[发明专利]一种数字电动舵机控制装置和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字电动舵机的控制装置和控制方法，尤其针对飞行器用具有快速动态响应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系统，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，舵机控制系统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程序调节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，其中在如此复杂的工作环境中还要具有快速响应速度是一个技术难点。

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，但是它只提出了系统的整体结构方案，对于系统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系统输出转矩脉动抑制，对于在复杂工作环境下的快速响应速度这个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，本发明提供一种数字电动舵机的控制装置，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：一种用于电动舵机的控制装置，包括信号调理电路、DSP、数字隔离电路、驱动电路、主功率电路、传动齿轮组、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。

本发明还提供上述控制装置的控制方法，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环调节输出量，并且将其作为速度环给定；

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，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：将采集的母线反馈电流经过电压变换、滤波和限幅后通过AD送入DSP，然后通过霍尔相序来判断当前转向的正负，母线电流值与转向信号相乘，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：进行电流环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。