一種舵機控制器的製作方法

2023-06-27 21:16:46

專利名稱：一種舵機控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及舵機控制技術領域，具體為一種舵機控制器。
背景技術：
舵機主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路板組成。它的工作原理如下舵機的控制電路板接收來自信號線的控制信號(周期為20ms的PWM信號)，控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速後傳動至輸出舵盤。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號至控制電路板，進行反饋，然後控制電路板根據所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而 能控制其轉到期望的角度。目前，舵機控制器主要是以DSP等為核心的數字舵機控制器，但是DSP晶片為非國產元器件，非國產電子元器件購買、選型、技術交流時經常受到政治、經濟等因素影響，而且目前的DSP晶片在應用於對數位訊號幹擾大的某些電磁幹擾場合時常常會出現幹擾現象。

發明內容
要解決的技術問題為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種舵機控制器，該舵機控制器利用成熟的、常用的、購買不受限的分立電子元器件和成熟的單元電路。技術方案本發明的技術方案為所述一種舵機控制器，其特徵在於由調零電路與舵機反饋位置電路、目標信號調理電路、目標角度與實際角度處理電路、方向控制電路、信號選擇電路、PWM信號發生電路、PID調理電路、載波信號發生電路、信號隔離電路、過流保護電路及電流採樣電路、功率管驅動電路、H橋逆變電路及電流採樣電路、電源供電電路組成；所述調零電路與舵機反饋位置電路的輸入為外部舵機執行機構的反饋電位器信號DJ-FKV，並對信號DJ-FKV進行電壓跟隨處理，得到舵機系統的當前所處角度信號V-FK ；調零電路通過電位器實現，所述電位器的輸出信號經電壓跟隨處理後得到的信號與V-FK信號經減法電路後輸出信號VReal，其中V-FK信號接減法電路的正輸入端，電位器輸出信號經電壓跟隨處理後得到的信號接減法電路的負輸入端；所述目標信號調理電路的輸入信號為外部控制器輸入的目標角度信號，當目標角度信號為模擬電壓信號時，目標信號調理電路對模擬電壓信號進行電壓跟隨處理，當目標角度信號為PWM信號時，目標信號調理電路將PWM信號調理逆變為模擬電壓信號，再對得到的模擬電壓信號進行電壓跟隨處理；目標信號調理電路的輸出信號為Vbm信號；所述目標角度與實際角度處理電路為兩路減法電路，其中一路減法電路正輸入端接VReal信號，負輸入端接Vbm信號，輸出信號為OUTRMl，另一路減法電路正輸入端接Vbm信號，負輸入端接VReal信號，輸出信號為OUTMRl ；
所述方向控制電路包括比較器和非門電路，VReal信號接比較器正輸入端，Vbm信號接比較器負輸入端，比較器的輸出信號CON-VOL作為舵機的方向控制信號,CON-VOL信號經非門電路後輸出信號C0N-V0LF，用作後續控制；所述信號選擇電路的控制信號為CON-VOL信號,輸入的可選擇信號為OUTRMl信號和OUTMRl信號，當CON-VOL為高電平信號時，選通OUTRMl信號作為信號選擇電路輸出的PIDIO信號，當CON-VOL為低電平信號時，選通OUTMRl信號作為信號選擇電路輸出的PIDIO信號；PIDI0信號經PID調理電路後輸出COM-VOL信號；C0M_V0L信號與載波信號發生電路生成的三角波信號TRIANGLE經PWM信號發生電路後輸出PWM信號，所述PWM信號發生電路為比較電路，COM-VOL信號接比較器正輸入端，三角波信號TRIANGLE接比較器負輸入端；PWM信號發生電路產生的PWM信號接信號選擇電路，當CON-VOL為高電平信號時，PWM信號通PWMl驅動信號，當CON-VOL為低電平信號時，PWM信號通PWM2驅動信號；所述信號隔離電路實現PWM2、PWMU