CN103213666B - 一种基于位置环换向的电动舵机装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于位置环换向的电动舵机装置和控制方法，信号调理电路将舵面偏角给定信号进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，通过控制主功率电路从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP。本发明有效的加快了无刷直流电动舵机的频响，提高了***的抗干扰性。

Description

一种基于位置环换向的电动舵机装置和控制方法

技术领域

本发明涉及一种数字电动舵机装置和控制方法，尤其是飞行器用的无刷直流电动舵机。

背景技术

电动舵机是一种高精度的位置伺服***，舵机工作原理是接受主控计算机给出的舵面偏角给定信号，舵机控制***将舵面偏角给定信号和舵面偏角反馈信号经过信号处理和调节后最终通过输出指令来操纵舵面的偏转，从而改变飞行器的飞行姿势或飞行轨迹，最终确保飞行器在空中按照预定轨迹飞行。电动舵机属于飞行器的前端执行部件，在高速飞行的过程中要直接承受空气摩擦和阻力，工作环境恶劣，在需要承受大负载、高低温、强振动等苛刻条件的前提下还要保证偏转精度和响应速度，这对核心控制算法的要求就提高了。

近年来，随着大功率电力电子技术和稀土永磁电机技术的快速发展，电动舵机技术发展迅速，成效显著，在小功率范围内正在一步步取代传统的液压舵机和气动舵机。公开号为CN102854814A的发明专利《一种数字舵机控制器》就提出了一种基于DSP模块的数字电动舵机方案，但是它只提出了***的整体结构方案，对于***的各个功能模块和具体控制方法没有详细给出。发表于《电工技术学报》的文章《一种永磁无刷直流电动舵机四象限控制》提供了一种在PID基础上改进的基于电流滞环控制的电动舵机控制方案，但是这种改进是针对***输出转矩脉动抑制，对于在复杂工作环境下的偏转精度和响应速度这些电动舵机最重要的性能并没有任何帮助。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于位置环换向的电动舵机装置，电机响应速度快，抗干扰性强。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于位置环换向的电动舵机装置，包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、无刷直流电机、传动齿轮组、舵面、电流传感器、位置传感器和通信电路。舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出6路数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路，从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，形成转速闭环；舵面当前偏角经通信电路传给上位机进行实时监测。

本发明还提供上述装置的控制方法，包括以下步骤：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行前期处理，包括电压变换、滤波和限幅；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号；

第三步：将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；

第四步：进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置调节输出量，并且将其作为速度环给定，速度环给定有正负，记录速度环给定的正负号，以决定本控制周期的母线反馈电流的正负号；

第五步：将电流环计数变量清零，利用采集的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，电流环给定有正负，将速度环计数变量加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集回来的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD采样送入DSP，然后与本控制周期的位置环输出的速度环给定的符号相乘，变成矢量，以作为电流环反馈；然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差；

第九步：进行电流PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量，将电流环计数变量加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号，占空比信号有正负；

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。

本发明的有益效果是：本发明的上述控制方法通过本控制周期的速度环给定（即位置环输出）信号正负来决定当前控制周期采集回来的母线电流的正负号，即当需要转速为正时就认为反馈电流为正，当需要转速为负时就认为反馈电流为负。由于速度环的给定即为位置环的输出，而电流的正负就决定了无刷直流电机的转向，所以这种通过位置环输出方向来决定电机转向的控制方法就称为位置环换向方法。

将本控制***应用于电动舵机***与传统舵机***相比具有以下优势：由于位置环输出决定母线反馈电流的符号，每当电流环调节n²次，位置环才调节一次，所以对于位置环的每一次调节输出结果，控制***都经过了n²次的调节，这充分多的调节次数就保证了舵面能够完全跟上位置给定，使得***的稳态精度能得到了极大的提高。

附图说明

图1为无刷直流电动舵机***结构图

图中，1—信号调理电路，2—控制器DSP，3—数字隔离电路，4—驱动电路，5—主功率电路，6—无刷直流电机（BLDCM），7—传动齿轮组，8—舵面，9—电流传感器，10—位置传感器，11—RS422通信。

图2为电动舵机***控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：控制器—DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、无刷直流电机（BLDCM）、传动齿轮组、舵面、电流传感器、位置传感器、422通信电路。舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP通过控制策略进行调节，输出6路数字控制信号，数字控制信号经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路里的MOSFET的开通关断，从而控制无刷直流电动机（BLDCM）工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号。无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组相连的角度传感器（编码器）实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，通过当前偏角计算得到转速形成转速闭环，反馈回来的舵面当前偏角完成舵面位置闭环控制。舵面当前偏角经RS-422传给上位机进行实时监测。

本发明的技术方案中，舵机***控制方案采用位置-速度-电流三闭环PID控制。

***具体控制方法如下：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行电压变换、滤波、限幅等前期处理；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号；

第三步：将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器（数字编码器）信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；

第四步：进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置调节输出量，并且将其作为速度环给定，速度环给定有正负，记录速度环给定的正负号，以决定本控制周期的母线反馈电流的正负号；

第五步：将电流环计数变量清零，利用之前采集回来的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，电流环给定有正负，将速度环计数变量加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集回来的母线反馈电流（标量）经过电压变换、滤波、限幅等处理后通过AD送入DSP，然后与本控制周期的速度环给定（位置环输出）的符号相乘，变成矢量，以作为电流环反馈。然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差。

第九步：进行电流PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量（有正负），将电流环计数变量加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号，占空比信号有正负。

