1、文章編號(hào):10071385(200601000804基于DSP的數(shù)字舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)劉濤呂迅竑黃一敏(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇南京210016摘要:介紹了某型無人機(jī)的數(shù)字式舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。由于原使用的模擬式舵機(jī)控制器的控制參數(shù)不易調(diào)整,且用于調(diào)整參數(shù)的電位器極易出現(xiàn)故障,設(shè)計(jì)了使用T M S320F2812作為CP U的數(shù)字式舵機(jī)控制器。本控制器使用DSP芯片對(duì)多路舵機(jī)實(shí)現(xiàn)了伺服控制,不但體積大大縮小,而且控制性能更加優(yōu)良,并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各主要控制參數(shù)的不拆機(jī)修改,增加了控制器的靈活性以及通用性。關(guān)鍵詞:DSP;T MS320F2812;伺服控制;數(shù)字舵機(jī)控制器中圖分類號(hào):V279文獻(xiàn)

2、標(biāo)識(shí)碼:A某型無人機(jī)使用的模擬式舵機(jī)控制器控制參數(shù)需用電位器進(jìn)行調(diào)整,不易修改,且體積較大,抗干擾能力不強(qiáng)。在舵機(jī)控制器在無人機(jī)上安裝好之后,控制參數(shù)的調(diào)整非常困難。由于受到舵機(jī)齒輪的限制,舵機(jī)零位的調(diào)整必須于安裝好以后進(jìn)行。由于電位器的可靠性相對(duì)較低,出現(xiàn)過多起由于電位器工作異常而返廠維修的情況。因此,用數(shù)字式舵機(jī)控制器取代模擬式舵機(jī)控制器勢(shì)在必行。數(shù)字式舵機(jī)控制器抗干擾能力強(qiáng),參數(shù)調(diào)整通過軟件完成。1某型無人機(jī)舵機(jī)簡(jiǎn)介某型無人機(jī)選用的是交流舵機(jī),該舵機(jī)由磁滯電動(dòng)機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)、減速器、電磁離合器、反饋電位計(jì)及鼓輪組成1。測(cè)速機(jī)通過齒輪與磁滯電動(dòng)機(jī)相連,提供交流測(cè)速信號(hào)。反饋電位計(jì)安裝在鼓輪

3、上,提供舵機(jī)的位置反饋信號(hào)。磁滯電動(dòng)機(jī)為三相交流電動(dòng)機(jī),通過電容移相,實(shí)現(xiàn)單相交流電源供電2。電動(dòng)機(jī)采用pang-pang控制方式(即只控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止。2數(shù)字式舵機(jī)控制器總體設(shè)計(jì)舵機(jī)控制器控制舵機(jī)的基本原理是:飛控計(jì)算機(jī)通過RS232串口將舵機(jī)的位置給定信號(hào)以數(shù)字形式送給舵機(jī)控制器并監(jiān)控舵機(jī)的狀態(tài),舵機(jī)控制器AD通道對(duì)舵機(jī)的位置和速度反饋收稿日期:20051205作者簡(jiǎn)介:劉濤(1977,男,山東淄博人,在讀研究生信號(hào)采樣,在軟件中通過對(duì)給定量和反饋量的比較來決定是否對(duì)舵機(jī)發(fā)送控制信號(hào),經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。舵機(jī)控制器以插板的形式置于飛控計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)部,所需5V及15V電源

4、由飛控計(jì)算機(jī)提供,總體框圖如圖1所示 。圖1舵機(jī)控制器系統(tǒng)框圖3數(shù)字式舵機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)數(shù)字式舵機(jī)控制器硬件由DSP及其外圍電路、反饋信號(hào)采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、串口通信電路組成。硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。3.1CP U及外圍電路CP U選用TI公司的DSP芯片T MS320F2812,此芯片內(nèi)部集成馬達(dá)控制外圍設(shè)備、串口外圍設(shè)備、16通道的12位的ADC以及128K片內(nèi)F LAS H存儲(chǔ)器,適合進(jìn)行電機(jī)控制3。DSP的外圍電路包括參數(shù)存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、JT AG接口電路和供電電源電路等。用16K的EEP2 RO M:24LC16B進(jìn)行控制參數(shù)存儲(chǔ)。時(shí)鐘電路使用外部有源晶振,通過CP U內(nèi)部P

