現(xiàn)在軍事領(lǐng)域中使用無人飛行器既要達(dá)到體積小、耗電量少而且功能調(diào)整度靈敏。因?yàn)槲⑻幚砥鞯年P(guān)系，數(shù)字舵機(jī)可以在將動(dòng)力脈沖發(fā)送到舵機(jī)馬達(dá)之前，對輸入信號利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行處理，這意味著動(dòng)力脈沖的寬度，可以根據(jù)微處理器的程序運(yùn)算而調(diào)整，以適應(yīng)不同的功能要求，并優(yōu)化舵機(jī)的性能。

數(shù)字舵機(jī)組成

舵機(jī)主要由無刷電機(jī)、控制器、舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器四部分組成，其中控制器是舵機(jī)的核心部分口。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。

位置檢測器其實(shí)就是可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻值也會(huì)隨之改變，由檢測電阻值便可知轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。一般的伺服馬達(dá)是將細(xì)銅線纏繞在三極轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電流流經(jīng)線圈時(shí)便會(huì)產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。

舵機(jī)是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在空中按一定軌跡飛行的無人機(jī)都是靠舵機(jī)帶動(dòng)舵面來實(shí)現(xiàn)的，其性能的好壞直接影響無人機(jī)性能。舵機(jī)主要由無刷電機(jī)、控制器、舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器四部分組成，其中控制器是舵機(jī)的核心部分口。由于舵機(jī)控制精度高，響應(yīng)速度快，因此本文選用TMS320F2812作為主控制單元。

系統(tǒng)概述

飛控計(jì)算機(jī)通過RS232串口發(fā)出舵偏角指令以數(shù)字形式送給舵機(jī)控制器并監(jiān)控舵機(jī)的狀態(tài)，舵機(jī)控制器TMS320F2812接收到該指令后通過AD通道與檢測到的實(shí)際舵面偏轉(zhuǎn)角送入舵面的位置和速度調(diào)節(jié)單元從而得到參考PWM占空比，在軟件中通過實(shí)際量測量和反饋量的比較來決定是否對舵機(jī)發(fā)送控制信號，經(jīng)由減速傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的控制?？傮w框圖如圖1所示：

圖1 舵機(jī)控制器系統(tǒng)框圖

數(shù)字式舵機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字式舵機(jī)控制器硬件由控制電路、反饋信號采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、串口通信電路組成。

1、DSP主控電路

由TMS320F2812作為主控芯片的控制電路是數(shù)字化舵機(jī)的核心部分，實(shí)現(xiàn)信號的采集，位置與速度的調(diào)節(jié)，校正和控制PWM信號輸出分配。選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片作為主控單元。

此芯片主頻150MHz，32位內(nèi)核，片上集成256 K字節(jié)的閃存，內(nèi)部集成馬達(dá)控制外圍設(shè)備、串口外圍設(shè)備、具有16通道12位的ADC以及集成128K字節(jié)的閃存，方便自啟動(dòng)，無需外部擴(kuò)展，減小了控制系統(tǒng)的尺寸，適合進(jìn)行伺服電機(jī)的控制。

內(nèi)部含有96個(gè)中斷源，能夠及時(shí)處理各種突發(fā)事件，提高了系統(tǒng)的可靠性，DSP的外圍電路包括參數(shù)存儲電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路和供電電源電路等。

時(shí)鐘電路使用外部有源晶振，通過CPU內(nèi)部PLL倍頻得到最大為150MHz的工作頻率，可減小外部干擾信號對波形的影響，DSP芯片的JTAG口可實(shí)現(xiàn)在線編程。

由電源芯片TPS767D301將飛控機(jī)提供的5V電源轉(zhuǎn)換為TMS320F2812的內(nèi)核1.8V和I/O的3.3V，通過改變定時(shí)器1周期寄存器與比較寄存器的數(shù)值就可以改變定時(shí)器T1的PWM信號的占空比，從而控制舵機(jī)輸出。

2、隔離驅(qū)動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)

該驅(qū)動(dòng)電路采用的是光耦隔離驅(qū)動(dòng)電路，能夠進(jìn)行觸發(fā)脈沖的信號隔離。由于控制電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號屬于弱電信號，采用比較常見用于信號傳輸?shù)母咚俟怦顚⒖刂齐娐泛万?qū)動(dòng)電路進(jìn)行有效的隔離，用來實(shí)現(xiàn)單方向傳遞信號以避免DSP運(yùn)行時(shí)受到功放電路的干擾，同時(shí)TMS320F2812的PWM輸出是3.3V的信號，而舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要5V的信號。因此，在處理器與舵機(jī)之間需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片。

