專利名稱：一種基于位置環(huán)換向的電動舵機裝置和控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字電動舵機裝置和控制方法，尤其是飛行器用的無刷直流電動舵機。
背景技術：
電動舵機是一種高精度的位置伺服系統(tǒng)，舵機工作原理是接受主控計算機給出的舵面偏角給定信號，舵機控制系統(tǒng)將舵面偏角給定信號和舵面偏角反饋信號經(jīng)過信號處理和調(diào)節(jié)后最終通過輸出指令來操縱舵面的偏轉(zhuǎn)，從而改變飛行器的飛行姿勢或飛行軌跡，最終確保飛行器在空中按照預定軌跡飛行。電動舵機屬于飛行器的前端執(zhí)行部件，在高速飛行的過程中要直接承受空氣摩擦和阻力，工作環(huán)境惡劣，在需要承受大負載、高低溫、強振動等苛刻條件的前提下還要保證偏轉(zhuǎn)精度和響應速度，這對核心控制算法的要求就提高了。近年來，隨著大功率電力電子技術和稀土永磁電機技術的快速發(fā)展，電動舵機技術發(fā)展迅速，成效顯著，在小功率范圍內(nèi)正在一步步取代傳統(tǒng)的液壓舵機和氣動舵機。公開號為CN102854814A的發(fā)明專利《一種數(shù)字舵機控制器》就提出了一種基于DSP模塊的數(shù)字電動舵機方案，但是它只提出了系統(tǒng)的整體結構方案，對于系統(tǒng)的各個功能模塊和具體控制方法沒有詳細給出。發(fā)表于《電工技術學報》的文章《一種永磁無刷直流電動舵機四象限控制》提供了一種在PID基礎上改進的基于電流滯環(huán)控制的電動舵機控制方案，但是這種改進是針對系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩脈動抑制，對于在復雜工作環(huán)境下的偏轉(zhuǎn)精度和響應速度這些電動舵機最重要的性能并沒有任何幫助。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于位置環(huán)換向的電動舵機裝置，電機響應速度快，抗干擾性強。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于位置環(huán)換向的電動舵機裝置，包括信號調(diào)理電路、DSP、數(shù)字隔離電路、驅(qū)動電路、主功率電路、無刷直流電機、傳動齒輪組、舵面、電流傳感器、位置傳感器和通信電路。舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP輸出6路數(shù)字控制信號，經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，功率控制信號通過控制主功率電路，從而控制無刷直流電動機工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號；無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣反饋至DSP，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制；與傳動齒輪組相連的角度傳感器實時反饋舵面當前偏角，傳給DSP，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)；舵面當前偏角經(jīng)通信電路傳給上位機進行實時監(jiān)測。本發(fā)明還提供上述裝置的控制方法，包括以下步驟:第一步:將舵面 偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行前期處理，包括電壓變換、濾波和限幅；
第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP為舵面偏角數(shù)字給定信號；第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量清零，用DSP讀取角度傳感器信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號，用舵面偏角數(shù)字給定信號減去舵面偏角數(shù)字反饋信號求出位置偏差；第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)位置偏差算出位置調(diào)節(jié)輸出量，并且將其作為速度環(huán)給定，速度環(huán)給定有正負，記錄速度環(huán)給定的正負號，以決定本控制周期的母線反饋電流的正負號；第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量清零，利用采集的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速作為速度反饋，用速度環(huán)給定減去速度反饋得到速度偏差；第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)， 根據(jù)速度偏差算出速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定，電流環(huán)給定有正負，將速度環(huán)計數(shù)變量加I;第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設定次數(shù)n，n彡10，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制；第八步:將采集回來的母線反饋電流經(jīng)過電壓變換、濾波和限幅后通過AD采樣送入DSP，然后與本控制周期的位置環(huán)輸出的速度環(huán)給定的符號相乘，變成矢量，以作為電流環(huán)反饋；然后用電流環(huán)給定減去電流環(huán)反饋得到電流偏差；第九步:進行電流PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差算出電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，將電流環(huán)計數(shù)變量加I;第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號，占空比信號有正負；第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)；第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設定次數(shù)n，n彡10，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的上述控制方法通過本控制周期的速度環(huán)給定(gp位置環(huán)輸出)信號正負來決定當前控制周期采集回來的母線電流的正負號，即當需要轉(zhuǎn)速為正時就認為反饋電流為正，當需要轉(zhuǎn)速為負時就認為反饋電流為負。由于速度環(huán)的給定即為位置環(huán)的輸出，而電流的正負就決定了無刷直流電機的轉(zhuǎn)向，所以這種通過位置環(huán)輸出方向來決定電機轉(zhuǎn)向的控制方法就稱為位置環(huán)換向方法。將本控制系統(tǒng)應用于電動舵機系統(tǒng)與傳統(tǒng)舵機系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢:由于位置環(huán)輸出決定母線反饋電流的符號，每當電流環(huán)調(diào)節(jié)η2次，位置環(huán)才調(diào)節(jié)一次，所以對于位置環(huán)的每一次調(diào)節(jié)輸出結果，控制系統(tǒng)都經(jīng)過了 η2次的調(diào)節(jié)，這充分多的調(diào)節(jié)次數(shù)就保證了舵面能夠完全跟上位置給定，使得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度能得到了極大的提高。


