CN102053570A - 电动舵机用单芯片数字控制器及单双极调制输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动舵机用单芯片数字控制器，它包括控制量输入逻辑电路、状态检测逻辑电路、将控制量M转换为正向驱动脉冲宽度P或/和反向驱动脉冲宽度N输出的算术运算逻辑电路、用于接收控制寄存器的控制信息以及状态检测逻辑电路的输出信号并根据算术逻辑运算电路输出的脉冲宽度值P和N以输出相应的PWM波形信号的脉宽调制逻辑电路，所述的控制量输入逻辑电路、状态检测逻辑电路、算术运算逻辑电路以及脉宽调制逻辑电路集成在同一芯片上。由于采用单芯片集成，***结构较简单，满足小型化飞行器舵机控制***的应用需求。在使用过程中，可根据电动舵机对精度和功耗的双重需求调节输出模式，提高了舵机控制器的控制效率和灵活性。

Description

电动舵机用单芯片数字控制器及单双极调制输出控制方法

技术领域

本发明涉及一种可以输出单双极PWM脉冲调制信号以驱动电动舵机工作的数字控制器。

背景技术

舵机是飞行器的执行机构，它直接关系到飞行器的控制精度和动态品质。传统的飞行器一般沿用液压舵机或气压舵机，近年来随着全电作动技术的日益成熟，长期的理论和实践探索证明，用电动舵机取代液压、气压舵机已经成为一种必然的趋势。电动舵机的应用可以极大的提高***在可靠性、可维修性、保障性等各方面的性能，而且大大减轻飞行器的重量、降低维修费用等。因此，电动舵机已被广泛应用于各种飞行器的导航控制。

由于飞行器专用电动舵机对控制器的控制精度以及实时性的要求很高，因此目前其控制器其主要采用DSP结合PWM脉宽调制器构成的控制***实现舵机控制。其中DSP主要采用软件算法实现对控制数据的实时处理，PWM脉宽调制器则根据DSP处理好的控制数据产生相应的控制信号，以控制舵机按照设定要求运转。虽然该舵机控制***的解决方案具备应用灵活，控制性能好等特点，但也存在一些不足，主要表现为DSP应用存在结构复杂，技术难度大、开发成本高等缺点，特别是由于DSP应用结构复杂，占据较大的控制***面积，从而无法满足小型化飞行器舵机控制***的应用需求。

发明内容

本发明目的是提供一种控制灵活、单芯片集成、能够提供单双极调制信号输出的数字控制器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种电动舵机用单芯片数字控制器，其用于输出至少一路PWM脉宽调制信号以驱动电动舵机工作，它包括：

控制量输入逻辑电路，所述的控制输入逻辑电路包括至少一个通道控制量寄存器、死区寄存器、周期寄存器和控制寄存器，所述的通道控制量寄存器用于存储相应通道正向舵机输出脉冲占空比和反向舵机输出脉冲占空比所对应的控制量M；所述的死区寄存器和周期寄存器分别存储周期T信息和死区时间D信息；所述的控制寄存器用于存储各通道关闭使能信号、触发信号、单双极工作模式等配置整个控制器工作的控制信息；

状态检测逻辑电路，其主要用于接收各通道控制寄存器中的控制量数据，并对接收的控制量数据是否在预设范围内进行判断，若接收的控制量不在预设范围内，所述的状态检测逻辑电路将自动调整控制量至预设范围内，并输出运算控制信号和运算加载信号；

算术运算逻辑电路，其由乘法器、加法器构成，所述的算术运算逻辑电路用于将控制量M转换为正向驱动脉冲宽度P或/和反向驱动脉冲宽度N输出；

脉宽调制逻辑电路，由至少一个脉宽调制通道组成，其接收控制寄存器的控制信息以及状态检测逻辑电路的输出信号，并根据算术逻辑运算电路输出的脉冲宽度值P和N，输出相应的PWM波形信号；

