无人机舵机控制系统的硬件设计与实现_杨百平

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计算机测量与控制.2010.18(5) Computer Measurement &Control

控制技术

收稿日期:2009-09-27; 修回日期:2009-11-09。

作者简介:杨百平(1982-),男,陕西人,在读研究生,主要从事电路系统与自动控制方向的研究。

杨金孝(1964-),男,陕西人,副教授,主要从事电子电路的研究与设计、控制理论与控制工程方向的研究。

文章编号:1671-4598(2010)05-1076-03 中图分类号:T P274 5

文献标识码:A

无人机舵机控制系统的硬件设计与实现

杨百平,杨金孝,赵 强

(西北工业大学电子信息学院,陕西西安 710129)

摘要:给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人机全数字舵机控制系统硬件实现方案,该方案以STM 32F103VB 作为主控芯片,无刷直流电机作为该系统的伺服电机,采用三闭环的控制策略,实现了脉宽调制(PWM )控制信号的采样和输出,通过采样PW M 信号实现舵机的控制,针对无人机对数据传输实时性的要求,利用CAN 总线与上位机通讯,很好地满足了要求;该系统具有成本低廉、安全可靠且实现容易的特点,实现了舵机控制系统的数字化与小型化;经多次试验,证明是安全实用的。

关键词:S TM 32F103VB 微控制器;无人机;伺服;电动舵机

Hardware Design and Implementation for a S ervo System of UAV Rudder

Yang Baiping ,Yang Jinxiao,Zhao Qiang

(Colleg e of Electr onics and Infor mat ion,No rthw ester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710129,China)

Abstract:A set of fu lly-digital-signal ser vo system bas ed on S TM 32F103VB for UAV electrom echanical rudder is in tr odu ced in th is paper.It takes S TM 32F103VB as the master control unit and bru shless DC m otor as its drive.T his project uses the digital th ree clos ed-loop control strategy,sampled and gen erated puls e width modulation w ave,through sampling one of th e PW M w aves to realize control tran sfer,in view of U AV to data transmis sion tim elin es s r equest,com municated w ith upper sys tem by CAN bu s.It featu red low cos t,s afe,easy to realize,made it smaller and digital,and w as testified that the sy stem is ap plicable and safety.

Key words :S TM 32F103VB M CU;UAV;servo;electr om ech anical rudder

0 引言

舵机控制系统是飞行控制计算机和舵机之间的接口,它采集接收机多路PW M 信号,与上位机进行通讯,产生控制舵机的PW M 信号,是舵机系统的核心部分。现有的舵机伺服控制线路大部分还都是模拟的,因其固有的一些缺点而限制了它的使用,相比之下,数字舵机系统具有很多模拟式舵机所没有的优点。本文给出了一种基于ST M 32F103VB 微控制器的无人飞行器舵机伺服控制系统,具有高性能、低功耗、低成本、安全可靠和实现容易的特点,可在线编程并成功应用于实践。

1 系统综述

舵机主要是由无刷电机、舵机控制器、舵机机械结构和传感器4部分组成。其中舵机控制器又包括:数据接口部分、中央控制单元、逻辑单元、隔离放大部分与功率驱动模块。一般舵机的工作过程如下:首先由上位机给出一舵偏角指令,舵机控制器接受该指令后与检测得到的实际舵面偏转角送入舵面位置调节单元从而得到参考P WM 占空比A;然后测量实际转速,当速度大于预设值时输出一给定PW M 占空比B;最后检测实际电流,当电流大于电流预设值时,输出另一给定的PWM 占空比C [1]。无刷直流电机中的H A LL 传感器检测转子位置,产生H A ,H B,H C 三相霍尔信号,H A 、HB

、H C 、和ST M 32输出的P WM 波和电机换相信号逻辑综合得到6路电机控制信号驱动电机转动

[2]

。电机输出轴连接精密减速器和

各种传感器,减速器输出驱动舵面。系统实现图如图1所示。

图1 系统组成结构图

2 舵机控制器的硬件组成

舵机控制器的硬件由图2中框线部分组成,该控制器以ST M 32F103V B 为核心。整个系统的硬件设计主要由ST M 32F103V B 工作电路、可编程逻辑电路、隔离及驱动电路、检测信号处理电路、A D 转换电路、数据接口电路及温度检测电路等部分组成。在系统中ST M 32F103V B 通过其自身的CA N 总线控制器与上位机进行数据传输,并使用自身集成的A D 转换器和内置通用定时器实时监测舵机位置、转速和电流等参数。

