專利名稱：一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于機電一體化控制領(lǐng)域，涉及一種基于DSP控制器的SVPWM永磁交流同步舵伺服控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、材料技術(shù)的快速發(fā)展以及電機制造工藝水平的逐步提高，伺服技術(shù)已迎來了新的發(fā)展機遇，伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進伺服、直流伺服發(fā)展到以永磁同步電機、感應(yīng)電機為伺服電機的新一代交流伺服系統(tǒng)。新一代伺服系統(tǒng)以機電一體化時代作為背景，尤其是80年代以來，矢量控制技術(shù)的不斷成熟，極大地推動了交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美。伺服系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā)展。在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、近而向電動機環(huán)路的更深層發(fā)展。交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，過載能力強和轉(zhuǎn)動慣量低體現(xiàn)出了交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。交流伺服系統(tǒng)采用以微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級芯片、數(shù)字通信接口以及智能化功率器件，很好地克服了伺服系統(tǒng)模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素，提高了系統(tǒng)的魯棒性和容錯性，成功實現(xiàn)了高精度伺服控制。特別是控制理論的新發(fā)展及智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使基于智能控制理論的先進控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略完美結(jié)合，為交流伺服系統(tǒng)的實際應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。在機電一體化發(fā)展中，為滿足電動舵機的發(fā)展需求，國外已經(jīng)在電動舵機的設(shè)計中開展了減速機構(gòu)及電機一體化設(shè)計研究，并在相關(guān)型號上得到了應(yīng)用。但是未見技術(shù)方案的詳細報道。隨著國內(nèi)電動舵機應(yīng)用要求的提高，減速機構(gòu)及電機一體化設(shè)計方案將會在很多電動舵機設(shè)計方案中被采用。采用滾珠絲杠與電機一體化設(shè)計可以實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速及力矩對舵面進行直接的輸出控制，同時避免了電機驅(qū)動減速機構(gòu)帶來的能量損失及過渡機構(gòu)傳動間隙對控制系統(tǒng)造成的影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)電動舵機系統(tǒng)的精確控制。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)，包括數(shù)字化功放電路、執(zhí)行機構(gòu)，其特征在于，所述數(shù)字化功放電路包括數(shù)字控制電路、驅(qū)動放大電路、數(shù)字信號變換器、控制信號接口電路、激勵信號發(fā)生器，執(zhí)行機構(gòu)包括永磁同步電機，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，滾珠絲杠，搖臂；所述永磁同步電機的輸出軸與滾珠絲杠同軸一體化連接，形成滾珠絲杠減速器，所述滾珠絲杠螺母通過鋼套連接所述搖臂一端，所述搖臂另一端與舵軸連接；[0008]所述數(shù)字控制電路通過驅(qū)動放大電路的電流檢測電路檢測三相定子電流信號ia、ib、i。，經(jīng)3/2坐標(biāo)系變換得到兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓和電流值，與永磁同步電機電流參考信號進行比較得到電流環(huán)控制量后，所述數(shù)字控制電路的電流控制器對電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM信號，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，激勵信號發(fā)生器的正弦信號激勵無刷旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生正交的正弦、余弦信號，數(shù)字信號變換器將檢測無刷旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子位置信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過SPI接口傳輸?shù)綌?shù)字控制電路，計算轉(zhuǎn)子位置信號與所述滾珠絲杠減速器的減速比，得到舵伺服機構(gòu)的位置反饋和電機轉(zhuǎn)速信號，與位置反饋和電機轉(zhuǎn)速參考信號比較，經(jīng)數(shù)字控制電路的速度控制器與位置控制器輸出控制量，實現(xiàn)了舵伺服系統(tǒng)速度與位置的控制。