所述的控制量输入逻辑电路、状态检测逻辑电路、算术运算逻辑电路以及脉宽调制逻辑电路集成在同一芯片上，该芯片具有用于接收与控制量输入逻辑电路的相应寄存器相对应的输入引脚以及与脉宽调制逻辑电路PWM波形信号输出相对应的输出引脚。

根据上述技术方案所优化的实施方式中，所述的控制量输入逻辑电路还包括与各控制量寄存器相连接的多路选择器，所述的多路选择器接收状态检测逻辑电路输出的运算控制信号输出相应通道的控制量至算术运算逻辑电路中。

所述的状态检测逻辑电路控制量预设范围在40～4000之间，若输入的控制量M小于40，该电路将控制量设置成值40输出；若输入的控制量M大于4000，该电路将控制量设置成值4000输出。

上述40～4000的预设范围中，当输入控制量M在40～2000之间，为反向舵机驱动输出，所述的反向舵机驱动输出定义为在一个周期内，正向舵机驱动脉冲宽度P小于反向舵机驱动脉冲宽度N；当输入控制量M在2000～4000之间，为正向舵机驱动输出，所述的正向舵机驱动输出定义为在一个周期内，正向舵机驱动脉冲宽度P大于反向舵机驱动脉冲宽度N。

所述的算术运算逻辑电路根据输入控制量M、死区D、周期T以及工作模式信息，进行P脉冲宽度与N脉冲宽度的转换方式为：在双极工作模式下，当输入控制量在40≤M＜2000时，P脉冲宽度为

N脉冲宽度

当输入控制量M＝2000时，P脉冲宽度为50％T-D、N脉冲宽度50％T-D；当输入控制量2000＜M≤4000时，P脉冲宽度为2000＜M≤4000、N脉冲宽度

在单极工作模式下，当输入控制量40≤M＜2000时，P脉冲宽度为0％T、N脉冲宽度

当输入控制量M＝2000时，P脉冲宽度为0％T、N脉冲宽度0％T；当输入控制量2000＜M≤4000时，P脉冲宽度为

N脉冲宽度0％T。

所述的脉宽调制逻辑电路由正反向脉冲宽度寄存器、缓存器、计数缓存器、计数器、状态机和输出控制电路组成，所述的算术运算逻辑电路将输入控制量M转化为P、N、D计数值后写入相应的正反向脉冲宽度寄存器，在状态检测逻辑电路没有错误中断信号的情况下被载入缓存器中，所述缓存器的数据在每个输出周期开始被载入计数缓存器，计数缓存器的值在下个时钟信号的到来写入计数器，计数器分别对P、N、D控制量计数，每完成一次计数将产生一个脉冲信号控制状态机进行状态跳转，输出控制电路根据状态机的状态输出相应的调制波形。

本发明还提供一种单双极调制输出控制方法，该方法通过设置在所述的脉宽调制逻辑电路内状态机实现，该状态机具有Idle状态、PD状态、Dead状态、ND状态，在上电复位或停止工作时，状态机处于Idle状态；当检测到触发信号，若当前正向脉冲宽度P计数值不等于0，则状态机进入正向驱动PD状态，并输出低电平有效的正向驱动舵机信号；若当前P计数值等于0，状态机则进入Dead状态，不输出任何驱动信号；若状态机进入PD状态，其计数器减计数，直到完成正向驱动所需要的时间计数后产生状态跳转信号，状态机随之进入Dead状态；在Dead状态下，计数器减计数死区时间D，计数结束后产生状态跳转信号，若当前N计数不等于0，则状态机进入反向驱动ND状态，输出反向驱动舵机信号；若当前N计数值等于0，则状态机进入Idle状态，不输出任何驱动信号；状态机进入反向驱动ND状态后，计数器减计数，直至计完反向驱动舵机N的计数值，再次回到Idle状态，如此循环。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：本发明电动舵机控制器采用单芯片集成，***结构较简单，满足小型化飞行器舵机控制***的应用需求。且通过在控制器内部内嵌硬件乘法器、加法器和移位器等算术运算单元，可以对控制数据进行实时处理，有效增加了数据处理能力，脉宽调制逻辑电路采用PWM脉宽调制方式为电动舵机提供双极调制输出和单极调制输出，故在使用过程中，可根据电动舵机对精度和功耗的双重需求调节输出模式，提高了舵机控制器的控制效率和灵活性，具有较大的推广应用价值。