控制器根据内置的控制算法进行位置环、速度环和电流环计算,并产生控制数据,控制数据通过转换算法产生控制量(PW M 信号和DI R 信号),控制量进入逻辑阵列CPL D 与无刷电机位置传感器信号(H A L L 信号)进行逻辑综合后,输出6路电机控制信号。电机控制信号经隔离电路后控制电机功率驱动模块进行功率放大,驱动无刷电机运行。2 1 主控芯片STM32F 103VB [3]

ST M 32F103VB 是意法半导体(ST )公司推出的基于A RM 32位CORT EX -M 3CPU ,是目前性能比较突出的微处理器之一,其增强型系列特别适合做电机控制。它的主要特点如下:

第

3期杨百平,等:无人机舵机控制系统的硬件设计与实现

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图2 舵机控制系统硬件组成图

(1)内核。基于ARM 的32位CO RT EX -M 3的M CU 最高工作频率72M H z,1 25DM I PS/M H z;

(2)片上集成了128kB 的Flash 存储器,20kB 的SRA M 存储器,方便自启动,无需外部扩展,从而大大减少了控制系统的尺寸;

(3)内带U A RT 、SPI,以及增强型CA N 总线结口,方便与不同上位机协议通信的硬件设计,本系统将采集好的数据通过CAN 上传给上位机;

(4)内含丰富的中断源,能够及时处理各种突发事件,提高了系统的可靠性;

(5)一个高级控制定时器,带死区产生,用来产生6路PWM 输出;3个通用定时器,可配置为不同的模式,检测电机的速度和位置;

(6)双ADC 结构允许双通道采样/保持,以实现12位精度,1 s 的转化。此双ADC 结构为2个工作在非连续模式的独立的时序控制,具有多个触发源,并且每个通道的采样时间可编程。ST M 32F103VB 为整个控制系统的核心,它主要担负了电流反馈、位置反馈以及位置给定的采样和控制算法的实现,电机控制信号的产生以及各种监控功能等任务。在ST M 32F103VB 中,将高级控制定时器配置为P WM 模式,通过改变高级控制定时器的T IM 1_A RR 寄存器和T IM _CCRX 寄存器的值,变换PW M 方波信号的周期和占空比。当故障发生时ST M 32通过软件及时关闭PW M 的输出直至故障消失。2 2 无刷电机换向电路设计

通过检测无刷电机转子位置信号来决定逆变桥的通断情况,转子的位置信息由安装在定子上的霍尔组件输出的H A 、HB 和H C 三相信号获得,H A 、H B 、H C 和电机运行方向信号按照特定的逻辑组合,决定电机三相绕组的导通顺序。本课题采用一片可编程逻辑器件A LT ER A 的M A XII 系列的EPM 240,该器件具有功耗低、简单易用及在线可编程等特点,在其中编程实现电子开关和切换控制电路,使得ST M 32只用一路占空比可调的PW M 波就能控制电机的转速,这样大大节省了CPU 的开销,使得ST M 32将更多的时间分配在系统控制算法的开销上,提高了控制的精度[4]。输入信号为电机定子输出的三相霍尔信号和ST M 32输出的载波信号PWM 及电机运行方向信号DIR 经过逻辑运算产生换向信号P WM 1~PWM 6,从而正确地控制功率场效应管的导通次序。为了消除输出信号产生的毛刺,在输出到舵机的端口加入一个470 电

阻和47pF 电容组成的滤波电路。2 3 功率驱动电路的设计

功率驱动电路是舵机控制器内重要的部分,为了使舵机控制系统小型化,并具有良好的散热功能,选用了M SK 公司的M SK 4401,它内置6个N 沟道的M OSF ET ,100kHz,死区时间可调,最大供电电压75V,最大持续输出电流29A,峰值电流达41A 。它的优点是可以使驱动电路的设计大为简化,可实现对M OSF ET 的最优驱动,又

具有快速完整的保护功能,且模块体积小,封装形式易于散热。其电路如图3所示。

图3 隔离与功率驱动电路

2 4 信号检测电路的设计

舵面实际的位置信号、无刷电机的电流、以及电机的转速是舵机三环控制系统中重要的反馈量,这3个信号的值将直接影响控制系统的精度。如果这些反馈值采集效果不理想,将粗糙的数据引入舵机控制器,然后试图通过复杂的控制算法来提高控制精度,将收不到好的效果。因此提高这些反馈量的检测精度,成为整个舵机控制器硬件设计的关键部分。信号检测电路包括舵面位

置的检测、电流信号检测以及增量式编码器电路。

[5]