圖1為無刷直流電動舵機系統(tǒng)結構中，I一/[目號調(diào)理電路，2一控制器DSP, 3一數(shù)字隔尚電路，4一驅(qū)動電路，5—主功率電路，6—無刷直流電機(BLDCM )，7—傳動齒輪組，8—舵面，9一電流傳感器，IO—位置傳感器，11一RS422通信。
圖2為電動舵機系統(tǒng)控制框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案包括:控制器一 DSP、數(shù)字隔離電路、驅(qū)動電路、主功率電路、無刷直流電機(BLDCM)、傳動齒輪組、舵面、電流傳感器、位置傳感器、422通信電路。舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP通過控制策略進行調(diào)節(jié)，輸出6路數(shù)字控制信號，數(shù)字控制信號經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，功率控制信號通過控制主功率電路里的MOSFET的開通關斷，從而控制無刷直流電動機(BLDCM)工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號。無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。與傳動齒輪組相連的角度傳感器(編碼器)實時反饋舵面當前偏角，傳給DSP,通過當前偏角計算得到轉(zhuǎn)速形成轉(zhuǎn)速閉環(huán),反饋回來的舵面當前偏角完成舵面位置閉環(huán)控制。舵面當前偏角經(jīng)RS-422傳給上位機進行實時監(jiān)測。本發(fā)明的技術方案中，舵機系統(tǒng)控制方案采用位置-速度-電流三閉環(huán)PID控制。系統(tǒng)具體控制方法如下:第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行電壓變換、濾波、限幅等前期處理；第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP為舵面偏角數(shù)字給定信號；第三步:將速度環(huán) 計數(shù)變量清零，用DSP讀取角度傳感器(數(shù)字編碼器)信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號，用舵面偏角數(shù)字給定信號減去舵面偏角數(shù)字反饋信號求出位置偏差;第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)位置偏差算出位置調(diào)節(jié)輸出量，并且將其作為速度環(huán)給定，速度環(huán)給定有正負，記錄速度環(huán)給定的正負號，以決定本控制周期的母線反饋電流的正負號；第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量清零，利用之前采集回來的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速作為速度反饋，用速度環(huán)給定減去速度反饋得到速度偏差；第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差算出速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定，電流環(huán)給定有正負，將速度環(huán)計數(shù)變量加I ;第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η < 10)次，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制；第八步:將采集回來的母線反饋電流(標量)經(jīng)過電壓變換、濾波、限幅等處理后通過AD送入DSP，然后與本控制周期的速度環(huán)給定(位置環(huán)輸出)的符號相乘，變成矢量，以作為電流環(huán)反饋。然后用電流環(huán)給定減去電流環(huán)反饋得到電流偏差。第九步:進行電流PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差算出電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量(有正負)，將電流環(huán)計數(shù)變量加I ;第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號，占空比信號有正負。第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)；第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η彡10)次，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。如圖1所示，舵面位置給定以模擬信號送入，通過信號調(diào)理電路I調(diào)理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP2，DSP實現(xiàn)控制策略控制，輸出6路驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)數(shù)字隔離電路
3、驅(qū)動電路4和主功率電路5，控制無刷直流電動機(BLDCM) 6工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組7帶動舵面8偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面位置給定。無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器9采樣，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制。與傳動齒輪組相連的位置傳感器(編碼器)10實時反饋舵面的當前位置，傳給DSP，通過位置信號計算得到轉(zhuǎn)速形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，反饋回來的位置信號完成舵面位置閉環(huán)控制。舵面位置實際測量值經(jīng)RS-422通信11傳給上位機進行實時監(jiān)測。