附图说明

附图1为双极脉宽调制输出波形图；

附图2为单极脉宽调制输出波形图；

附图3为本发明单芯片数字控制器实现原理框图；

附图4为脉宽调制逻辑电路结构框图；

附图5为脉宽调制逻辑电路状态机状态图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：

本发明提供一种集成在单一芯片上可以实现双极调制输出和单极调制输出的用于飞行器舵机驱动控制器。所谓双极调制就是在一个输出周期内既有正向舵机驱动脉冲P又包含反向舵机驱动脉冲N，对舵机的控制由两者的差值决定，如图1所示，当正向舵机驱动脉冲宽度P大于反向舵机驱动脉冲宽度N时，将控制舵机正向转动；当正向舵机驱动脉冲宽度P小于反向舵机驱动脉冲宽度N时，将驱动舵机反方向转动；正向舵机驱动脉冲宽度P等于反向舵机驱动脉冲宽度N时，不驱动舵机。该调制方式驱动舵机精度高，静、动态特性好，但不足之处在于功耗较大。而单极调制是在一个输出周期内只有其中一种输出脉冲，如图2所示。若正向驱动舵机，就在每个输出周期内输出正向舵机驱动脉冲P；而反向驱动舵机时，则只需输出反向舵机驱动脉冲宽度N。该方式可有效降低功耗，但***存在静态摩擦，其动、静态特性会略有降低。由于两种调制模式的优缺点存在互补，故可根据电动舵机的工作需求，在驱动过程中，变换双极和单极的输出模式，如在舵机工作的过程中，舵机位置调整前期，可先选择单极脉冲调制输出方式，进行粗调整，可保证较低的***驱动功耗；当舵机位置调整至接近目标位置时，可变换为双极脉冲调制输出方式，进行细调整，从而有效提高其控制精度，故将两种调制模式结合应用，从而获得更大的效益。

本发明所提供的可实现单双极调制模式的控制器，其主要由控制量输入逻辑电路、状态检测逻辑电路、算术运算逻辑电路和脉宽调制逻辑电路组成，如图3所示。所述控制量输入逻辑电路主要完成对各通道控制量数据的输入与存储；状态检测逻辑电路主要是对输入控制量进行检测，并根据检测结果输出运算控制信号和运算加载信号；算术运算逻辑电路主要是完成对控制量数据进行算术处理，并转换为脉宽调制逻辑电路所需的P脉宽和N脉宽数据；脉宽调制逻辑电路根据转化好的控制量数据产生相应的电动舵机PWM控制信号。所述的各功能电路通过数字电路实现，且集成在一块芯片上，该芯片具有与控制量输入逻辑电路的寄存器相对应的输入引脚，以及与脉冲调制逻辑电路波形信号输出端相对应的输出引脚。如图3所示的片选信号、写信号、数据[15:0]、地址[3:0]等输入引脚以及P0输出、N0输出等输出引脚。下面将对各功能电路进行详细说明：

控制量输入逻辑电路主要由多个通道控制量寄存器、死区寄存器、周期寄存器和控制寄存器组成。其中，通道控制量寄存器主要存储各通道正向舵机输出脉冲占空比和反向舵机输出脉冲占空比所对应的控制量M信息，多通道控制量通过多路选择器将数据依次串行输出至算术运算逻辑电路。周期寄存器和死区寄存器分别存储周期T信息和死区时间D信息。控制寄存器用于存储各通道的关闭开启使能、触发信号和工作模式等控制信息。各种控制数据和信息将通过相应引脚直接写入相应的寄存器。本实施例所示的控制器，其具有5个通道输出，故在控制量输入逻辑电路中，有与5个通道输出数量相一致的5个通道控制量寄存器。表1给出了本实施例所具体实施的上述各寄存器的地址分配：

