基于CAN總線的四路舵機(jī)控制器的研究
由于舵機(jī)系統(tǒng)對定位精度、頻率響應(yīng)特性、階躍響應(yīng)特性和震蕩次數(shù)等因素有著非常高的要求，因此其測試數(shù)據(jù)、分析曲線和指示結(jié)果是分析、判定系統(tǒng)性能和工作狀態(tài)的重要依據(jù)和手段。本文所涉及的控制器具有CAN2.0總線接口，它負(fù)責(zé)與PC機(jī)通信，這使得控制器在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種參數(shù)和變量能夠?qū)崟r(shí)地傳送并在CRT上顯示，極大地方便了參數(shù)變化趨勢觀察和控制過程的判斷分析，為加快參數(shù)的整定奠定了基礎(chǔ)。
1．系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理
1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成
如圖1所示，該系統(tǒng)由主控板卡、電機(jī)驅(qū)動板卡、微型計(jì)算機(jī)、CAN總線通信卡，以及四路舵機(jī)組成。其中CAN總線通信卡外購自研華公司，插入微型計(jì)算機(jī)的ISA插槽中，安裝驅(qū)動程序后便可以在該公司提供的DLL動態(tài)鏈接庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，編寫上位機(jī)應(yīng)用程序。主控板卡中的運(yùn)算處理器采用DSP處理器TMS320F2812。
1.2 系統(tǒng)的工作原理
本系統(tǒng)由上位微機(jī)通過外購的CAN總線通信卡發(fā)送控制指令，經(jīng)由CAN2.0A總線傳送至主控板卡。主控板卡將采集到的舵機(jī)實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，與上位機(jī)傳來的位置指令數(shù)據(jù)，代入到組合式控制算法中進(jìn)行運(yùn)算。處理后得到的PWM調(diào)制波形作為電機(jī)驅(qū)動板卡的輸入信號，通過電機(jī)驅(qū)動板卡上的H橋電路對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，進(jìn)而完成對電機(jī)的控制。另外，主控板卡還將舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由CAN2.0A總線上行傳送至上位微機(jī)，由PC機(jī)測控應(yīng)用程序?qū)ζ溥M(jìn)行后期分析處理。
2．系統(tǒng)的硬件電路描述
2.1 主控板卡部分
2.1.1 主控板卡的構(gòu)成
在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，主控板是核心的部分。該板卡的原理框圖如圖2所示。此板卡的主控芯片DSPTMS320F2812，其內(nèi)部嵌有CAN總線控制器，用戶可通過CAN總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)通信。我們采用飛利浦公司的82C250作為CAN總線控制器相配合使用的CAN總線收發(fā)器，完成總線的傳輸電平轉(zhuǎn)換。采用ADI公司電壓基準(zhǔn)源REF192給DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供標(biāo)準(zhǔn)比較電壓。在舵機(jī)電位器產(chǎn)生的表征角度值的反饋電壓信號送至DSP處理器的ADC模塊以前，為了使主控板卡的輸入阻抗趨近于無窮大，加入了一組以BB公司的精密儀表運(yùn)放INA114為核心的射極跟隨器。
2.1.2 主控板卡的功能
主控板卡不但承擔(dān)著執(zhí)行來自上位機(jī)的控制指令并將指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)上行送至上位機(jī)的任務(wù)，而且還要將經(jīng)過DSP內(nèi)部組合式控制算法的運(yùn)算產(chǎn)生的相應(yīng)占空比的PWM信號送至電機(jī)驅(qū)動板卡，實(shí)現(xiàn)對4路電機(jī)的精準(zhǔn)控制。
板卡中各部分的具體職能如下：
a．三態(tài)緩沖器件LVT245一方面加大PWM信號的驅(qū)動電流，提高其驅(qū)動能力；另一方面可以保護(hù)DSP芯片免受功率驅(qū)動板卡的沖擊損害。
b．DSP處理器TMS320F2812主要有4項(xiàng)功能，分別是：
(1)eCAN控制器按約定的通信脅議利用CAN2.0A總線與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器以12位精度、1兆赫茲的采樣頻率將舵機(jī)電位器送來的反饋模擬信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并將其送入到CPU中進(jìn)行相應(yīng)的算數(shù)濾波處理。
(3)中央處理單元(CPU)將傳來的目標(biāo)值同濾波過的實(shí)時(shí)角度反饋數(shù)據(jù)一起代入到組合式算法中運(yùn)算，生成14位占空比數(shù)值。
(4)PWM事件管理器接收由CPU運(yùn)算產(chǎn)生的占空比數(shù)值，以此為依據(jù)生成16K赫茲頻率、14位細(xì)分精度的PWM信號。
c．CAN總線收發(fā)器82C250芯片將DSP內(nèi)部eCAX控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為總線上的差動電平，通過CAN通信卡與上位機(jī)進(jìn)行通信。該芯片具有較好的電磁兼容性，可以適用于電磁環(huán)境復(fù)雜的彈內(nèi)腔體。