優(yōu)選的，所述速度控制器為比例控制器，提高舵伺服系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，所述位置控制器為模糊PID控制器，在消除控制系統(tǒng)抖動現(xiàn)象的同時提高了系統(tǒng)抗干擾能力。進一步優(yōu)化的，所述電流控制器為PI控制器，消除了電流波動對系統(tǒng)造成的影響，提高了舵伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本實用新型的有益效果是滾珠絲杠與電機一體化設(shè)計實現(xiàn)了電機輸出轉(zhuǎn)速及力矩對舵面進行直接的輸出控制，同時避免了電機驅(qū)動減速機構(gòu)帶來的能量損失及過渡機構(gòu)傳動間隙對控制系統(tǒng)造成的影響。DSP數(shù)字化功放電路中使用CAN、SPI通信接口對系統(tǒng)位置參考和反饋信號與控制器進行數(shù)字化通信，消除了傳統(tǒng)模式由于對位置信號采用造成了采樣精度和干擾造成的系統(tǒng)誤差，極大的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。采用空間矢量控制算法(SVPWM)有助于提高電機輸出效率，同時可以適時地控制電機的轉(zhuǎn)矩、速度和位置狀態(tài)，可以控制電機啟動瞬間電流的幅值，應(yīng)用于正弦波電流驅(qū)動時可以消除轉(zhuǎn)矩的波動，減少電機電流諧波損耗，提高控制系統(tǒng)性能。

圖1為本實用新型一體化舵伺服系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為數(shù)字控制電路的功能原理示意圖。圖3為一體化執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為數(shù)字控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為數(shù)字變換器與數(shù)字處理器的連接示意圖。圖6為驅(qū)動放大電路圖。圖7為控制軟件總體流程圖。圖8為控制系統(tǒng)對位置調(diào)節(jié)的流程圖。圖9為控制系統(tǒng)對速度調(diào)節(jié)的流程圖。圖10為控制系統(tǒng)對電流調(diào)節(jié)的流程圖。
具體實施方案
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方案作進一步詳細說明。圖1所示的一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)包括數(shù)字化功放電路10、執(zhí)行機構(gòu)11，數(shù)字化功放電路10包括數(shù)字控制電路1、驅(qū)動放大電路2、數(shù)字信號變換器3、控制信號接口電路4、激勵信號發(fā)生器5。執(zhí)行機構(gòu)11包括永磁同步電機6，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器7，滾珠絲杠，搖臂9。數(shù)字控制電路I是系統(tǒng)的控制核心，本具體實施方式
包括了數(shù)字處理器TMS320F2812處理芯片、通訊接口、信號調(diào)理電路等部分電路，主要完成對位置、速度、電流反饋控制的實現(xiàn)，通訊，電流信號的采樣計算，PWM信號輸出，信號調(diào)理電路用于對模擬量進行濾波、調(diào)幅處理。圖4為數(shù)字控制電路的結(jié)構(gòu)圖。驅(qū)動放大電路2主要功能是將數(shù)字控制電路I送出的6路SPWM信號緩沖、隔離，以驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)，從而驅(qū)動永磁交流同步電機。驅(qū)動放大電路2由光耦隔離電路、場效應(yīng)管驅(qū)動電路、三項逆變電路、相電流采樣電路組成。其功能是將控制回路產(chǎn)生的PWM信號轉(zhuǎn)換成幅值和相位符合要求的6路驅(qū)動信號，然后驅(qū)動功率器件，同時相電流采樣電路采集電機電樞電流。驅(qū)動放大電路與控制電路間采用光電耦合器進行隔離，以提高舵機的抗干擾能力，圖7為驅(qū)動放大電路圖。旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字變換電路，即RDC電路，采用的是串行數(shù)據(jù)輸出的12bit單片集成電路AD2S90數(shù)字變換器。它接收從無刷旋轉(zhuǎn)變壓器7輸出的電機轉(zhuǎn)軸當(dāng)前位置正弦和余弦信號(sin, cos輸入)的模擬信號，以及由勵磁信號發(fā)生器產(chǎn)生的參考信號(ref輸入)，采用II型伺服環(huán)的跟蹤型轉(zhuǎn)換原理，將輸入模擬角度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字型軸角信號。其轉(zhuǎn)換器帶寬為ΙΚΗζ，最高跟蹤速度為375r/s (能夠滿足系統(tǒng)要求)。輸出軸角的數(shù)字信息以絕對串行二進制輸出(12bit)到控制器，圖5為數(shù)字變換器與數(shù)字處理器連接示意圖。控制信號接口電路4采用CAN、SPI通信接口對系統(tǒng)位置參考和反饋信號與數(shù)字信號處理器進行數(shù)字化通信，消除了傳統(tǒng)模式由于對位置信號采用造成了采樣精度和干擾造成的系統(tǒng)誤差，極大的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。