表1

所述状态检测逻辑电路用于接收相应通道内的输入控制量M，并对M值进行检测，以确认控制量输入是否正确。控制量预设范围在40～4000之间，若当前接收的输入控制量M值在40～4000内，则输入控制量符合要求，状态检测逻辑电路将输出运算控制信号至多路选择器以及输出运算加载信号至脉宽调制逻辑电路。若检测到输入控制量M不在40～4000范围内，则电路将自动调整控制量至该范围之内。调整方式为：若控制量M小于40，则将输入控制量M设置成最小值40；若控制量M大于4000，则将输入控制量M设置为最大值4000。其次，在双边调制下，如果输入控制量M的值超出允许输出的最大值(即周期与两倍死区时间的差值)的情况，则电路将按照最大值控制量输出。同时根据检测结果输出运算控制信号和运算加载信号。

算术运算逻辑电路主要完成输入控制量M到P、N计数值的计算转换。不同工作模式，控制量M到P、N计数值的转换关系式也不相同。为了避免出现两个正反满负载交叠输出时出现无死区的情况，设定反向脉冲输出最大占空比为98％，所以输入控制量的范围设计为40～4000。当输入控制量范围为40～2000，为反向舵机驱动输出，当输入控制量范围为2000～4000时，为正向舵机驱动输出。表2列出了不同工作模式下转换关系式：

表2

由上表可以看出，在输入已知信号包括控制量M、周期T、死区时间D的情况下，算术运算逻辑电路就可计算出正向舵机驱动脉宽P和反向舵机驱动脉宽N的值。由表2中的关系式可知算术运算电路需要完成乘法、除法和减法运算，因此，在电路上，控制量M和周期T的乘法由16位乘法器实现。除法主要完成乘法运算结果除以1000的运算，即将该式做泰勒展开：

$\frac{M\×T}{1000}=\frac{M\×T}{1024}\×1.024=\frac{M\×T}{1024}\×(1+\frac{1}{2^6}+\frac{1}{2^7}+\frac{1}{2^{11}})$

故除法运算可转换成移位和加法运算完成，从而减小了电路功耗和面积，提高了运算速度。

由于控制量M与输出占空比C的关系式为：M＝2000+2000×C。其中2000是为了便于控制量输入特别加入的偏移量。由上述关系式可知，如果要输出50％的正向驱动舵机信号，即输出占空比为+50％，则输入控制量M的值为3000。若要输出50％的反向驱动舵机信号，即输出占空比为-50％，则输入控制量M的值为1000，因此，在具体使用的时候，只要根据需求的输出占空比，通过上位机将该占空比转换成对应的控制量M输入至该控制器中，即可实现所需占空比的PWM波形信号的输出，故控制极其简单。

脉宽调制逻辑电路内部电路细分如图4所示，其主要由正反向脉冲宽度寄存器(P、N、D寄存器)、缓存器、计数缓存器、计数器、状态机和输出控制电路几部分组成。电路间信号传递关系如下：所述的算术运算逻辑电路将控制量M转化为相应的P、N计数值后连同死区周期D值写入P、N、D寄存器，P、N、D寄存器内的数据在状态检测逻辑电路没有检测到错误中断信号的情况下被载入P、N、D缓存器中，这样将保证控制数据的有效性，提高电路的可靠性；P、N、D缓存器的数据在每个标志输出周期开始的触发信号的上升沿被载入计数缓存器；计数缓存器的值又在下个时钟信号的上升沿写入计数器，这样保证了每个输出周期控制量的完整；计数器分别对P、N、D控制量计数，每完成一次计数将产生一个脉冲信号控制状态机进行状态跳转；同时状态机进入新的状态后产生一个脉冲信号控制计数器加载新状态下的数据；输出控制电路根据状态机的状态输出相应的调制波形。