5、LL倍頻得到最大為150MHz的工作頻率。DSP芯片的JT AG口可實(shí)現(xiàn)在線編程。由電源芯片TPS767D318將飛控計(jì)算機(jī)提供2006年2月第23卷第1期沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)Journal of Shenyang I nstitute of Aer onautical EngineeringFeb.2006Vol.23No.1的5V 電源轉(zhuǎn)換為3.3V 和1.8V,滿足DSP 的3.3V 的外圍電源及1.8V 的核心電源的需要。圖2舵機(jī)控制器硬件電路結(jié)構(gòu)圖3.2舵機(jī)測(cè)速反饋及位置反饋處理電路舵機(jī)位置反饋信號(hào)是由反饋電位計(jì)輸出的直流信號(hào)。由于加在電位計(jì)兩端的電源為15V 電源,因此,位置反饋信

6、號(hào)范圍為+15V -15V 。T MS320F2812片內(nèi)AD 的輸入范圍為03V,因此,應(yīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減和電平平移,在AD 采樣之前,還應(yīng)進(jìn)行濾波,去除高頻干擾信號(hào)對(duì)采樣造成的影響。舵機(jī)的速度反饋信號(hào)是400Hz 交流信號(hào),無法直接用于伺服控制的反饋。因此,應(yīng)通過解調(diào)電路先解調(diào)成直流信號(hào)。對(duì)解調(diào)后的直流信號(hào)進(jìn)行濾波、衰減、電平平移后再進(jìn)行AD 采樣。采樣的精度由DSP 芯片的片內(nèi)AD 的精度決定,此芯片的片內(nèi)AD 的精度為12位,單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns,可滿足系統(tǒng)的采樣要求。兩反饋通道濾波電路均采用二階低通濾波電路。濾波器原理圖如圖3所示。此濾波器的放大倍數(shù):A uo =-R 3/R 1,截

7、止角頻率c =1/R 2R 3C 1C 2=2f c ,據(jù)此設(shè)計(jì)R 1、R 2、R 3、 C 1、C 2的值,使參數(shù)設(shè)置滿足低通濾波的要求。圖3二階低通濾波電路3.3舵機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制電路舵機(jī)的電動(dòng)機(jī)的控制電路由光電隔離、雙向可控硅放大電路組成。DSP 通過I O 口輸出控制信號(hào),經(jīng)雙向可光電耦合器隔離,觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通,從而控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。舵機(jī)控制電路的示意圖如圖4。圖中虛線右側(cè)為磁滯電動(dòng)機(jī),通過跨接于90V 交流電AB 兩相間的移相電容,實(shí)現(xiàn)單相供電,即僅靠A 相或B 相供電即可使磁滯電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。使用DSP 芯片的通用I/O 口(GP I O 對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制,而不是P WM 輸出引腳進(jìn)行控

8、制,去除了DSP 控制電機(jī)數(shù)量有限的限制。在我們的系統(tǒng)中,可以控制五路舵機(jī)的運(yùn)行。由于此款DSP 芯片的良好性能,經(jīng)程序運(yùn)行時(shí)間和AD 采樣時(shí)間的測(cè)算,還可以繼續(xù)擴(kuò)展舵機(jī)的控制數(shù)目,這為系統(tǒng)的改進(jìn)打下了良好的基礎(chǔ)。圖5為光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。 經(jīng)CP U 出來的控制信號(hào)經(jīng)光耦器件隔離后 ,通過控制開關(guān)管導(dǎo)通的方式達(dá)到控制磁滯電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。圖4舵機(jī)控制電路圖5光耦隔離電路及驅(qū)動(dòng)電路原理圖4數(shù)字式舵機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)數(shù)字式舵機(jī)控制器的控制程序的主要功能是通過串口接收飛控計(jì)算機(jī)的位置給定信號(hào),采樣舵機(jī)的反饋信號(hào),通過位置給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較的方式進(jìn)行控制量的輸出進(jìn)行控制律解算后控制舵機(jī)