CON-VOL和CON-VOLF信號的電源隔離和信號 隔離，隔離輸出的信號分別對應為PWM2-1、PWMl-I、C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1 ；所述過流保護電路和電流採樣電路輸入為C0N-V0L-1和C0N_V0LF_1信號，C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1信號分別與過流信號0VERC0UT經與門後得到CON-VOL-LIN和C0N-V0LF-LIN信號；其中，當過流保護電路中設定的保護電壓大於電流採樣電路的採樣電壓時，過流信號0VERC0UT為高電平，否則為低電平；所述電流採樣電路的電流信號取自母線電流；所述功率管驅動電路採用兩片電機驅動晶片IRF2103，PWMl-I信號和C0N-V0L-LIN信號分別輸入第一片電機驅動晶片的HIN端和LIN端，第一片電機驅動晶片的HO端輸出PHA信號，VS端輸出M0T0R1信號；PWM2_1信號和C0N-V0LF-LIN信號分別輸入第二片電機驅動晶片的HIN端和LIN端，第二片電機驅動晶片的HO端輸出PHB信號，VS端輸出M0T0R2信號；當C0N-V0L-LIN為高電平信號時，PHA信號輸出，反之PHB信號輸出；在H橋逆變電路中，PHA和C0N-V0L-LIN分別控制兩個對角分布的功率管的柵極，PHB和C0N-V0LF-LIN分別控制另外兩個對角分布的功率管的柵極；M0T0R1信號和M0T0R2信號分別連接舵機執行機構的兩相繞組；H橋逆變電路的供電電源的地與功率管驅動電路的地是共地，單點接在一起。有益效果本發明利用常用的元器件，降低了成本，利用成熟的技術，保證了可靠性；它是採用了分立的電子元器件實現了 PID控制技術、PWM控制技術、目標信號與實際信號處理技術、過流過壓保護技術、隔離技術等；經實驗驗證，其快速的響應特性和良好的跟蹤特性，滿足了舵機控制的性能。


圖I舵機控制器整體原理框圖；圖2調零電路與舵機反饋位置電路圖；圖3目標信號調理電路圖；圖4PWM信號調理電路圖；圖5目標角度與實際角度處理電路圖6方向控制電路圖；圖7信號選擇電路圖；圖8PID信號調理電路圖；圖9載波信號發生電路圖及PWM信號發生電路圖；圖10信號隔離電路圖；
圖11過流保護電路及電流採樣電路圖；圖12功率管驅動電路圖；圖13H橋逆變電路及採樣電阻採樣電流電路圖；圖14電源供電電路圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例描述本發明本實施例為採用不同於以往舵機控制器的技術創造性的將成熟的模塊技術以新的思路和方法巧妙集成而實現了一種新型的舵機控制器，它是採用了分立的電子元器件實現了 PID控制技術、PWM控制技術、目標信號與實際信號處理技術、過流過壓保護技術、隔離技術等。參照附圖1，本實施例中的舵機控制器，由調零電路與舵機反饋位置電路、目標信號調理電路、目標角度與實際角度處理電路、方向控制電路、信號選擇電路、PWM信號發生電路、PID調理電路、載波信號發生電路、信號隔離電路、過流保護電路及電流採樣電路、功率管驅動電路、H橋逆變電路及電流採樣電路、電源供電電路組成。本實施例中舵機控制器的輸入信號有兩個外部舵機執行機構的反饋電位器信號DJ-FKV和外部控制器輸入的目標角度信號，外部控制器輸入的目標角度信號為PWM信號或模擬電壓信號。舵機執行機構的電機的兩相輸出信號有兩個=MOTORl和M0T0R2，外接電機繞組出線。本實施例中舵機控制器針對有刷舵機設計，所以輸出信號為電機的兩相信號。