光电编码器是一种采用光电技术将轴的机械转角转换成数字信号输出的数字式传感器,利用它可以很方便实现角度和转速测量并且测量的精度高,本系统采用H EDL L 55。与电机配合使用的光电编码器是差分输出的,所以在电路中需要使用一个差分接收芯片,选用SN65L BC173。光电编码器格数为500格,4倍频后为2000,即电机每转1圈计数器变化2000。本系统将ST M 32F103VB 的一个通用定时器配置为编码器接口模式,用以检测电机的转速和舵机的位置。通用定时器配置为编码器模式后,T I1和T I2直接与增量式编码器相连,有方向检测逻辑,提供传感器当前位置的信息,可以自动检测编码器的相位,判断是向上计数还是向下计数,并将T I1和T I2的边沿作为计数器的时钟,所以技术时钟是脉冲时钟的4倍。

使用另一个配置在捕获模式的定时器,测量两个编码器事件的间隔,可以获得电机的转速。根据两个事件间的间隔,可以按照固定的时间读出计数器值。可以将计数器的值锁存到第三个输入捕获寄存器(捕获信号必须是周期的并且可以由另一个定时器产生),它也可以通过一个由实时时钟产生的DM A 请求来直接读取它的值。舵面的位置通过读取T IM _CR1中计数器的值,假若设定初值为10000,电机转动后读取的值为30000,这个结果就是电机转了(30000-10000)/2000=10圈,即电机转了10圈,本系统舵机的减速比为180,则舵面转过10 360 /180=20 。

1078 计算机测量与控制 第18卷

2 5 ADC 转换电路设计

AD 转换模块采用ST M 32F 103V B 内部集成的A DC 模块,它包括2个精度为12位的A DC,转换速率为1M H z 。它是一种逐次逼近模/数转换器,每个ADC 有18个通道,包括16个外部通道和2个内部通道(温度传感器和参考电压)。A DC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。A D 转换模式采用注入转换模式,可有4个通道,4个通道一个用于角位置电压信号采样,一个用于电流采样,一个用于模拟信号控制量采样,还有一个用于监测电位器基准电压,数据存放在专门的数据寄存器。2 6 数据接口电路设计

舵机有3种数据接口,其中包括CA N 通信接口、RS422通信接口以及飞控机DA 输出的模拟控制信号接口。

本系统主要用RS422作为日常程序调试和备用数字接口。通过外扩一个RS422协议芯片SN65H V D17实现RS422通信。数据接口中的模拟通道容易受到系统环境的干扰,模拟通道作为备用通道在设备调试和故障诊断中使用。飞控机输出的模拟控制信号输入到ST M 32的A DC 。舵

机正常工作时系统通过CA N 总线接收飞控机的舵面位置指令。电路如图4所示。

图4 CAN 总线接口电路

2 7 温度检测电路

如图5所示,ST M32集成了片上的温度传感器,可以用来测量芯片内部的温度;ST M32内部温度传感器与ADC 的通道16相连,与A DC 配合使用实现温度测量;测量范围-40~125 ,精度 1 5 。读取ADC 数据寄存器中的结果V SENSE:VSEN SE.={(V 25-VSEN SE)/A vg _Slope}+25,其中,

V25为V SEN SE 在25 时的值;

图5 温度检测电路

A v g _Slo pe:温度传感器输出电压和温度的关联参数,典型值4 3mV / 。

3 系统软件设计

系统的软件设计是控制系统的重要组成部分,合理组织软件结构可提高可读性、可移植性和可扩展性等问题。设计的软件应尽量使各个功能模块独立,这样有利于系统软件的修改与调试。舵机控制系统的软件主要包括以下几个功能模块:数据采集和通信模块、控制算法模块、PW M 产生模块以及各种管理监测模块。其中,数据通信模块主要涉及CAN 总线数据的接收和发送,数据采集处理包括舵面位置、电机电流以及参考电压的采集处理,P WM 模块包括输出P WM 波和

获取脉冲编码器的读数等。本课题将系统程序划分为主程序和定时器中断程序,软件的总体执行框架如图6所示。

图6 软件总体执行框图

4 结束语

本文利用意法半导体新推出的32位微控制器ST M 32F103V B,设计了一套无刷直流电动机的伺服控制系统,应用于无人机的舵机系统。由于ST M 32F103V B 内部集成了PWM 电路、编码器电路、A/D 转换电路、温度检测电路和CA N 总线接口电路等许多控制部件,使电机的控制模块大为简化,为系统的小型化带来便利。实验表明,ST M 32能够很好地应用于无刷直流电机的控制,实现了电机控制的数字化,整个系统简单可靠,运行效果良好。

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