号进行采样,在采样完成后调用控制量输出子程序。在控制量输出子程序中,对采集到的反馈信号进行线性变换处理,使之格式与位置给定信号相同,再综合考虑

11、反馈比例调节系数、死区、舵机零偏值的影响,以负反馈的形式与位置给定信号进行比较,决定是否向与舵机控制电路的I/O 端口发送信号,使磁滞电动机动作,完成了对舵机的伺服控制。4.2参数处理子程序由于舵机在长时间工作之后会存在零位偏移等问题,以及在舵机控制器在使用的过程中,对同类型但参数不同的舵机进行控制时需修改两反馈通道的比例调节系数,因此软件中参数的可调节性可以灵活的修改控制律,使产品的通用性和可维护性得以提高。在参数处理子程序中,若从串口接收的飞控计算机的指令为反馈比例调节系数、死区、舵机零偏值等可调参数的修改指令时,对外部扩展的EE 2PROM 进行写入操作,覆盖原存储的系统参数。此子程序是

12、依靠Bootl oader 的SP I 引导功能实现的。在现场的使用中,将DSP 的JT AG 口通过航空插头引出,配合我们设计的无人机仿真测试设备,就可以进行参数的调整,解决了原模拟式舵机控制器必须返厂维修的问题。5数字化负面影响的解决数字化带来的负面影响是使系统的响应时间变慢,从而使系统的控制特性变差。在本系统中,选用的主控芯片的主频极高,达到了150MHz,执指速度极快,片内AD 的转换速度也达到80ns,可满足系统的采样及控制输出要求。其次,采样电路使用了二阶低通滤波器,滤除了干扰信号,也缩短了系统的调节时间,由于所设计系统的所采样信号为低频信号,数字化后的响应速度与模拟式舵机控制器的

13、响应速度差别不大。6实验结果在相同的实验条件下,对数字舵机控制器和原使用的模拟式舵机控制器进行比较,位置给定为1度时舵机的位置输出如图7所示。由图可见,由于采用了二阶滤波电路,抑制了超调现象的出现,从而改善了位置输出信号的品质。7结束语实践证明,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,且与模拟式舵机控制器相比,数字式舵机控制器体积较小,灵活性较10沈阳航空工业学院学报第22卷 图7模拟(左图和数字(右图式舵控器位置输出强,通过串口对参数进行修改即可以控制参数不同的舵机,配合我们设计的仿真测试设备,不拆卸飞控计算机即可修改舵机的参数,增加了舵机控制系统的可维护性。参考文献:1唐明余.

14、长空靶机舵回路J.南京航空航天大学学报,1993,25(1:105-1102张明廉.飞行控制系统M.北京:国防工业出版社.1984.146-1483美Texas I nstruments I ncor porated,张卫宁编译.T MS320C28X系列DSP的CP U与外设M.北京:清华大学出版社.2004The desi gn of nu meri c rudder controller base on DSPL I U TaoLV Xun-hongHUANG Yi-m in(College of Aut omati on Engineer,Nanjing University of A

15、er onautics and A str onautics,J iangsu Nanjing210016Abstract:The paper intr oduces in detail the design of nu meric rudder contr oller of p il otless-p lane.The anal og rudder contr oller we ever use is difficult t o adjust the contr ol-para meters,and the potenti ometers which use t o adjust the p

16、ara meter are easy t o be da maged by librati ons in the course of flying.So we design a kind of nu meric rudder contr oller based on the chi p of T MS320F2812,can contr ol multi-channelsrudders in a servo syste m. This contr ollers bulk is s maller than the anal og contr oller and more excellent in

17、 capability.More i m portant,we can change the contr ol-para meters easily but we dont need t o take apart the p lane.This character increases the agility and compatibility of the contr oller.Keywords:DSP;T MS320F2812;servo-syste m;numeric rudder contr oller(上接第13页I ntelli gent detecti n g i n stru

18、ment desi gn of so me ki n d a i rpl ane engi n eQ I A O Zhi-huaZ HAO W en-chengCAO J iangtaoHU L i-fu(Depart m ent of Aut omati on Engineering,Shenyang I nstitute of Aer onautical Engineering,L iaoning Shenyang110034Abstract:I n order t o i m p le ment the fast aut o-detecting functi on of the aircraft engine comp letely,we designed and devel oped a ne w kind of detecting syste m f or s ome kind air p lane engine,and the method is based upon the integrated analysis of the f or mer circuit syste m.I n this paper we p resent a syste m design sche me about the hard2 war