基于DSP的模拟舵机位置伺服系统设计与实现
邵瑜李声晋高婧
(西北工业大学．陕西西安710072
摘要：针对飞机舵机驱动控制系统介绍了基于DsP的无刷直流电动机模拟舵机位置伺服系统的硬件组成、软件设计及上作原理综合运用了PI调节和积分分离PTD厕节控制算法并使用labwindows/CVI软什编写上位机软件对系统的跟随特性进行测试测试结果表明该系统响应速度快．具有较好的控制特性和实用价值。
关键词：舵机；位置伺服：labwindows/CVI；PID算法
中图分类号：TM383．4 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)09 0028—03
0引言
1硬件设计
舵机是控制飞行器舵面运动的伺服执行机构用以驱动飞机舵面的偏转从而控制飞机的飞行状态。本文设计的是一种飞机舵机的模拟位置伺服系统由稀土永磁无刷直流电动机带动一个同轴安装的角位移传感器组成DSP30F6010为其控制核心。该系统能够实现舵机系统的主要性能参数测试和试验包括正反转控制、速度连续调节舵面角度自动限位以及按照给定偏转角快速、稳定、准确的跟踪；同时可以测量电机的实时转速、系统的频率响应等参数此外在过流过压时还具有故障保护功能一上位机软件采用Labwindows/(CVI的开发环境主要通过RS422串口通信进行数据发送和接收提供在线实时测试可设置改变输入信号等有关参数从而使系统具有实用性如图1所示
1．1主控及供电模块
霍尔元件安装在电机内部检测转子磁极位置霍尔信号PA、PB、PC分别与DSP的三个模拟引脚相连将模拟引脚设置为数字接口通过产生PWM中断来决定换向。DSP通过PWM引脚经驱动电路(本系统选用IR2130)连接到六个关管实现定频PWM和换向控制。设计有三路模拟量的输入分别是给定位置信号、电机实际位置反馈信号、电源电压检测信号模拟量的输入分别经过隔离以及滤波送至DSP。此外还外接有两个指示灯来指示系统的运行状态。图2只给出了一路模拟量与霍尔信号的输入图。
图2模拟量输入与霍尔信号输入原理图
由于本系统用电较为简单．只需要两种电源信号；同时考虑牛产成本、开发周期以及功率情况最终采用较为简单的线性电源。系统采用24 V供电通过L7815(15 V)给驱动芯片供电再经过超低压差的LM1117(5 V)给其余部分供电。
1 2驱动电路设计
如图3所示驱动芯片选用IR公司的1R2130芯片同时控制六个大功率管的导通和关断驱动电路非常简单。是通过1-LM7815稳压器得到的﹢15 V电源。C1是自举电容为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量D4的作用防止上桥臂导通时
图3驱动电路原理图
的直流电压和母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏因此D4应有足够的反向耐压当然由于D4与C1串联．为了满足主电路功率管开关频率的要求D4应选快速恢复二极管。R17和R12是MOSFET的栅极电阻R8和R23是防静电电阻以免由于静电烧毁功率管。IR2130 的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3作为功率管的输入驱动信号与DSP的PWM输出连接。FAULT与DSP外部中断引脚连接由DSP 中断程序来处理故障。自举电容的容量取决于被驱动功
率MOS门器件的开关频率自举电容所需的最小电容值可由式(1)计算。
式中： Qg——高端器件栅极电荷；
f一一工作频率；
Iqbs(max)——高端驱动电路****静态电流；
I qbs (leak)——自举电容漏电流；
QIS——每个周期内电平转换电路中的电荷
Vc一一芯片电压；
Vf——高端驱动电路****静态电流；
VIS——自举电容漏电流；
1． 3逆变及保护电路
系统的功率电路采用三相全桥逆变电路．采用IRF540NS(MOSFET)作为功率开关器件该芯片耐压为100v导通时的****电流可达33 A。根据霍尔信号使开关器件两两导通实现逆变电路的三相六状态120°导通方式图4只给出了一个桥臂的电路图在逆变电路中采用RCD 尖峰吸收电路减小开关过程中电压尖峰和电流尖峰的大小减小开关器件的开关损耗提高开关T器件承受过载和短路的能力。
图4驱动及保护电路原理图
