一种通用小型化数字电动舵机控制器及其控制方法技术

一种通用小型化数字电动舵机控制器及其控制方法，包括信号调理模块、AD采样模块、并转串模块、舵机算法模块、串转并模块和舵机驱动控制模块、舵机驱动模块、位移检测电路和电流检测电路；其中，位移检测电路和电流检测电路输出m个舵机的模拟位置信号和模拟电流信号，m≥2；经过信号调理模块、AD采样模块和并转串模块得到一路串行位置信号、一路串行电流信号和一路串行指令信号，送入舵机算法模块；舵机算法模块对舵机偏角进行位置电流双闭环控制，并输出一路串行控制信号；经过串转并模块转换成舵机需要的m路并行控制信号输出给舵机驱动控制模块，舵机驱动控制模块和舵机驱动模块驱动电机转动。本发明专利技术控制速度快、稳定性高。

【技术实现步骤摘要】
一种通用小型化数字电动舵机控制器及其控制方法
本专利技术涉及一种舵机控制器及其控制方法。
技术介绍
舵机系统作为导弹控制系统的执行机构，其性能优劣直接影响飞行试验的成败。在空中按一定轨迹飞行的制导火箭弹是利用其控制系统驱动舵面偏转来实现火箭弹的飞行控制，其性能直接影响制导火箭弹的技术指标。舵机系统实际上是一种高精度的位置伺服系统，其工作原理是接受上位机给出的控制信号，经功率放大驱动舵机动作，通过控制舵机来操纵火箭弹舵面的偏转，从而调整火箭弹的飞行姿态和飞行轨迹，最终确保火箭弹能够按照预定的轨迹飞行和打击给定的战术目标。但是现有的控制器还有很多不足。首先，现有的舵机控制器普遍的控制流程整个流程采用顺序执行的方式，对于控制多路舵机，其运算速度有限，占用资源多，工作不可靠。此外，在现有的控制器中，由于上位机传来的舵机偏角指令信号频率比较低，通常在几百赫兹，而舵机的电流采样频率通常较高，电流环带宽通常较大，上位机传来的舵机偏角指令信号中含有丰富的速度和电流冲击分量，将会使舵机在实际控制中出现速度波动和较大的电流过程，因此舵机的稳定性差，增加舵机的功耗。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种资源消耗低、控制稳定性高、可进行在线调试的电动舵机控制器，并提供了一种利用该控制器对舵机偏角进行控制的控制方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种通用小型化数字电动舵机控制器，包括信号调理模块、AD采样模块、控制模块、舵机驱动模块、位移检测电路和电流检测电路；控制模块包括并转串模块、舵机算法模块、串转并模块和舵机驱动控制模块；其中，位移检测电路检测m个舵机的舵面偏角并输出m路模拟位置信号，m≥2；电流检测电路检测m个舵机的电流大小并输出m路模拟电流信号；信号调理模块对m路模拟位置信号和m路模拟电流信号进行抗混叠滤波和信号放大；AD采样模块对信号调理模块输出的舵机的m路模拟位置信号和m路模拟电流信号进行采样和模数转换，输出m路数字位置信号和m路数字电流信号送入并转串模块；并转串模块接收上位机的m路舵机偏角指令信号转换成一路串行指令信号，将AD采样模块送入的m路数字位置信号和m路数字电流信号分别转换成一路串行位置信号和一路串行电流信号，并将串行位置信号、串行电流信号和串行指令信号送入舵机算法模块；所述舵机偏角指令信号为上位机对舵机舵片的位置轨迹命令信息；舵机算法模块包括FIFO1、FIFO2、FIFO3、FIFO4、电流环PID算法模块和位置环PID算法模块；FIFO1、FIFO2和FIFO4分别接收并存储串行指令信号、串行位置信号和串行电流信号；位置环PID算法模块调用串行指令信号作为位置环输入信号和串行位置信号作为位置环反馈信号根据位置PID运算的参数数据分别对每路舵机进行位置环PID运算，并将各路舵机的运算结果拼接得到位置环调节输出量，存入FIFO3中；电流环PID算法模块调用位置环调节输出量作为电流环输入信号和串行电流信号作为电流环反馈信号根据电流PID运算的参数数据分别对每路舵机进行电流环PID运算，并将各路舵机的运算结果拼接得到串行控制信号；串转并模块将舵机算法模块运算输出的一路串行控制信号转换成舵机需要的m路并行控制信号输出给舵机驱动控制模块；舵机驱动控制模块接收m路并行控制信号生成m路PWM驱动信号；舵机驱动模块接收m路PWM驱动信号，进行隔离和放大后驱动舵机运动。所述并转串模块和上位机之间还有轨迹生成模块，轨迹生成模块接收上位机传来的舵机偏角指令信号，对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形。