一種基於模糊控制的小型數字舵機系統的製作方法
2024-01-18 10:28:15
一種基於模糊控制的小型數字舵機系統的製作方法
【專利摘要】一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，其系統包括DSP控制器、驅動器、伺服電機、減速傳動機構、位置傳感器、執行機構、上位機通信，其算法採用模糊控制算法。所述舵機系統帶有測試軟體，方便對舵機進行測試操作，並能把測試結果存儲在測試儀器或電腦中。舵機運行的任意時刻都可通過上位機控制舵機，並能把實時的舵機轉角顯示在上位機界面上，方便對舵機設備的檢測和維護。該數位化電動伺服控制系統可在船舶，精密數控工具機、機器人、軍工武器、無人駕駛等自動化控制領域應用。
【專利說明】一種基於模糊控制的小型數字舵機系統【技術領域】
[0001] 本發明屬於小型化數字舵機領域，尤其涉及一種高精度、高速度、控制電路數位化、功率器件模塊化的數字舵機系統。
【背景技術】
[0002]小型化數字舵機是針對當前模擬舵機控制時器件容易老化和受外界條件影響大等方面因素而設計的。隨著微電子集成技術、微計算機技術、數位技術的飛速發展，對於舵機和上位機的研究與開發也有了更快的發展，提高了舵伺服系統控制和檢測的能力，推進舵機更快向小型化和智能化發展。
[0003]伺服電機從氣動、液壓發展到現在正在廣泛使用的電動舵機，已有五十多年的歷史。現在的舵伺服系統早已今非昔比，無論從舵機的轉換效率和控制電路的使用上都有了質的飛躍。電動舵機主要是針對氣動舵機響應時間慢、液壓舵機系統存在漏油、維修不方便等缺點而發展起來的，電動舵機具有可靠性高、維修簡單以及體積小、重量輕等特點，越來越受到人們重視和研究。隨著晶片集成化程度的不斷提高，一些高級數字運算器由於其運算速度的不斷提升，可以實現先進控制算法在實際工程中的應用。目前的發展趨勢是向小型化、數位化，智能化方向發展。
[0004]近十年來，國內數字小型化舵機的研究及發展也取得了相當大的成果，但在控制精度、響應時間等性能指標方面還有相當大距離。因此，如何提高舵機的整體性能是當前研究的重要課題，伴隨著控制器性能的不斷提高，一些先進和智能的控制算法得以在實踐進行檢驗。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種高精度、高速度、結構簡單、易於推廣、運行穩定的小型化電動舵伺服系統。為了達到以上目的，本發明對舵機伺服系統進行了全面的分析和設計，提出如下解決方案:
一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，硬體部分包括舵機控制部分、執行機構和傳感器部分，所述舵機控制部分包括主控晶片模塊；所述執行機構部分包括功率驅動器、伺服電機、減速傳動機構；所述傳感器部分包含溫度傳感器，位置傳感器等、速度傳感器，採用先進的MEMS (微機電系統)傳感器探測更小的角度偏差；硬體部分使用金屬齒輪和散熱外殼。
[0006]軟體部分包括控制算法、上位機通訊和保護程序，所述控制算法為自適應模糊控制算法；所述上位機通訊部分包含:上位機顯示舵機旋轉角度部分、上位機對下位機進行控制部分，並可以將測試數據保存在上位機中；所述保護程序包含過熱保護和過載保護。
[0007]其控制過程包括:採用內置A/D採樣把外部輸入的模擬控制信號轉換為數位訊號，並把數位訊號傳輸給主控晶片模塊；主控晶片模塊對採樣信號進行濾波，對濾波後的數位訊號進行運算並得到控制量信號，控制量信號經過數模轉換晶片得到舵機所要求的模擬控制量，輸出給功率驅動器以驅動舵機偏轉；上位機通過通訊接口把要求的數據存儲起來，並可通過上位機發送數據序列來完成對舵機測試。
[0008]進一步的，所述主控晶片模塊內置A/D採樣部分，片上外設包括:12路PWM、6通道QEP、2X8通道12位80ns轉換時間O~3V量程ADC、2通道SCI異步串口 ；主控晶片模塊外接供電系統、時鐘系統、復位及配置系統、外部D/A、通訊接口及JTAG下載接口。
[0009]進一步的，所述外部D/A為DAC7724，具有12精度的並行結構，輸入數據是用二進位格式表示的。輸出電壓通過下面的方程式給出:
【權利要求】
1.一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，其特徵在於: 硬體部分包括舵機控制部分、執行機構和傳感器部分，所述舵機控制部分包括主控晶片模塊；所述執行機構部分包括功率驅動器、伺服電機、減速傳動機構；所述傳感器部分包含溫度傳感器，位置傳感器等、速度傳感器，採用先進的MEMS (微機電系統)傳感器探測更小的角度偏差；所述硬體部分使用金屬齒輪和散熱外殼； 軟體部分包括控制算法、上位機通訊和保護程序，所述控制算法為自適應模糊控制算法；所述上位機通訊部分包含:上位機顯示舵機旋轉角度部分、上位機對下位機進行控制部分，並可以將測試數據保存在上位機中；所述保護程序包含過熱保護和過載保護。
2.根據權利要求1所述的一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，其特徵在於:所述主控晶片模塊內置A/D採樣部分，片上外設包括:12路PWM、6通道QEP、2 X 8通道12位80ns轉換時間O?3V量程ADC、2通道SCI異步串口 ；主控晶片模塊外接供電系統、時鐘系統、復位及配置系統、外部D/A、通訊接口及JTAG下載接口。
3.根據權利要求2所述的一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，其特徵在於:所述外部D/A為DAC7724，具有12精度的並行結構，採用2級緩衝方案，第I級緩衝只分別緩存各通道D/A的數字輸入，並不將此數字輸入轉換為模擬輸出;第2級緩衝則將第I級緩存的數字輸入打入相應的輸出寄存器中，並將數字輸入轉換為模擬輸出，從而實現多通道D/A同時輸出。
4.根據權利要求1或2所述的一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，其特徵在於:所述上位機通訊由RS232通訊和測試界面組成，將傳輸過來的數位訊號進行換算調整，在測試界面上顯示或上位機給出信號控制舵機。
5.根據權利要求1所述的一種基於模糊控制的小型數字舵機系統，其特徵在於:所述舵機系統屬於二維舵伺服控制系統，選擇舵面與目標點的偏差和趨近目標點的速度作為控制的輸入；控制方式採用自適應模糊控制，實時自適應的修改模糊控制參數；模糊變量誤差、誤差變化及控制量的模糊集和論域確定後，對模糊語言變量確定隸屬度函數。
【文檔編號】G05B19/418GK103984327SQ201410233762
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月29日 優先權日:2014年5月29日
【發明者】邢濟收, 陳庚, 蘇中 申請人:北京信息科技大學