如圖2所示，本發(fā)明采用經(jīng)典的位置-速度-電流三閉環(huán)PID控制，其具體控制過程為:第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行電壓變換、濾波、限幅等前期處理；第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP為舵面偏角數(shù)字給定信號P* ；第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量Vcnt清零，用DSP讀取角度傳感器(數(shù)字編碼器)信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號P，用舵面偏角數(shù)字給定信號P*減去舵面偏角數(shù)字反饋信號P求出位置偏差ΔΡ ；第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)偏差ΛΡ算出位置調(diào)節(jié)量輸出，并且將其作為速度環(huán)給定Ψ a)，V* a)有正負，記錄Ψ a)的正負號，以決定本控制周期的母線反饋電流的正負號；第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量Icnt清零，利用之前采集回來的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速V作為速度反饋，用速度環(huán)給定V*減去速度反饋V得到速度偏差Λ V ；第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差AV算出速度調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定Γ，Γ有正負，將速度環(huán)計數(shù)變量Vcnt加I ;第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到η (η < 10)次，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制；第八步:將采集回來的母線電流Itl經(jīng)過電壓變換、濾波、限幅處理后通過AD送入
DSP，然后通過公式
權利要求
1.一種基于位置環(huán)換向的電動舵機裝置，包括信號調(diào)理電路、DSP、數(shù)字隔離電路、驅(qū)動電路、主功率電路、無刷直流電機、傳動齒輪組、舵面、電流傳感器、位置傳感器和通信電路，其特征在于:舵面偏角給定信號以模擬信號的形式送入，信號調(diào)理電路將其進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP輸出6路數(shù)字控制信號，經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，功率控制信號通過控制主功率電路，從而控制無刷直流電動機工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號；無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣反饋至DSP，實現(xiàn)電流環(huán)閉環(huán)控制；與傳動齒輪組相連的角度傳感器實時反饋舵面當前偏角，傳給DSP，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)；舵面當前偏角經(jīng)通信電路傳給上位機進行實時監(jiān)測。
2.一種利用權利要求1所述裝置的控制方法，其特征在于包括下述步驟: 第一步:將舵面偏角模擬給定信號送給控制板，信號調(diào)理電路對其進行前期處理，包括電壓變換、濾波和限幅； 第二步:將經(jīng)過前期處理的舵面偏角模擬給定信號通過AD采樣送入控制器DSP為舵面偏角數(shù)字給定信號； 第三步:將速度環(huán)計數(shù)變量清零，用DSP讀取角度傳感器信號作為舵面偏角數(shù)字反饋信號，用舵面偏角數(shù)字給定信號減去舵面偏角數(shù)字反饋信號求出位置偏差； 第四步:進行位置環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)位置偏差 算出位置調(diào)節(jié)輸出量，并且將其作為速度環(huán)給定，速度環(huán)給定有正負，記錄速度環(huán)給定的正負號，以決定本控制周期的母線反饋電流的正負號； 第五步:將電流環(huán)計數(shù)變量清零，利用采集的舵面偏角數(shù)字反饋信號計算出舵面轉(zhuǎn)速作為速度反饋，用速度環(huán)給定減去速度反饋得到速度偏差； 第六步:進行速度環(huán)PID調(diào)節(jié)，根據(jù)速度偏差算出速度環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，并將其作為電流環(huán)給定，電流環(huán)給定有正負，將速度環(huán)計數(shù)變量加I ; 第七步:判斷速度環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設定次數(shù)η，η < 10，如果是，則返回第二步，如果否，則繼續(xù)往下進行第八步控制； 第八步:將采集回來的母線反饋電流經(jīng)過電壓變換、濾波和限幅后通過AD采樣送入DSP，然后與本控制周期的位置環(huán)輸出的速度環(huán)給定的符號相乘，變成矢量，以作為電流環(huán)反饋；然后用電流環(huán)給定減去電流環(huán)反饋得到電流偏差； 第九步:進行電流PID調(diào)節(jié)，根據(jù)電流偏差算出電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量，將電流環(huán)計數(shù)變量加I ; 第十步:把電流環(huán)調(diào)節(jié)輸出量變換成占空比信號，占空比信號有正負； 第十一步:將占空比信號經(jīng)過數(shù)字隔離后通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，送給主功率電路，通過控制主功率電路里的MOSFET的開通和關斷以控制舵面按控制規(guī)律偏轉(zhuǎn)； 第十二步:判斷電流環(huán)PID調(diào)節(jié)次數(shù)是否達到設定次數(shù)η，η< 10，如果是，則返回第五步，如果否，則返回第八步繼續(xù)進行電流環(huán)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于位置環(huán)換向的電動舵機裝置和控制方法，信號調(diào)理電路將舵面偏角給定信號進行電壓變換、濾波、限幅處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入控制器DSP，DSP輸出數(shù)字控制信號，經(jīng)數(shù)字隔離后送給驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換成功率控制信號，通過控制主功率電路從而控制無刷直流電動機工作，無刷直流電機通過傳動齒輪組帶動舵面偏轉(zhuǎn)以跟隨舵面偏角給定信號；無刷直流電機的母線電流經(jīng)電流傳感器采樣反饋至DSP，與傳動齒輪組相連的角度傳感器實時反饋舵面當前偏角，傳給DSP。本發(fā)明有效的加快了無刷直流電動舵機的頻響，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
文檔編號B63H25/24GK103213666SQ20131016321
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月6日 優(yōu)先權日2013年5月6日
發(fā)明者李兵強, 李志 , 林輝, 戴志勇, 孫欣欣 申請人:西北工業(yè)大學