參照附圖2，所述調零電路與舵機反饋位置電路的輸入為外部舵機執行機構的反饋電位器信號DJ-FKV，並對信號DJ-FKV進行電壓跟隨處理，得到舵機系統的當前所處角度信號V-FK，這樣就實現了實時採集舵機系統的當前所處角度或者位置值V-FK。為實現舵機系統初始位置調零，還設計了調零電路，調零電路通過電位器調節實現，所述電位器的輸出信號經電壓跟隨處理後得到的信號與V-FK信號經減法電路後輸出信號VReal，其中V-FK信號接減法電路的正輸入端，電位器輸出信號經電壓跟隨處理後得到的信號接減法電路的負輸入端。經減法電路後，通過調零電位器可以實現將實際值VReal調整為零，實現舵機初始位置的調零功能。參照附圖3和附圖4，所述目標信號調理電路的輸入信號為外部控制器輸入的目標角度信號，當目標角度信號為模擬電壓信號時，目標信號調理電路對模擬電壓信號進行電壓跟隨處理，當目標角度信號為PWM信號時，目標信號調理電路將PWM信號調理逆變為模擬電壓信號，再對得到的模擬電壓信號進行電壓跟隨處理；目標信號調理電路的輸出信號為Vbm信號。參照附圖5，所述目標角度與實際角度處理電路為兩路減法電路，其中一路減法電路正輸入端接VReal信號，負輸入端接Vbm信號，輸出信號為OUTRMl，另一路減法電路正輸入端接Vbm信號，負輸入端接VReal信號，輸出信號為OUTMRl。參照附圖6，所述方向控制電路包括比較器和非門電路，VReal信號接比較器正輸入端，Vbm信號接比較器負輸入端，比較器的輸出信號CON-VOL作為舵機的方向控制信號，CON-VOL信號經非門電路後輸出信號C0N-V0LF，用作後續控制。參照附圖7，所述信號選擇電路的控制信號為CON-VOL信號，輸入的可選擇信號為OUTRMl信號和OUTMRl信號，當CON-VOL為高電 平信號時，選通OUTRMl信號作為信號選擇電路輸出的PIDIO信號，當CON-VOL為低電平信號時，選通OUTMRl信號作為信號選擇電路輸出的PIDIO信號，具體本實施例中，信號選擇電路採用數字選擇開關CD4052，採用CON-VOL信號作為數字選擇開關CD4052的A、B控制信號，OUTRMl和OUTMRl信號用作選擇信號，OUTRMl輸入到CD4052的X3端，OUTMRl輸入到CD4052的XO端，當CON-VOL信號為高電平，則選通X3端的信號OUTRMl，當CON-VOL信號為低電平，則選通XO端的信號OUTMRl。PIDIO信號經附圖8所示的PID調理電路後輸出COM-VOL信號。參照附圖9，COM-VOL信號和載波信號發生電路生成的三角波信號TRIANGLE經PWM信號發生電路後輸出PWM信號，所述PWM信號發生電路為比較電路，COM-VOL信號接比較器正輸入端，三角波信號TRIANGLE接比較器負輸入端。載波三角波信號TRIANGLE是由信號發生器ICL8038實現的，並經調理後輸出的，調理電路實現了電平的抬升和幅值的調理。PWM信號發生電路產生的PWM信號接圖7中的信號選擇電路，實現方向端信號CON-VOL與驅動信號PWMl和PWM2的信息流處理。當CON-VOL為高電平信號時，PWM信號通PWMl驅動信號，當CON-VOL為低電平信號時，PWM信號通PWM2驅動信號；具體本實施例中PWM信號接數字選擇開關⑶4052的Y埠，Y0、Y3分別接信號PWM2和PWM1，這樣，當CON-VOL信號為高電平，則選通Y3端的信號PWM1，當CON-VOL信號為低電平，則選通YO端的信號PWM2。參照附圖10，所述信號隔離電路實現控制部分的信號與驅動電路部分的信號的電源隔離和信號隔離。具體就是實現PWM2、PWMU CON-VOL和CON-VOLF信號的電源隔離和信號隔離，具體本實施例中隔離電路採用高速光耦HCPL-2630隔離器，隔離輸出的信號分別對應為PWM2-1、PWMl-I、C0N-V0L-1 和 C0N-V0LF-1。參照附圖11，過流保護電路和電流採樣電路是實現舵機控制器過流保護功能。