下面对状态机的具体转换过程进一步说明，该转换过程实现单双极调制的输出：如图5所示，上电复位或停止工作时，状态机进入空闲等待Idle状态；当检测到触发信号Tstart的上升沿，若当前P计数值不等于0，则状态机进入正向驱动PD状态，并输出低电平有效的正向驱动舵机信号；若当前P计数值等于0，状态机则进入死区Dead状态，不输出任何驱动信号；在状态机进入正向驱动PD状态后，计数器减计数，直到完成正向驱动所需要的时间计数后产生状态跳转信号StartTurn，状态机随之进入死区Dead状态；在死区状态Dead下，计数器减计数死区时间，计数结束后产生状态跳转信号StartTurn，若当前N计数不等于0，则状态机检测到状态跳转信号StartTurn后进入反向驱动ND状态，输出反向驱动舵机信号；若当前N计数值等于0，则状态机检测到状态跳转信号StartTurn后进入空闲等待Idle状态，不输出任何驱动信号；在状态机进入反向驱动ND状态后，计数器减计数，直至计完反向驱动舵机的计数值后产生状态跳转信号StartTurn.状态机接收到状态跳转信号后回到空闲等待Idle状态，如此循环。

上述对舵机控制器的结构与逻辑实现进行了说明，其是控制器设计最核心部分。电路从逻辑关系到物理门电路的转换是采用Design Compilier电路综合软件进行电路逻辑综合实现，电路的版图制作采用版图绘制软件Astro完成自动版图设计。电路流片制造采用标准0.5us CMOS工艺完成，封装采用44脚TSOP陶瓷封装管壳进行。对电路的逻辑综合、自动版图设计、流片制造以及封装测试都采用单芯片集成电路标准设计及加工流程，在此不再详细赘述。

根据上述内容所实现的电动舵机控制器，其具有如下特点：

(1)采用单芯片集成解决方案，结构简单，应用灵活，开发成本低；

(2)采用PWM脉宽调制方式实现数字化控制舵机，提高了控制效率；

(3)嵌入了硬件乘法器、加法器和移位器等算术单元，提高了控制的数据处理能力和控制实时性；

(4)具有双极调制和单极调制两种工作模式，满足高精度和低功耗的双重应用需求；

(5)具有状态检测功能，有效保护了舵机可靠运行；

(6)电路具有多通道独立可控输出，满足多组舵机同时控制要求；

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动舵机用单芯片数字控制器，其用于输出至少一路PWM脉宽调制信号以驱动电动舵机工作，它包括：

控制量输入逻辑电路，所述的控制输入逻辑电路包括至少一个通道控制量寄存器、死区寄存器、周期寄存器和控制寄存器，所述的通道控制量寄存器用于存储相应通道正向舵机输出脉冲占空比和反向舵机输出脉冲占空比所对应的控制量M；所述的死区寄存器和周期寄存器分别存储死区时间D和周期T信息；所述的控制寄存器用于存储各通道关闭使能信号、触发信号、单双极工作模式等配置整个控制器工作的控制信息；

状态检测逻辑电路，其主要用于接收各通道控制寄存器中的控制量数据，并对接收的控制量数据是否在预设范围内进行判断，若接收的控制量不在预设范围内，所述的状态检测逻辑电路将自动调整控制量至预设范围内，并输出运算控制信号和运算加载信号；

算术运算逻辑电路，其由乘法器、加法器、移位器构成，所述的算术运算逻辑电路用于将控制量M转换为正向驱动脉冲宽度P或/和反向驱动脉冲宽度N输出；

脉宽调制逻辑电路，由至少一个脉宽调制通道组成，其接收控制寄存器的控制信息以及状态检测逻辑电路的输出信号，并根据算术逻辑运算电路输出的脉冲宽度值P和N，输出相应的PWM波形信号；

所述的控制量输入逻辑电路、状态检测逻辑电路、算术运算逻辑电路以及脉宽调制逻辑电路集成在同一芯片上，该芯片具有用于接收与控制量输入逻辑电路的相应寄存器相对应的输入引脚以及与脉宽调制逻辑电路PWM波形信号输出相对应的输出引脚。

2.根据权利要求1所述的电动舵机用单芯片数字控制器，其特征在于：所述的控制量输入逻辑电路还包括与各控制量寄存器相连接的多路选择器，所述的多路选择器接收状态检测逻辑电路输出的运算控制信号输出相应通道的控制量至算术运算逻辑电路中。

