現(xiàn)在軍事領域中使用無人飛行器既要達到體積小、耗電量少而且功能調整度靈敏。因為微處理器的關系，數(shù)字舵機可以在將動力脈沖發(fā)送到舵機馬達之前，對輸入信號利用設定的參數(shù)進行處理，這意味著動力脈沖的寬度，可以根據微處理器的程序運算而調整，以適應不同的功能要求，并優(yōu)化舵機的性能。

數(shù)字舵機組成

舵機主要由無刷電機、控制器、舵機機械結構、傳感器四部分組成，其中控制器是舵機的核心部分口。其工作原理是由接收機發(fā)出訊號給舵機，經由電路板上的 IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。

位置檢測器其實就是可變電阻，當舵機轉動時電阻值也會隨之改變，由檢測電阻值便可知轉動的角度。一般的伺服馬達是將細銅線纏繞在三極轉子上，當電流流經線圈時便會產生磁場，與轉子外圍的磁鐵產生排斥作用，進而產生轉動的作用力。

舵機是無人機飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，在空中按一定軌跡飛行的無人機都是靠舵機帶動舵面來實現(xiàn)的，其性能的好壞直接影響無人機性能。舵機主要由無刷電機、控制器、舵機機械結構、傳感器四部分組成，其中控制器是舵機的核心部分口。由于舵機控制精度高，響應速度快，因此本文選用TMS320F2812作為主控制單元。

系統(tǒng)概述

飛控計算機通過RS232串口發(fā)出舵偏角指令以數(shù)字形式送給舵機控制器并監(jiān)控舵機的狀態(tài)，舵機控制器TMS320F2812接收到該指令后通過AD通道與檢測到的實際舵面偏轉角送入舵面的位置和速度調節(jié)單元從而得到參考PWM占空比，在軟件中通過實際量測量和反饋量的比較來決定是否對舵機發(fā)送控制信號，經由減速傳動驅動電路實現(xiàn)對舵機的控制。總體框圖如圖1所示：

圖1 舵機控制器系統(tǒng)框圖

數(shù)字式舵機控制器硬件設計

數(shù)字式舵機控制器硬件由控制電路、反饋信號采樣電路、驅動電路、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)字化舵機的核心部分，實現(xiàn)信號的采集，位置與速度的調節(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的TMS320F2812芯片作為主控單元。

此芯片主頻150MHz，32位內核，片上集成256 K字節(jié)的閃存，內部集成馬達控制外圍設備、串口外圍設備、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，無需外部擴展，減小了控制系統(tǒng)的尺寸，適合進行伺服電機的控制。

內部含有96個中斷源，能夠及時處理各種突發(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、時鐘電路、JTAG接口電路和供電電源電路等。

時鐘電路使用外部有源晶振，通過CPU內部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口可實現(xiàn)在線編程。

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

2、隔離驅動放大電路設計

該驅動電路采用的是光耦隔離驅動電路，能夠進行觸發(fā)脈沖的信號隔離。由于控制電路產生的觸發(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刂齐娐泛万寗与娐愤M行有效的隔離，用來實現(xiàn)單方向傳遞信號以避免DSP運行時受到功放電路的干擾，同時TMS320F2812的PWM輸出是3.3V的信號，而舵機的驅動需要5V的信號。因此，在處理器與舵機之間需要一個電壓轉換芯片。

由MAXIM公司生產的雙向8通道電平轉換芯片MAX3001E能夠為多電壓系統(tǒng)的數(shù)據傳輸提供必要的電平轉換。外接電壓VCC和VL分別設置轉換器兩側的邏輯電平。

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

圖2 光耦隔離電路及驅動電路

3、數(shù)據采集電路設計

數(shù)據采集是飛行測控儀的另一個關鍵部分，系統(tǒng)能否正常工作取決于數(shù)據采集是否及時、數(shù)據轉換是否及時、是否達到精度要求，數(shù)據傳輸是否實時。

根據設計要求，數(shù)據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)轉換器為16位A/D，采樣頻率不小于100KHz，通道數(shù)大于2，轉換精度±1LSB。

由于TMS320F2812內置的模數(shù)轉換器只有12位的操作范圍，不能滿足系統(tǒng)的設計要求，因此需要外擴模數(shù)轉換器以達到設計要求。由MAXIM公司推出的MAX1168芯片是一款功率低、體積小的模數(shù)轉換芯片，高性價比使它成為數(shù)據采集、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)據采集電路

數(shù)字電動舵機控制器軟件設計

數(shù)字式舵機控制器的主程序流程是先將DSP的時鐘、定時器、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算機的位置、速度給定信號，通過中斷采樣舵機的反饋信號同時完成數(shù)據的采集處理濾除干擾信號和較大的信號，實現(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行控制量輸出，通過控制算法控制舵機運行。調整控制器系統(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)的修改通過串口調用串口子程序來完成。

通過改變PWM1-PWM4脈沖調制信號的占空比，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間，最終形成等幅不等寬的PWM脈沖波，頻率按逆時針方向勻速旋轉，那么其在三相軸上的投影就是對稱的正弦量。

仿真結果（略）

圖5 飛行器姿態(tài)仿真

從仿真結果可以看出，在較強外界干擾的影響下，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，使電機的控制模塊大為簡化。

采用數(shù)字控制的舵機控制器同樣可以實現(xiàn)良好的伺服控制，整個系統(tǒng)簡單可靠，運行效果良好，控制精度高，數(shù)字式舵機控制器體積較小，靈活性較強，通過串口對參數(shù)進行修改即可以控制參數(shù)不同的舵機，不拆卸飛控計算機即可修改舵機的參數(shù)。

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

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