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。

如图1所示，舵面位置给定以模拟信号送入，通过信号调理电路1调理后经AD转换送入控制器DSP2，DSP实现控制策略控制，输出6路驱动信号，驱动信号经数字隔离电路3、驱动电路4和主功率电路5，控制无刷直流电动机（BLDCM）6工作，无刷直流电机通过传动齿轮组7带动舵面8偏转以跟随舵面位置给定。无刷直流电机的母线电流经电流传感器9采样，实现电流环闭环控制。与传动齿轮组相连的位置传感器（编码器）10实时反馈舵面的当前位置，传给DSP，通过位置信号计算得到转速形成转速闭环，反馈回来的位置信号完成舵面位置闭环控制。舵面位置实际测量值经RS-422通信11传给上位机进行实时监测。

如图2所示，本发明采用经典的位置-速度-电流三闭环PID控制，其具体控制过程为：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行电压变换、滤波、限幅等前期处理；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号P^*；

第三步：将速度环计数变量Vcnt清零，用DSP读取角度传感器（数字编码器）信号作为舵面偏角数字反馈信号P，用舵面偏角数字给定信号P^*减去舵面偏角数字反馈信号P求出位置偏差ΔP；

第四步：进行位置环PID调节，根据偏差ΔP算出位置调节量输出，并且将其作为速度环给定V^* _（k），V^* _（k）有正负，记录V^* _（k）的正负号，以决定本控制周期的母线反馈电流的正负号；

第五步：将电流环计数变量Icnt清零，利用之前采集回来的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速V作为速度反馈，用速度环给定V^*减去速度反馈V得到速度偏差ΔV；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差ΔV算出速度调节输出量，并将其作为电流环给定I^*，I^*有正负，将速度环计数变量Vcnt加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集回来的母线电流I₀经过电压变换、滤波、限幅处理后通过AD送入DSP，然后通过公式计算得到I作为电流反馈，其中V^* _(k)表示本控制周期的速度环给定，即位置环输出，V^* _(k)有正负，表示V^* _(k)的符号。然后用电流给定I^*减去电流反馈I得到电流偏差ΔI。

第九步：进行电流环PID调节，根据电流偏差ΔI算出电流调节输出量（有正负），将电流环计数变量Icnt加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号D，D有正负；

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到n（n≤10）次，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节；

本发明通过位置环输出的正负来决定母线反馈电流的正负，当需要转速为正时就认为反馈电流为正，当需要转速为负时就认为反馈电流为负，以实现位置环换向。由于每当电流环调节n²次，位置环才调节一次，所以足够多的调节次数能够极大地提高舵机***的稳态精度。

Claims (1)

1.一种利用基于位置环换向的电动舵机装置的控制方法，其中所述基于位置环换向的电动舵机装置包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、无刷直流电机、传动齿轮组、舵面、电流传感器、位置传感器和通信电路，其特征在于：舵面偏角给定信号以模拟信号的形式送入，信号调理电路将其进行电压变换、滤波、限幅处理后经AD转换送入控制器DSP，DSP输出6路数字控制信号，经数字隔离后送给驱动电路转换成功率控制信号，功率控制信号通过控制主功率电路，从而控制无刷直流电动机工作，无刷直流电机通过传动齿轮组带动舵面偏转以跟随舵面偏角给定信号；无刷直流电机的母线电流经电流传感器采样反馈至DSP，实现电流环闭环控制；与传动齿轮组相连的角度传感器实时反馈舵面当前偏角，传给DSP，形成转速闭环；舵面当前偏角经通信电路传给上位机进行实时监测；

所述控制方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步：将舵面偏角模拟给定信号送给控制板，信号调理电路对其进行前期处理，包括电压变换、滤波和限幅；

第二步：将经过前期处理的舵面偏角模拟给定信号通过AD采样送入控制器DSP为舵面偏角数字给定信号；

第三步：将速度环计数变量清零，用DSP读取角度传感器信号作为舵面偏角数字反馈信号，用舵面偏角数字给定信号减去舵面偏角数字反馈信号求出位置偏差；

第四步：进行位置环PID调节，根据位置偏差算出位置调节输出量，并且将其作为速度环给定，速度环给定有正负，记录速度环给定的正负号，以决定本控制周期的母线反馈电流的正负号；

第五步：将电流环计数变量清零，利用采集的舵面偏角数字反馈信号计算出舵面转速作为速度反馈，用速度环给定减去速度反馈得到速度偏差；

第六步：进行速度环PID调节，根据速度偏差算出速度环调节输出量，并将其作为电流环给定，电流环给定有正负，将速度环计数变量加1；

第七步：判断速度环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第二步，如果否，则继续往下进行第八步控制；

第八步：将采集回来的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD采样送入DSP，然后与本控制周期的位置环输出的速度环给定的符号相乘，变成矢量，以作为电流环反馈；然后用电流环给定减去电流环反馈得到电流偏差；

第九步：进行电流PID调节，根据电流偏差算出电流环调节输出量，将电流环计数变量加1；

第十步：把电流环调节输出量变换成占空比信号，占空比信号有正负；

第十一步：将占空比信号经过数字隔离后通过驱动电路转换成功率控制信号，送给主功率电路，通过控制主功率电路里的MOSFET的开通和关断以控制舵面按控制规律偏转；

第十二步：判断电流环PID调节次数是否达到设定次数n，n≤10，如果是，则返回第五步，如果否，则返回第八步继续进行电流环调节。