由MAXIM公司生產(chǎn)的雙向8通道電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3001E能夠?yàn)槎嚯妷合到y(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供必要的電平轉(zhuǎn)換。外接電壓VCC和VL分別設(shè)置轉(zhuǎn)換器兩側(cè)的邏輯電平。

器件VL一側(cè)的邏輯信號在VCC一側(cè)呈現(xiàn)為較高電壓的邏輯信號，該芯片有8個(gè)通道，能夠完成系統(tǒng)的至少4路PWM信號輸出，光耦隔離電路及驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

圖2 光耦隔離電路及驅(qū)動(dòng)電路

3、數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是飛行測控儀的另一個(gè)關(guān)鍵部分，系統(tǒng)能否正常工作取決于數(shù)據(jù)采集是否及時(shí)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否及時(shí)、是否達(dá)到精度要求，數(shù)據(jù)傳輸是否實(shí)時(shí)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)采集部分用作采集飛行器飛行過程中的氣壓和空速，來自傳感器的信號為0～5V的模擬信號，對這兩路信號的輸入要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器為16位A/D，采樣頻率不小于100KHz，通道數(shù)大于2，轉(zhuǎn)換精度±1LSB。

由于TMS320F2812內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器只有12位的操作范圍，不能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此需要外擴(kuò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由MAXIM公司推出的MAX1168芯片是一款功率低、體積小的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，高性價(jià)比使它成為數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理等系統(tǒng)中的理想器件，如圖3所示：

圖3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)字電動(dòng)舵機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字式舵機(jī)控制器的主程序流程是先將DSP的時(shí)鐘、定時(shí)器、寄存器、中斷、A/D端口、PWM端口等初始化，通過串口接收飛控計(jì)算機(jī)的位置、速度給定信號，通過中斷采樣舵機(jī)的反饋信號同時(shí)完成數(shù)據(jù)的采集處理濾除干擾信號和較大的信號，實(shí)現(xiàn)控制算法。

通過位置給定信號與反饋信號采取比較的方式進(jìn)行控制量輸出，通過控制算法控制舵機(jī)運(yùn)行。調(diào)整控制器系統(tǒng)的各參數(shù)，編寫參數(shù)處理子程序，通過串口修改參數(shù)，舵機(jī)控制器接收位置給定信號由串口通信處理子程序完成，參數(shù)的修改通過串口調(diào)用串口子程序來完成。

通過改變PWM1-PWM4脈沖調(diào)制信號的占空比，空間矢量PWM控制就是通過分配電壓空間矢量，尤其是零矢量的作用時(shí)間，最終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，頻率按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)，那么其在三相軸上的投影就是對稱的正弦量。

仿真結(jié)果（略）

圖5 飛行器姿態(tài)仿真

從仿真結(jié)果可以看出，在較強(qiáng)外界干擾的影響下，姿態(tài)角能夠很好地跟蹤較為苛刻的方波指令信號。

結(jié)束語

本文采用了TMS320F28l2作為主控芯片集成了PWM電路，正交編碼脈沖QEP電路、捕獲單元、串行通訊端口等許多控制部件，使電機(jī)的控制模塊大為簡化。

采用數(shù)字控制的舵機(jī)控制器同樣可以實(shí)現(xiàn)良好的伺服控制，整個(gè)系統(tǒng)簡單可靠，運(yùn)行效果良好，控制精度高，數(shù)字式舵機(jī)控制器體積較小，靈活性較強(qiáng)，通過串口對參數(shù)進(jìn)行修改即可以控制參數(shù)不同的舵機(jī)，不拆卸飛控計(jì)算機(jī)即可修改舵機(jī)的參數(shù)。

通過伺服電機(jī)測速階躍響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)、初始條件響應(yīng)函數(shù)，能自動(dòng)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆抡娣秶鷮δＰ瓦M(jìn)行仿真，也可以直接指定仿真終止時(shí)間或采樣時(shí)間向量。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于DSP無人飛行器數(shù)字舵機(jī)控制儀研究”，作者為袁媛、王忠慶等。）