一種低成本電路設計在伺服控制系統中的應用

范縝煜

摘 要：本文介紹了一種基于DSP和分立驅動電路的伺服控制電路設計方案，通過優化電路設計，實現低成本設計，既能滿足控制精度、響應速度等性能要求，又控制了體積。系統采用TMS320F2812型DSP為主控單元，以最簡單的方式配置外圍電路；算法上采用帶有前饋補償的PID的控制方式，通過脈寬調制實現對有刷電機的控制。

關鍵詞：DSP；分立驅動；伺服控制；脈寬調制；有刷電機

中圖分類號：TN966 文獻標識碼：A 文章編號：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，導彈舵機的伺服系統控制電路多采用控制板加功率驅動板兩層板級設計的結構形式，在裝配過程中，占據較大體積。因此，對體積和成本控制較為敏感的設計中，低成本、小體積伺服系統控制電路設計尤為重要[1]。

本文提出了一種基于DSP和分立驅動電路的伺服控制電路設計方案，通過吸收現有型號成熟設計的同時，優化電路設計，能滿足控制精度、響應速度等性能要求，實現低成本、小體積設計。目前，該方案已在某低成本舵機中得到應用。

1 方案設計

1.1 工作原理

伺服系統控制電路單通道工作原理如圖1所示。

舵機系統是導彈系統的執行控制機構。從圖1可以看出，當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進行綜合和誤差計算，并將誤差信號經過DSP電路的控制策略計算，形成脈寬調制控制信號[2]。該脈寬調制控制信號經過驅動電路和功率放大，驅動伺服電動機轉動，伺服電動機帶動減速器。伺服電動機轉動通過傳動機構帶動舵面偏轉，形成與舵控指令一致的舵偏角，從而完成舵機系統的閉環控制。

1.2 結構尺寸設計

本文的硬件電路采用控制驅動一體化設計，設計建模如圖2所示。采用一體式設計能節約空間，降低成本，減少接插件對接，進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特性的差異，合理分配各種信號的走線方式，在一定程度上滿足電磁環境要求。

1.3 驅動電路設計

驅動電路的主要功能是完成驅動信號的隔離、放大，通過一定的邏輯組合完成功率管的開通關斷，從而控制有刷直流電機的運轉[3]。

單通道分立功率驅動電路原理如圖3所示。

其中，IRS21844SPBF為自舉式高電壓、高速半橋驅動器，2片IRS21844SPBF即可組成H橋全橋驅動電路。IRS21844SPBF芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容2C5、2C8產生懸浮電壓源VBS，與低端通道共用一個外接驅動電源+12V。自舉電路工作原理為：當2Q1導通時，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，且不需要散熱設計，既保證了電機的運行，又可以減小電路體積。

1.4 控制方式

系統在軟件設計上采用了一種推挽式的控制方式，有別于以往的H橋對管控制方式，即一路方向信號和一路速度信號分別控制H橋的左右橋臂[4]，如圖4所示，UA為高，UB為低時，Q1、Q4導通，Q2、Q3截止，電機逆時針轉動；當UA為低，UB為高時，Q1、Q4截止，Q2、Q3導通，電機順時針轉動；UA、UB同時為高或低時，Q1、Q3或Q2、Q4為高，電機不轉動。這種控制方式的好處在于當系統處于零位時電機無零耗電流。

2 結論

在常溫測試中，通過上位機給控制電路發送±20°階躍信號時，實際的反饋波形如圖5所示。其中，黑色實線為舵機控制信號，紅色實線為舵機反饋信號，波形顯示該電路能正常跟隨動作，滿足測試技術要求。

試驗結果表明：控制電路穩定性好，性能指標均能滿足舵機伺服系統設計精度，達到了對執行機構轉速控制的要求，證明本文提出的控制電路方案可以實現對伺服系統的控制。

參考文獻：

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

[2]郭慶偉，宋衛東，王毅，等.舵機控制延遲誤差分析與補償方法研究[J].中國測試，2017（5）：127-131

[3]蔣范明，陳偉.宇航應用永磁同步電機矢量控制驅動電路設計[J].電力電子技術，2017（6）：61-63.