有利于使舵伺服控制系統(tǒng)朝著高可靠性、高性能、維護及調(diào)試方便的全數(shù)字化方面發(fā)展?？刂菩盘柦涌陔娐?接收位置給定參考信號作為系統(tǒng)輸入。永磁同步電動機6 的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信號，均通過旋轉(zhuǎn)變壓器7獲取。激勵信號發(fā)生器5產(chǎn)生正弦波激勵信號，在旋轉(zhuǎn)變壓器7原邊獲得激勵后，相應(yīng)地副邊產(chǎn)生與所在角度相關(guān)的正弦波和余弦波，經(jīng)過信號調(diào)理后進入數(shù)字信號變換器RDC3，串行同步通訊接口把數(shù)字量傳送給數(shù)字控制電路I的SPI (Serial Peripheral Interface)接口模塊,實現(xiàn)了永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子位置信號和轉(zhuǎn)速的檢測。數(shù)字控制電路I通過驅(qū)動放大電路2的電流檢測電路檢測三相定子電流信號ia、
ib、i。，經(jīng)3/2坐標(biāo)系變換得到兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓和電流值，與永磁同步電機6電流參考信號進行比較得到電流環(huán)控制量后，數(shù)字控制電路I的電流控制器對電流環(huán)PI調(diào)節(jié)后輸出空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM信號,驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；激勵信號發(fā)生器5的正弦信號激勵無刷旋轉(zhuǎn)變壓器7產(chǎn)生正交的正弦、余弦信號，數(shù)字信號變換器3將檢測無刷旋轉(zhuǎn)變壓器7轉(zhuǎn)子位置信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過SPI接口傳輸?shù)綌?shù)字控制電路1，計算轉(zhuǎn)子位置信號與所述滾珠絲杠減速器8的減速比，得到舵伺服機構(gòu)的位置反饋和電機轉(zhuǎn)速信號，與位置反饋和電機轉(zhuǎn)速參考信號比較，經(jīng)數(shù)字控制電路I的速度控制器的比例調(diào)節(jié)、位置控制器的模糊PID調(diào)節(jié)后輸出控制量，實現(xiàn)了舵伺服系統(tǒng)速度與位置的控制。空間矢量控制算法(SVPWM):有助于提高電機輸出效率，同時可以適時地控制電機的轉(zhuǎn)矩、速度和位置狀態(tài)，可以控制電機啟動瞬間電流的幅值，應(yīng)用于正弦波電流驅(qū)動時可以消除轉(zhuǎn)矩的波動，減少電機電流諧波損耗，提高控制系統(tǒng)性能。圖3為一體化執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。舵機設(shè)計采用集成式一體化設(shè)計，舵機設(shè)計指標(biāo)主要為電機輸出轉(zhuǎn)速和力矩的傳動，保證舵機輸出力矩和轉(zhuǎn)速滿足設(shè)計要求，減速器采用一級減速，電機輸出軸和滾珠絲杠副一體化設(shè)計，確保絲杠與電機軸，絲杠與螺母同軸度，圓跳動要求，絲杠螺母通過鋼套帶動撥叉轉(zhuǎn)動，使舵機結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便。電機尾部安裝無刷旋轉(zhuǎn)變壓器用于實現(xiàn)閉環(huán)控制中的位置反饋和速度反饋，舵機電纜從舵機引出后由插頭與功率放大器連接，并在舵機表面用線卡固定，永磁同步電機6的輸出軸與滾珠絲杠同軸一體化連接，形成滾珠絲杠減速器8，所述滾珠絲杠螺母通過鋼套連接所述搖臂9 一端，搖臂9另一端與舵軸連接。絲杠在運動過程中既有徑向載荷又有軸向載荷，電機輸出軸使用角接觸軸承支撐，考慮到絲杠因受熱伸長，對于角接觸軸承，補償間隙留在軸承內(nèi)部。滾動軸承外端用軸承蓋緊固，內(nèi)端用絲杠軸螺紋緊固。伺服系統(tǒng)通過在TMS320F2812上的控制軟件實現(xiàn)。本系統(tǒng)控制軟件用匯編與C語言混合編寫，經(jīng)試驗表明性能比較好?？刂栖浖傮w設(shè)計中，包括了初始化CAN、SPI, EV事件管理器、Tl中斷服務(wù)程序、T2中斷服務(wù)程序、CPU定時中斷服務(wù)程序及主程序設(shè)計，圖7為控制軟件總體流程圖。1、通訊接口(CAN)用于上位機與DSP之間進行舵位置參考信號的通訊。2、外設(shè)接口(SPI)采用DSP外設(shè)接口(SPI)與數(shù)字信號解算芯片(AD2S90)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)字信號解算芯片(AD2S90)與DSP連接如圖5。3、事件管理器(EV)配置事件管理器(EV)，完成了定時寄存器周期、初始化比較寄存器等單元配置，用于產(chǎn)生比較單元PWMl PWM6驅(qū)動信號，并在CPU定時中斷服務(wù)程序進行舵伺服控制系統(tǒng)的電流環(huán)調(diào)節(jié)。4、系統(tǒng)的中斷Tl定時器周期中斷用于位置環(huán)的調(diào)節(jié)；T2定時器周期中斷用于速度環(huán)的調(diào)節(jié)；(PU定時器周期用于電流環(huán)調(diào)節(jié)及空間矢量控制算法(SVPWM)的計算。在舵伺服控制系統(tǒng)中，許多被控對象隨著負載變化和干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或機構(gòu)發(fā)生改變。