d．舵機(jī)反饋的舵偏角信號為0～6v，而F2812的前向模擬輸入通道的轉(zhuǎn)換電壓范圍為3V，因此本文以4片INA114為核心的前端調(diào)理模塊將反饋回來的4路模擬信號進(jìn)行分壓，將其轉(zhuǎn)換到適合DSP內(nèi)部ADC模塊工作的電壓范圍；另外，該調(diào)理模塊形同一組射極跟隨器，令輸出阻抗接近于無窮小，輸入阻抗接近于無窮大，在一定程度上減小了反饋電壓的失真。
[!--empirenews.page--]2.2 電機(jī)驅(qū)動板卡部分
該電路采用摩托羅拉公司的H橋門驅(qū)動集成電路MC33883作為該功率電路的驅(qū)動芯片，來控制末級大功率器件N溝道MOS管IRFI40的開關(guān)組，以此組成H橋驅(qū)動電路。為了避免電機(jī)驅(qū)動板卡對主控板卡的干擾，采用高速光耦隔離器件6N137將PWM信號隔離，阻斷電機(jī)驅(qū)動板卡對主控板卡的傳導(dǎo)干擾。
3．軟件程序設(shè)計(jì)及其算法描述
TMS320F2812的主程序負(fù)責(zé)完成初始化并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。初始化包括對I／O接口、寄存器、處理器工作狀態(tài)以及內(nèi)部控制模塊等的初始化。在初始化完成后，將會進(jìn)入數(shù)據(jù)處理的運(yùn)算子程序。
3.1 DSP與上位機(jī)的通信
TMS320F2812與上位機(jī)的CAN2.0A串行通信采用數(shù)據(jù)幀傳輸模式，CAN的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀可包含44～108位的數(shù)據(jù)，它的擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀可包含64～128位數(shù)據(jù)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)楨進(jìn)行通信，即CAN2.0A協(xié)議，具體如下圖所示。一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)楨包括幀的起始位、標(biāo)識符、數(shù)據(jù)字節(jié)控制位、最多8字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)，循環(huán)冗佘校驗(yàn)、響應(yīng)信息和幀的結(jié)束位。其中標(biāo)識符和數(shù)據(jù)區(qū)為用戶指令填充，其它為CAN控制器自行產(chǎn)生。
3.2 上位機(jī)測控應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
為便于舵機(jī)的控制和系統(tǒng)指標(biāo)的測試，編制了基于外購的研華CAN通信卡的DLL動態(tài)鏈接庫，編寫了用于測控四路舵機(jī)系統(tǒng)的C++應(yīng)用程序，即測控應(yīng)用程序軟件包。該測控應(yīng)用程序的用戶界面分為實(shí)時(shí)顯示區(qū)、目標(biāo)位置控制區(qū)、指標(biāo)測試區(qū)等幾大模塊，可以對電機(jī)的目標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)定，對系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行測試，并實(shí)時(shí)的將4路舵機(jī)的PWM占空比數(shù)據(jù)、目標(biāo)值數(shù)據(jù)以及反饋值數(shù)據(jù)以趨勢圖的形式直觀的顯示出來，易于進(jìn)行在線的分析處理和評估；另外，該程序同時(shí)也將采集到的數(shù)據(jù)存儲到文本文件中，以便后期離線處理。
3.3 增量式分段離散PID控制算法描述
舵機(jī)控制器系統(tǒng)的控制算法分為兩段進(jìn)行：
式中V為PWM最大輸出常量，f(PID)為線性PID算法，Emax為偏差的設(shè)定閾值，U為算法輸出值，表征PWM信號的占空比。在偏差E很大時(shí)(E＞Emax)，系統(tǒng)快速性是控制的關(guān)鍵指標(biāo)，系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行V，使得偏差能夠盡快縮小；在較小偏差下(E≤Emax)，系統(tǒng)的定位精度成為關(guān)鍵指標(biāo)，此時(shí)采樣值在設(shè)定值附近，按優(yōu)化的增量PID控制算法運(yùn)行。
4．系統(tǒng)測試結(jié)果分析
聯(lián)調(diào)試驗(yàn)結(jié)果表明：舵機(jī)系統(tǒng)在2kg*m的額定負(fù)載力矩的測試條件下，對25°階躍響應(yīng)時(shí)常數(shù)小于100ms，20Hz、±1.5°振幅的頻率響應(yīng)相位延時(shí)小于20°，定位精度優(yōu)于0.06°，半振蕩次數(shù)小于兩次。
該系統(tǒng)位置階躍響應(yīng)如圖5所示。舵機(jī)位置建立時(shí)間小于100ms；位置穩(wěn)定性也很好。25°階躍僅需要一個(gè)半周期就可以達(dá)到穩(wěn)定。
以上分析證實(shí)，本文提出的控制系統(tǒng)動靜態(tài)響應(yīng)性能較好、穩(wěn)態(tài)精度高、對噪聲有較高的魯棒性和抗干擾性，適用于具有較高要求的控制領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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