所述轨迹生成模块对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形的过程为：对舵机偏角指令信号以上位机的发送频率计算出舵机位置轨迹的离散速度信号和离散加速度信号，并分别限制其最大值；以舵机算法模块的运算频率对加速度信号进行积分，得到某时刻的一次积分后的速度值；将一次积分后的速度值和该时刻离散速度信号的速度值分别与上一时刻的速度值做差；取与上一时刻的速度值做差的差值绝对值较小的速度值作为这一时刻的比较后的速度值；对比较后的速度进行积分，得到处理后的舵机偏角指令信号。所述控制器还包括存储模块，存储模块接收并存储上位机送入的PID参数修改数据，每隔固定时间将PID参数修改数据送入舵机算法模块；所述PID参数修改数据包括舵机算法模块中进行电流PID运算和位置PID运算的参数数据。所述控制模块还包括故障检测与保护模块，所述故障检测与保护模块接收AD采样模块送来的数字位置信号和数字电流信号，进行位置和电流的异常判断，将故障数据输出给舵机驱动控制模块，所述舵机驱动控制模块根据故障数据对PWM驱动信号进行限制占空比保护或关断PWM驱动信号。所述舵机驱动模块包括三相桥驱动芯片和功率MOSFET；三相桥驱动芯片将PWM驱动信号放大，转换为功率MOSFET的栅极驱动信号，功率MOSFET组成的三相桥驱动电路输出三相桥驱动信号驱动舵机转动。所述舵机驱动模块还包括霍尔电流检测芯片，三相桥驱动电路的总电流经霍尔电流检测芯片和电流检测电路处理生成模拟电流信号。一种利用如前所述的通用小型化数字电动舵机控制器的舵机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.从上位机获取舵面偏角指令信号，将舵机算法模块中的位置运算数ns置零；所述位置环运算数为位置环的运算次数；S2.将舵机偏角指令信号送入并转串模块处理得到串行指令信号，并存入FIFO1中；S3.将电流环运算数ni置零，ns加一，启动AD采样模块采集模拟位置信号，经过并转串模块得到串行位置信号，并存入FIFO2中；所述电流环运算数为电流环的运算次数；S4.取出FIFO1中的串行指令信号和FIFO2中的串行位置信号，在舵机算法模块中进行位置环串行PID运算，根据位置偏差算出位置环调节输出量，存入FIFO3中，将其作为电流环给定；S5.将ni加一，启动AD采样模块采集模拟电流信号，送入并转串模块得到串行电流信号，并存入FIFO4中；S6.取出FIFO3中的位置环调节输出量和FIFO4中的串行电流信号，进行电流环串行PID运算，根据电流偏差算出串行控制信号作为电流环调节输出量；S7.将串行控制信号依次送入串转并模块和舵机驱动控制模块处理得到PWM驱动信号；S8.将PWM驱动信号经过舵机驱动模块处理驱动舵机运动；S9.若ni<i，则返回步骤S5，若ni≥i，则进行步骤S10，i为大于或等于1的正整数；S10.若ns<s，则返回步骤S2，若ns≥s，则返回步骤S1，s为大于或等于1为正整数。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1)本专利技术采用串并结合的模式，在舵机算法模块部分对多路舵机的控制进行串行运算，在其他模块中分别对多路舵机进行并行控制，大大节省了资源的消耗，提高了运算和控制速度，同时也保证了各路舵机控制性能。2)本专利技术的轨迹生成模块对上位机传来的信号频率较低的舵机偏角指令信号进行处理，避免较大的速度波动和电流过程，提高了舵机控制的稳定性。3)本专利技术的故障检测和保护模块，在舵机发生异常情况时，对舵机进行保护，保证舵机运行的可靠性和安全性。4)本专利技术的存储模块使用片外的EEPROM存储舵机运行时的参数，通过通讯模块可以使用上位机对系统中控制参数进行在线调试和保存。5)本专利技术能同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通用小型化数字电动舵机控制器，其特征在于，包括信号调理模块、AD采样模块、控制模块、舵机驱动模块、位移检测电路和电流检测电路；控制模块包括并转串模块、舵机算法模块、串转并模块和舵机驱动控制模块；其中，位移检测电路检测m个舵机的舵面偏角并输出m路模拟位置信号，m≥2；电流检测电路检测m个舵机的电流大小并输出m路模拟电流信号；信号调理模块对m路模拟位置信号和m路模拟电流信号进行抗混叠滤波和信号放大；AD采样模块对信号调理模块输出的舵机的m路模拟位置信号和m路模拟电流信号进行采样和模数转换，输出m路数字位置信号和m路数字电流信号送入并转串模