3.根据权利要求1所述的电动舵机用单芯片数字控制器，其特征在于：所述的状态检测逻辑电路控制量预设范围在40～4000之间，若输入的控制量M小于40，该电路将控制量设置成值40输出；若输入的控制量M大于4000，该电路将控制量设置成值4000输出。

4.根据权利要求3所述的电动舵机用单芯片数字控制器，其特征在于：上述40～4000的预设范围中，当输入控制量M在40～2000之间，为反向舵机驱动输出，所述的反向舵机驱动输出定义为在一个周期内，正向舵机驱动脉冲宽度P小于反向舵机驱动脉冲宽度N；当输入控制量M在2000～4000之间，为正向舵机驱动输出，所述的正向舵机驱动输出定义为在一个周期内，正向舵机驱动脉冲宽度P大于反向舵机驱动脉冲宽度N。

5.根据权利要求4所述的电动舵机用单芯片数字控制器，其特征在于：所述的算术运算逻辑电路根据输入控制量M、死区D、周期T以及工作模式信息，进行P脉冲宽度与N脉冲宽度的转换方式为：在双极工作模式下，当输入控制量在40≤M＜2000时，P脉冲宽度为

N脉冲宽度

当输入控制量M＝2000时，P脉冲宽度为50％T-D、N脉冲宽度50％T-D；当输入控制量2000＜M≤4000时，P脉冲宽度为2000＜M≤4000、N脉冲宽度

在单极工作模式下，当输入控制量40≤M＜2000时，P脉冲宽度为0％T、N脉冲宽度

当输入控制量M＝2000时，P脉冲宽度为0％T、N脉冲宽度0％T；当输入控制量2000＜M≤4000时，P脉冲宽度为

N脉冲宽度0％T。

6.根据权利要求5所述的电动舵机用单芯片数字控制器，其特征在于：所述的输入控制量M与输出占空比C的关系式为：M＝2000+2000×C，根据需要的占空比计算输入控制量M。

7.根据权利要求1所述的电动舵机用单芯片数字控制器，其特征在于：所述的脉宽调制逻辑电路由正反向脉冲宽度寄存器、缓存器、计数缓存器、计数器、状态机和输出控制电路组成，所述的算术运算逻辑电路将输入控制量M转化为P、N、D计数值后写入相应的正反向脉冲宽度寄存器，在状态检测逻辑电路没有错误中断信号的情况下被载入缓存器中，所述缓存器的数据在每个输出周期开始被载入计数缓存器，计数缓存器的值在下个时钟信号的到来写入计数器，计数器分别对P、N、D控制量计数，每完成一次计数将产生一个脉冲信号控制状态机进行状态跳转，输出控制电路根据状态机的状态输出相应的调制波形。

8.一种权利要求1至7中任一种电动舵机用单芯片数字控制器单双极调制输出控制方法，其特征在于：在所述的脉宽调制逻辑电路内设有状态机转换电路，该状态机具有空闲Idle状态、正向驱动PD状态、死区Dead状态、反向驱动ND状态，在上电复位或停止工作时，状态机处于Idle状态；当检测到触发信号，若当前正向脉冲宽度P计数值不等于0，则状态机进入正向驱动PD状态，并输出低电平有效的正向驱动舵机信号；若当前P计数值等于0，状态机则进入Dead状态，不输出任何驱动信号；若状态机进入PD状态，其计数器减计数，直到完成正向驱动所需要的时间计数后产生状态跳转信号，状态机随之进入Dead状态；在Dead状态下，计数器减计数死区时间D，计数结束后产生状态跳转信号，若当前N计数不等于0，则状态机进入反向驱动ND状态，输出反向驱动舵机信号；若当前N计数值等于0，则状态机进入Idle状态，不输出任何驱动信号；状态机进入反向驱动ND状态后，计数器减计数，直至计完反向驱动舵机N的计数值，再次回到Idle状态，如此循环。

9.根据权利要求8所述的单双极调制输出控制方法，其特征在于：所述的触发信号为上升沿触发。

Images