9、運(yùn)行。為了便于調(diào)整控制器系統(tǒng)的各參數(shù),編寫參數(shù)處理子程序,通過串口修改參數(shù),參數(shù)的可在線修改增加了控制程序的靈活性。舵機(jī)控制器接收位置給定信號(hào)、發(fā)送位置反饋信號(hào)由串口通信處理子程序完成,參數(shù)的修改由參數(shù)處理子程序完成。第1期劉濤等:基于DSP 的數(shù)字舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)94.1控制主程序本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,完成各功能寄存器、定時(shí)器的基本設(shè)置,以及參數(shù)從外部EEPROM 的讀入。初始化完成后,進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中,根據(jù)標(biāo)志位調(diào)用不同的子程序 。圖6主程序流程圖在串口通訊處理子程序中,控制信號(hào)是以數(shù)據(jù)幀的形式經(jīng)飛控計(jì)算機(jī)的串口給出,子程序通過判斷數(shù)據(jù)幀幀頭的方式來判斷給

10、出的信號(hào)的類型,是參數(shù)處理數(shù)據(jù)、舵機(jī)控制信號(hào)數(shù)據(jù)還是無效數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到舵機(jī)控制信號(hào)(即位置給定信號(hào)時(shí),調(diào)用反饋信號(hào)的AD 采樣子程序程序,取得反饋量的數(shù)值,最后在控制量輸出子程序里根據(jù)位置給定與反饋量的差值決定控制量的輸出。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)是需要調(diào)節(jié)的參數(shù)時(shí),調(diào)用參數(shù)處理子程序,將EEPROM 存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和保存后,程序結(jié)束返回系統(tǒng)初始化之前。當(dāng)接收到無效數(shù)據(jù)時(shí),返回串口處理子程序的開始位置。在AD 采樣子程序中,依次對(duì)多路舵機(jī)的位置和測(cè)速反饋信號(hào)進(jìn)行采樣,在采樣完成后調(diào)用控制量輸出子程序。在控制量輸出子程序中,對(duì)采集到的反饋信號(hào)進(jìn)行線性變換處理,使之格式與位置給定信號(hào)相同,再綜合考慮

11、反饋比例調(diào)節(jié)系數(shù)、死區(qū)、舵機(jī)零偏值的影響,以負(fù)反饋的形式與位置給定信號(hào)進(jìn)行比較,決定是否向與舵機(jī)控制電路的I/O 端口發(fā)送信號(hào),使磁滯電動(dòng)機(jī)動(dòng)作,完成了對(duì)舵機(jī)的伺服控制。4.2參數(shù)處理子程序由于舵機(jī)在長時(shí)間工作之后會(huì)存在零位偏移等問題,以及在舵機(jī)控制器在使用的過程中,對(duì)同類型但參數(shù)不同的舵機(jī)進(jìn)行控制時(shí)需修改兩反饋通道的比例調(diào)節(jié)系數(shù),因此軟件中參數(shù)的可調(diào)節(jié)性可以靈活的修改控制律,使產(chǎn)品的通用性和可維護(hù)性得以提高。在參數(shù)處理子程序中,若從串口接收的飛控計(jì)算機(jī)的指令為反饋比例調(diào)節(jié)系數(shù)、死區(qū)、舵機(jī)零偏值等可調(diào)參數(shù)的修改指令時(shí),對(duì)外部擴(kuò)展的EE 2PROM 進(jìn)行寫入操作,覆蓋原存儲(chǔ)的系統(tǒng)參數(shù)。此子程序是