块；并转串模块接收上位机的m路舵机偏角指令信号转换成一路串行指令信号，将AD采样模块送入的m路数字位置信号和m路数字电流信号分别转换成一路串行位置信号和一路串行电流信号，并将串行位置信号、串行电流信号和串行指令信号送入舵机算法模块；所述舵机偏角指令信号为上位机对舵机舵片的位置轨迹命令信息；舵机算法模块包括FIFO1、FIFO2、FIFO3、FIFO4、电流环PID算法模块和位置环PID算法模块；FIFO1、FIFO2和FIFO4分别接收并存储串行指令信号、串行位置信号和串行电流信号；位置环PID算法模块调用串行指令信号作为位置环输入信号和串行位置信号作为位置环反馈信号根据位置PID运算的参数数据分别对每路舵机进行位置环PID运算，并将各路舵机的运算结果拼接得到位置环调节输出量，存入FIFO3中；电流环PID算法模块调用位置环调节输出量作为电流环输入信号和串行电流信号作为电流环反馈信号根据电流PID运算的参数数据分别对每路舵机进行电流环PID运算，并将各路舵机的运算结果拼接得到串行控制信号；串转并模块将舵机算法模块运算输出的一路串行控制信号转换成舵机需要的m路并行控制信号输出给舵机驱动控制模块；舵机驱动控制模块接收m路并行控制信号生成m路PWM驱动信号；舵机驱动模块接收m路PWM驱动信号，进行隔离和放大后驱动舵机运动。...

【技术特征摘要】
1.一种通用小型化数字电动舵机控制器，其特征在于，包括信号调理模块、AD采样模块、控制模块、舵机驱动模块、位移检测电路和电流检测电路；控制模块包括并转串模块、舵机算法模块、串转并模块和舵机驱动控制模块；其中，位移检测电路检测m个舵机的舵面偏角并输出m路模拟位置信号，m≥2；电流检测电路检测m个舵机的电流大小并输出m路模拟电流信号；信号调理模块对m路模拟位置信号和m路模拟电流信号进行抗混叠滤波和信号放大；AD采样模块对信号调理模块输出的舵机的m路模拟位置信号和m路模拟电流信号进行采样和模数转换，输出m路数字位置信号和m路数字电流信号送入并转串模块；并转串模块接收上位机的m路舵机偏角指令信号转换成一路串行指令信号，将AD采样模块送入的m路数字位置信号和m路数字电流信号分别转换成一路串行位置信号和一路串行电流信号，并将串行位置信号、串行电流信号和串行指令信号送入舵机算法模块；所述舵机偏角指令信号为上位机对舵机舵片的位置轨迹命令信息；舵机算法模块包括FIFO1、FIFO2、FIFO3、FIFO4、电流环PID算法模块和位置环PID算法模块；FIFO1、FIFO2和FIFO4分别接收并存储串行指令信号、串行位置信号和串行电流信号；位置环PID算法模块调用串行指令信号作为位置环输入信号，调用串行位置信号作为位置环反馈信号；根据位置PID运算的参数数据分别对每路舵机进行位置环PID运算，并将各路舵机的运算结果拼接得到位置环调节输出量，存入FIFO3中；电流环PID算法模块调用位置环调节输出量作为电流环输入信号，调用串行电流信号作为电流环反馈信号；根据电流PID运算的参数数据分别对每路舵机进行电流环PID运算，并将各路舵机的运算结果拼接得到串行控制信号；串转并模块将舵机算法模块运算输出的一路串行控制信号转换成舵机需要的m路并行控制信号输出给舵机驱动控制模块；舵机驱动控制模块接收m路并行控制信号生成m路PWM驱动信号；舵机驱动模块接收m路PWM驱动信号，进行隔离和放大后驱动舵机运动。2.一种如权利要求1所述的通用小型化数字电动舵机控制器，其特征在于，所述并转串模块和上位机之间还有轨迹生成模块，轨迹生成模块接收上位机传来的舵机偏角指令信号，对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形。3.一种如权利要求2所述的通用小型化数字电动舵机控制器，其特征在于，所述轨迹生成模块对舵机偏角指令信号进行平滑处理和整形的过程为：对舵机偏角指令信号以上位机的发送频率计算出舵机位置轨迹的离散速度信号和离散加速度信号，并分别限制其最大值；以舵机算法模块的运算频率对加速度信号进行积分，得到某时刻的一次积分后的速度值；将一次积分后的速度值和该时刻离散速度信号的速度值分别与上一时刻的速度值做差；取与上一时刻的速度值做差的差值绝对值较小的速度值作为这一时刻的比较后...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹扬，田秀，刘鹏远，王彦利，肖跃华，孙章军，郭光辉，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11