范縝煜

摘 要：本文介紹了一種基于DSP和分立驅(qū)動(dòng)電路的伺服控制電路設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低成本設(shè)計(jì)，既能滿足控制精度、響應(yīng)速度等性能要求，又控制了體積。系統(tǒng)采用TMS320F2812型DSP為主控單元，以最簡(jiǎn)單的方式配置外圍電路；算法上采用帶有前饋補(bǔ)償?shù)腜ID的控制方式，通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)有刷電機(jī)的控制。

關(guān)鍵詞：DSP；分立驅(qū)動(dòng)；伺服控制；脈寬調(diào)制；有刷電機(jī)

中圖分類號(hào)：TN966 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0047-02

An Application of Low-cost Circuit Design in Servo Control System

FAN Zhenyu

（China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009）

Abstract： This paper presented a servo control design based on DSP and the discrete drive circuit. By optimizing the circuit design， this low-cost scheme can satisfy the specification performance for accuracy and response time， which also limits the circuit size. The corresponding system， in which the DSP of TMS320F2812 is used as the main control unit， is equipped with the simplest periphery circuits. Using the PID control with feed forward compensation as its algorithm， the controller accomplishes the brush motor control with pulse-width modulation.

Keywords： DSP；discrete drive；servo control；pulse-width modulation；brush motor

目前，導(dǎo)彈舵機(jī)的伺服系統(tǒng)控制電路多采用控制板加功率驅(qū)動(dòng)板兩層板級(jí)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式，在裝配過程中，占據(jù)較大體積。因此，對(duì)體積和成本控制較為敏感的設(shè)計(jì)中，低成本、小體積伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)尤為重要[1]。

本文提出了一種基于DSP和分立驅(qū)動(dòng)電路的伺服控制電路設(shè)計(jì)方案，通過吸收現(xiàn)有型號(hào)成熟設(shè)計(jì)的同時(shí)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，能滿足控制精度、響應(yīng)速度等性能要求，實(shí)現(xiàn)低成本、小體積設(shè)計(jì)。目前，該方案已在某低成本舵機(jī)中得到應(yīng)用。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

伺服系統(tǒng)控制電路單通道工作原理如圖1所示。

舵機(jī)系統(tǒng)是導(dǎo)彈系統(tǒng)的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)。從圖1可以看出，當(dāng)接收到飛行控制指令后，作為舵面位置反饋的反饋電位器信號(hào)進(jìn)行綜合和誤差計(jì)算，并將誤差信號(hào)經(jīng)過DSP電路的控制策略計(jì)算，形成脈寬調(diào)制控制信號(hào)[2]。該脈寬調(diào)制控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路和功率放大，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器。伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，形成與舵控指令一致的舵偏角，從而完成舵機(jī)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

1.2 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

本文的硬件電路采用控制驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)建模如圖2所示。采用一體式設(shè)計(jì)能節(jié)約空間，降低成本，減少接插件對(duì)接，進(jìn)一步提高控制電路的可靠性。在印制電路板布局方面充分考慮供電電源及電信號(hào)特性的差異，合理分配各種信號(hào)的走線方式，在一定程度上滿足電磁環(huán)境要求。

1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離、放大，通過一定的邏輯組合完成功率管的開通關(guān)斷，從而控制有刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

單通道分立功率驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示。

其中，IRS21844SPBF為自舉式高電壓、高速半橋驅(qū)動(dòng)器，2片IRS21844SPBF即可組成H橋全橋驅(qū)動(dòng)電路。IRS21844SPBF芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容2C5、2C8產(chǎn)生懸浮電壓源VBS，與低端通道共用一個(gè)外接驅(qū)動(dòng)電源+12V。自舉電路工作原理為：當(dāng)2Q1導(dǎo)通時(shí)，2D6的VS端電位被拉低至地，+12V通過自舉二極管2VD2開始向自舉電容2C8充電，這樣就在V和V之間形成了一個(gè)懸浮電壓VBS用來給2Q2供電，保證2Q2的正常開通。自舉電路的存在可使H橋電路上下橋臂MOSFET僅需一路電源，簡(jiǎn)化了電路。

H橋電路由4只MOSFET器件AON6270組成，其漏源極電阻RDS不大于5mΩ，最大耐電壓VDS為75V，最大漏極電流ID為85A，且不需要散熱設(shè)計(jì)，既保證了電機(jī)的運(yùn)行，又可以減小電路體積。

1.4 控制方式

系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上采用了一種推挽式的控制方式，有別于以往的H橋?qū)芸刂品绞?，即一路方向信?hào)和一路速度信號(hào)分別控制H橋的左右橋臂[4]，如圖4所示，UA為高，UB為低時(shí)，Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)UA為低，UB為高時(shí)，Q1、Q4截止，Q2、Q3導(dǎo)通，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；UA、UB同時(shí)為高或低時(shí)，Q1、Q3或Q2、Q4為高，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。這種控制方式的好處在于當(dāng)系統(tǒng)處于零位時(shí)電機(jī)無零耗電流。

2 結(jié)論

在常溫測(cè)試中，通過上位機(jī)給控制電路發(fā)送±20°階躍信號(hào)時(shí)，實(shí)際的反饋波形如圖5所示。其中，黑色實(shí)線為舵機(jī)控制信號(hào)，紅色實(shí)線為舵機(jī)反饋信號(hào)，波形顯示該電路能正常跟隨動(dòng)作，滿足測(cè)試技術(shù)要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明：控制電路穩(wěn)定性好，性能指標(biāo)均能滿足舵機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度，達(dá)到了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速控制的要求，證明本文提出的控制電路方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳大勇，賈敏智.STM32在三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微電機(jī)，2014（3）：47-51.

[2]郭慶偉，宋衛(wèi)東，王毅，等.舵機(jī)控制延遲誤差分析與補(bǔ)償方法研究[J].中國(guó)測(cè)試，2017（5）：127-131

[3]蔣范明，陳偉.宇航應(yīng)用永磁同步電機(jī)矢量控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2017（6）：61-63.