当下管开通时对下管的Vce进行检测MOS管稳定导通的栅极电压为10 V(Vref1的理论值)左右如图4所示(图中只画出了一个下管的检测电路)。由分压电阻R38、R39。得到参考电压Vref1此电压与L01比较作为下管开通的标志DLOAl(大于Vref1输出为高F管开通)。根据数据手册IRF540NS****可过电流33 A导通时的电阻为44 m则MOS管导通时的理论****压降33 x 0．044=l．452 VDLOAI 的理论****值VmaxDLOAI 即为MOS管的****压降加上D7导通时的压降再加上R27的压降总和计算得到VmaxDLOAI=2 6 V(VRef的理论值)设计中VRef通过两个电阻分压得到。当DLOAI高于VRef时对下管进行过电流保护、此外芯片自身具有一些保护功能：
(1)过流保护 电流检测信号ITRIP接至过流检测输入端ITRIP(9脚)当外电路发生过流或直通ITRIP端电压高于0．5 V时．IR2130内部保护电路使其输出驱动信号仝为低电平从而使被驱动的MOS器件全部截止保护了功率管。同时IR2130的FAULT(引脚8)变为低电平该信号接cpu故障从FAuLT端输出故障信号。
(2)欠压保护 若IR2130的工作电源欠压(即当Vcc下降到8.9V)与过流保护相似内部的欠压保护电路使其输出驱动信号全为低电平同时从FAULT端输出故障信号。
(3)逻辑封锁 当前一级控制电路的脉冲发生逻辑错误时IR2130接受到功率元件同一桥臂高压侧和低压侧两功率器件的驱动信号全为高电平时．内部保护电路可保证该两路栅极驱动信号全为低电平从而防止驱动信号有误而引起的直臂导通现象。
1．4串行通讯部分
如图5所示UART部分通过SP49lE芯片转换成RS422通讯来实现数据向上位机传输和接收上位机的指令。R81、R82分别为下拉和上拉电阻R76、R77为匹配电阻避免长线传输中电阻不匹配容易引起的反射波干扰
图 5 串行通讯接口电路
2软件设计
E位机软件设计开发平台采用CVI基于C语言的开发环境与测控技术有机结合具有灵活的交互式编程方法并提供了丰富的面板功能和库函数。在本系统中开发_r一套与系统硬件相配套的实时测试软件通过Rs422串口按照相关协议与下位机进行通讯。该上位机软件主要包括三个部分的功能：串行通讯及数据处理的功能、部分参数设置的功能和数据与波形显示的功能。设计了一些信号发生器满足为系统施加各种输入信号对系统的性能进行测试。信号参数设置还包括PID参数的给定一测试平台可以根据需要选择不同的组合在绘制动态曲线的同时可以根据需要修改图形控件属性以便观察波形可以修改坐标轴的上下限、背景颜色、网格颜色和曲线颜色。
DSF 主控芯片的编程主要包括主程序和中断程序。主程序主要是初始化DSP所需要用到的控制寄存器、初始化I/O端口、初始化中断设备、检测电机的初始位置以及初始化需要用到的控制变量等。
如图6所示。
中断程序主要包括定时器巾断子程序、ADC转换中断子程PWM中断子程序一定时器中断主要用来将待发送的数据打包并实现与上位机的通讯ADC中断子程序主要用来读取给定位置信号和实际反馈位置信号并进行模拟量和数字量的转换PWM中断子程序主要用来调用PD和PID计算函
数来调节占空比改变电机的转动方向和转动速度。
图6王程序流程图
在数字PD 调节控制系统中引入积分环节的目的是为r消除静差提高精度但在过程的开始、结束或大幅增加给定值时短时间内系统输出就有很大的偏差会产生积分积累致使控制量超过执行机构可能允许的****动作范围对应的极限控制量引起系统较大的超凋甚至振荡这对于伺服电机的运行来说是不利的。为了减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响采用积分分离的PD控制。当电机的实际位置与给定期望位置的误差小于二一定值时再恢复积分校正环节以便消除系统的静态误差。
本系统中位置环控制时采用此方法如图7所示一通过DSP检测出给定位置信号和实际反馈位置信号的偏差e当e>∣ε∣时采用PD控制可避免产牛较大的超调又使系统有较快的响应；当e≤∣ε∣ 时采用PID控制保证系统的控制精度。
图7位置环PID算法流程图
3实验结果及总结
该系统的稀土永磁无刷直流电动机的参数为：额定电压DC24V额定功率52 W额定电流2．55A额定转速3 000 r/min(带减速器)。减速器减速比为 1：36减速后的额定转速为3 000/36=83．3 r/min即f=1．389 Hz。系统在如图8所示的操作界面中进行了阶跃响应和正弦波的跟随特性检测起动并运行系统由上位机监控的町视化运行曲线可知速度响应快无超调获得了较好的系统跟随特性一该系统功能齐全操作容易参数设置测试方便显示直观同时系统的硬件成本低．具有很强的实用性和便携性。盈8实验测试结果显示(1. 3Hz)
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作者简介：邵瑜(1984一)女硕士主要研究方向为电机控制及电力电子 |