所述過流保護電路和電流採樣電路輸入為C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1信號，C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1信號分別與過流信號0VERC0UT經與門後得到C0N-V0L-LIN和C0N-V0LF-LIN信號；其中，0VERC0UT信號是由經電流傳感器或者採樣電阻得到的數值與設定的保護數值作比較得到的，具體為當過流保護電路中設定的保護電壓大於電流採樣電路的採樣電壓時，0VERC0UT信號為高電平，否則為低電平；所述電流採樣電路的電流信號取自母線電流。參照附圖12，所述功率管驅動電路採用兩片IR公司的電機驅動晶片IRF2103，PWMl-I信號和C0N-V0L-LIN信號分別輸入第一片電機驅動晶片的HIN端和LIN端，第一片電機驅動晶片的HO端輸出PHA信號，VS端輸出M0T0R1信號；PWM2_1信號和C0N-V0LF-LIN信號分別輸入第二片電機驅動晶片的HIN端和LIN端，第二片電機驅動晶片的HO端輸出PHB信號，VS端輸出M0T0R2信號。當C0N-V0L-LIN為高電平信號時，PHA信號輸出，反之PHB信號輸出。參照附圖13，H橋逆變電路及採樣電阻採樣電流電路是利用PHA和C0N_V0L_LIN分別控制H橋逆變電路中兩個對角分布的功率管的柵極，利用PHB和CON-VOLF-LIN分別控制另外兩個對角分布的功率管的柵極；M0T0R1信號和M0T0R2信號分別連接舵機執行機構的兩相繞組。參照附圖14，實現整個舵機控制器還包括了電源電路部分，電路中需要的電源有土 12V電源和隔離後的+12VG電源，外部提供電源為+24 +28V範圍，經金昇陽隔離電源模塊WRA-YMD-6W-2412輸出±12V電源，再將+12V電源經金昇陽隔離電源WRB-YMD-6W-1212輸出+12VG用來給驅動電路供電。H橋逆變電路的供電電源的地與功率管驅動電路的地是共地，單點接在一起。在舵機控制器在使用過程中，目標角度指令與實際角度指令最終都是以電壓的形式出現，而且電壓範圍要一致，比如本實施例中，舵機反饋電位器的輸出電壓信號範圍為-IOV +10V，則需要目標角度信號也為-IOV +10V，若目標角度信號以PWM形式出現，需要通過PWM信號調理電路將其調理到-IOV +10V，只有以此為基礎，整個舵機控制器才 得以正常運行。
權利要求
1. 一種舵機控制器，其特徵在於由調零電路與舵機反饋位置電路、目標信號調理電路、目標角度與實際角度處理電路、方向控制電路、信號選擇電路、PWM信號發生電路、PID調理電路、載波信號發生電路、信號隔離電路、過流保護電路及電流採樣電路、功率管驅動電路、H橋逆變電路及電流採樣電路、電源供電電路組成； 所述調零電路與舵機反饋位置電路的輸入為外部舵機執行機構的反饋電位器信號DJ-FKV，並對信號DJ-FKV進行電壓跟隨處理，得到舵機系統的當前所處角度信號V-FK ;調零電路通過電位器實現，所述電位器的輸出信號經電壓跟隨處理後得到的信號與V-FK信號經減法電路後輸出信號VReal,其中V-FK信號接減法電路的正輸入端，電位器輸出信號經電壓跟隨處理後得到的信號接減法電路的負輸入端； 所述目標信號調理電路的輸入信號為外部控制器輸入的目標角度信號，當目標角度信號為模擬電壓信號時，目標信號調理電路對模擬電壓信號進行電壓跟隨處理，當目標角度信號為PWM信號時，目標信號調理電路將PWM信號調理逆變為模擬電壓信號，再對得到的模擬電壓信號進行電壓跟隨處理；目標信號調理電路的輸出信號為Vbm信號； 所述目標角度與實際角度處理電路為兩路減法電路，其中一路減法電路正輸入端接VReal信號，負輸入端接Vbm信號，輸出信號為OUTRMl，另一路減法電路正輸入端接Vbm信號，負輸入端接VReal信號，輸出信號為OUTMRl ； 所述方向控制電路包括比較器和非門電路，VReal信號接比較器正輸入端，Vbm信號接比較器負輸入端，比較器的輸出信號CON-VOL作為舵機的方向控制信號,CON-VOL信號經非門電路後輸出信號C0N-V0LF，用作後續控制； 所述信號選擇電路的控制信號為CON-VOL信號，輸入的可選擇信號為OUTRMl信號和OUTMRl信號，當CON-VOL為高電平信號時，選通OUTRMl信號作為信號選擇電路輸出的PIDIO信號，當CON-VOL為低電平信號時，選通OUTMRl信號作為信號選擇電路輸出的PIDIO信號；PIDI0信號經PID調理電路後輸出COM-VOL信號；C0M_V0L信號與載波信號發生電路生成的三角波信號TRIANGLE經PWM信號發生電路後輸出PWM信號，所述PWM信號發生電路為比較電路，COM-VOL信號接比較器正輸入端，三角波信號TRIANGLE接比較器負輸入端；PWM信號發生電路產生的PWM信號接信號選擇電路，當CON-VOL為高電平信號時，PWM信號通PWMl驅動信號，當CON-VOL為低電平信號時，PWM信號通PWM2驅動信號； 所述信號隔離電路實現PWM2、PWMl、C0N-V0L和CON-VOLF信號的電源隔離和信號隔離，隔離輸出的信號分別對應為PWM2-1、PWMl-I、C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1 ； 所述過流保護電路和電流採樣電路輸入為C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1信號，C0N-V0L-1和C0N-V0LF-1信號分別與過流信號0VERC0UT經與門後得到C0N-V0L-LIN和C0N-V0LF-LIN信號；其中，當過流保護電路中設定的保護電壓大於電流採樣電路的採樣電壓時，過流信號0VERC0UT為高電平，否則為低電平；所述電流採樣電路的電流信號取自母線電流； 所述功率管驅動電路採用兩片電機驅動晶片IRF2103，PWMl-I信號和CON-VOL-LIN信號分別輸入第一片電機驅動晶片的HIN端和LIN端,第一片電機驅動晶片的HO端輸出PHA信號，VS端輸出M0T0R1信號；PWM2-1信號和C0N-V0LF-LIN信號分別輸入第二片電機驅動晶片的HIN端和LIN端，第二片電機驅動晶片的HO端輸出PHB信號，VS端輸出M0T0R2信號^CON-VOL-LIN為高電平信號時，PHA信號輸出，反之PHB信號輸出；在H橋逆變電路中，PHA和C0N-V0L-LIN分別控制兩個對角分布的功率管的柵極，PHB和C0N-V0LF-LIN分別控制另外兩個對角分布的功率管的 柵極；M0T0R1信號和M0T0R2信號分別連接舵機執行機構的兩相繞組橋逆變電路的供電電源的地與功率管驅動電路的地是共地，單點接在一起。
全文摘要
本發明提出了一種舵機控制器，由調零電路與舵機反饋位置電路、目標信號調理電路、目標角度與實際角度處理電路、方向控制電路、信號選擇電路、PWM信號發生電路、PID調理電路、載波信號發生電路、信號隔離電路、過流保護電路及電流採樣電路、功率管驅動電路、H橋逆變電路及電流採樣電路、電源供電電路組成。本發明利用常用的元器件，降低了成本，利用成熟的技術，保證了可靠性；它是採用了分立的電子元器件實現了PID控制技術、PWM控制技術、目標信號與實際信號處理技術、過流過壓保護技術、隔離技術等；經實驗驗證，其快速的響應特性和良好的跟蹤特性，滿足了舵機控制的性能。
文檔編號B64C13/00GK102837821SQ20121030611
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月27日 優先權日2012年8月27日
發明者張琴琴, 方衛, 楊建宏, 李博, 劉琳, 朱小紅 申請人:中國航天科技集團公司第四研究院四0一所