使控制系統(tǒng)品質(zhì)不能保持在最佳范圍內(nèi)，極大的影響了控制性能。隨著控制理論的發(fā)展，人們運用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息存入控制器知識庫中，然后控制器根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應(yīng)情況，運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。將位置參考與反饋進行綜合控制放大，輸出位置控制量，同時通過位置控制量換算為電機轉(zhuǎn)速參考信號并傳遞到速度環(huán)，圖8為控制系統(tǒng)對位置調(diào)節(jié)的流程圖。轉(zhuǎn)速的計算與調(diào)節(jié)，為提高舵伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，速度調(diào)節(jié)器采用了 P控制策略，位置環(huán)將計算得到的速度參考信號傳遞到速度環(huán)，與電機實際轉(zhuǎn)速進行比較，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器輸出速度控制量，同時計算交軸電流給定值并傳遞給電流環(huán)，圖9為控制系統(tǒng)對速度調(diào)節(jié)的流程圖。電流調(diào)節(jié)和空間矢量開關(guān)時間計算，電流環(huán)的計算是在CPU定時中斷服務(wù)程序中進行，具體工作是電流采樣與變換、電流調(diào)節(jié)器的計算和電流控制量的輸出到主程序中，進行SVPWM控制信號生成，從而完成對舵伺服控制系統(tǒng)的控制，圖10為控制系統(tǒng)對電流調(diào)節(jié)的流程圖。
權(quán)利要求1.一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)，包括數(shù)字化功放電路(10)、執(zhí)行機構(gòu)(11)，其特征在于，所述數(shù)字化功放電路(10)包括數(shù)字控制電路(I)、驅(qū)動放大電路(2)、數(shù)字信號變換器(3)、控制信號接口電路(4)、激勵信號發(fā)生器(5)，執(zhí)行機構(gòu)(11)包括永磁同步電機(6)，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器(7)，滾珠絲杠，搖臂(9);所述永磁同步電機(6)的輸出軸與滾珠絲杠同軸一體化連接，形成滾珠絲杠減速器(8)，所述滾珠絲杠螺母通過鋼套連接所述搖臂(9)一端，所述搖臂(9)另一端與舵軸連接； 所述數(shù)字控制電路(I)通過驅(qū)動放大電路(2)的電流檢測電路檢測三相定子電流信號ia、ib、i。，經(jīng)3/2坐標(biāo)系變換得到兩相靜止交流坐標(biāo)系下的電壓和電流值，與永磁同步電機(6)電流參考信號進行比較得到電流環(huán)控制量后，所述數(shù)字控制電路(I)的電流控制器對電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM信號，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；激勵信號發(fā)生器(5)的正弦信號激勵無刷旋轉(zhuǎn)變壓器(7)產(chǎn)生正交的正弦、余弦信號，數(shù)字信號變換器(3)將檢測無刷旋轉(zhuǎn)變壓器(7)轉(zhuǎn)子位置信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過SPI接口傳輸?shù)綌?shù)字控制電路(I)，計算轉(zhuǎn)子位置信號與所述滾珠絲杠減速器(8)的減速比，得到舵伺服機構(gòu)的位置反饋和電機轉(zhuǎn)速信號，與位置反饋和電機轉(zhuǎn)速參考信號比較，經(jīng)數(shù)字控制電路(I)的速度控制器與位置控制器輸出控制量，實現(xiàn)了舵伺服系統(tǒng)速度與位置的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述速度控制器為比例控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)，其特征在于，所述電流控制器為PI控制器。
專利摘要本實用新型涉及一種一體化的數(shù)字電動舵伺服系統(tǒng)，包括伺服機構(gòu)、輸出軸、電機及旋轉(zhuǎn)變壓器、控制電路、通訊電路等；經(jīng)通訊接口輸入的位置控制信號與通過電機轉(zhuǎn)子位置計算得到的舵軸位置反饋信號和電機定子電流信號，通過數(shù)字信號處理器綜合處理，計算得到PWM信號，經(jīng)驅(qū)動放大電路后驅(qū)動電機按一定的速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過滾珠絲杠減速器后通過搖臂帶動輸出軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)角度輸出，同時計算電機轉(zhuǎn)子及輸出軸的位置，形成閉環(huán)。本實用新型中提供的全數(shù)字化伺服機構(gòu)具有體積小、效率高、可靠性好、精度高、抗干擾能力強的優(yōu)點。
文檔編號H02P21/12GK202906826SQ20122027464
公開日2013年4月24日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者李福瑞, 馮小強, 胡琪波, 張祎 申請人:湖北三江航天紅峰控制有限公司