12、依靠Bootl oader 的SP I 引導(dǎo)功能實(shí)現(xiàn)的。在現(xiàn)場(chǎng)的使用中,將DSP 的JT AG 口通過航空插頭引出,配合我們?cè)O(shè)計(jì)的無人機(jī)仿真測(cè)試設(shè)備,就可以進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整,解決了原模擬式舵機(jī)控制器必須返廠維修的問題。5數(shù)字化負(fù)面影響的解決數(shù)字化帶來的負(fù)面影響是使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變慢,從而使系統(tǒng)的控制特性變差。在本系統(tǒng)中,選用的主控芯片的主頻極高,達(dá)到了150MHz,執(zhí)指速度極快,片內(nèi)AD 的轉(zhuǎn)換速度也達(dá)到80ns,可滿足系統(tǒng)的采樣及控制輸出要求。其次,采樣電路使用了二階低通濾波器,濾除了干擾信號(hào),也縮短了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,由于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的所采樣信號(hào)為低頻信號(hào),數(shù)字化后的響應(yīng)速度與模擬式舵機(jī)控制器的

13、響應(yīng)速度差別不大。6實(shí)驗(yàn)結(jié)果在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)數(shù)字舵機(jī)控制器和原使用的模擬式舵機(jī)控制器進(jìn)行比較,位置給定為1度時(shí)舵機(jī)的位置輸出如圖7所示。由圖可見,由于采用了二階濾波電路,抑制了超調(diào)現(xiàn)象的出現(xiàn),從而改善了位置輸出信號(hào)的品質(zhì)。7結(jié)束語實(shí)踐證明,采用數(shù)字控制的舵機(jī)控制器同樣可以實(shí)現(xiàn)良好的伺服控制,且與模擬式舵機(jī)控制器相比,數(shù)字式舵機(jī)控制器體積較小,靈活性較10沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)第22卷 圖7模擬(左圖和數(shù)字(右圖式舵控器位置輸出強(qiáng),通過串口對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改即可以控制參數(shù)不同的舵機(jī),配合我們?cè)O(shè)計(jì)的仿真測(cè)試設(shè)備,不拆卸飛控計(jì)算機(jī)即可修改舵機(jī)的參數(shù),增加了舵機(jī)控制系統(tǒng)的可維護(hù)性。參考文獻(xiàn):1唐明余.

14、長空靶機(jī)舵回路J.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1993,25(1:105-1102張明廉.飛行控制系統(tǒng)M.北京:國防工業(yè)出版社.1984.146-1483美Texas I nstruments I ncor porated,張衛(wèi)寧編譯.T MS320C28X系列DSP的CP U與外設(shè)M.北京:清華大學(xué)出版社.2004The desi gn of nu meri c rudder controller base on DSPL I U TaoLV Xun-hongHUANG Yi-m in(College of Aut omati on Engineer,Nanjing University of A

15、er onautics and A str onautics,J iangsu Nanjing210016Abstract:The paper intr oduces in detail the design of nu meric rudder contr oller of p il otless-p lane.The anal og rudder contr oller we ever use is difficult t o adjust the contr ol-para meters,and the potenti ometers which use t o adjust the p

16、ara meter are easy t o be da maged by librati ons in the course of flying.So we design a kind of nu meric rudder contr oller based on the chi p of T MS320F2812,can contr ol multi-channelsrudders in a servo syste m. This contr ollers bulk is s maller than the anal og contr oller and more excellent in

17、 capability.More i m portant,we can change the contr ol-para meters easily but we dont need t o take apart the p lane.This character increases the agility and compatibility of the contr oller.Keywords:DSP;T MS320F2812;servo-syste m;numeric rudder contr oller(上接第13頁I ntelli gent detecti n g i n stru

18、ment desi gn of so me ki n d a i rpl ane engi n eQ I A O Zhi-huaZ HAO W en-chengCAO J iangtaoHU L i-fu(Depart m ent of Aut omati on Engineering,Shenyang I nstitute of Aer onautical Engineering,L iaoning Shenyang110034Abstract:I n order t o i m p le ment the fast aut o-detecting functi on of the aircraft engine comp letely,we designed and devel oped a ne w kind of detecting syste m f or s ome kind air p lane engine,and the method is based upon the integrated analysis of the f or mer circuit syste m.I n this paper we p resent a syste m design sche me about the hard2 war