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(duì)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(cè)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(shì)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(dòng)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(gòu)自研華公司，插入微型計(jì)算機(jī)的ISA插槽中，安裝驅(qū)動(dòng)程序后便可以在該公司提供的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(gòu)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(dòng)板卡的輸入信號(hào)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡上的H橋電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而完成對(duì)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(cè)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(hào)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(wú)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(hào)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)的驅(qū)動(dòng)電流，提高其驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以保護(hù)DSP芯片免受功率驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)。

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(dòng)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(hào)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(hào)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(wú)窮小，輸入阻抗接近于無(wú)窮大，在一定程度上減小了反饋電壓的失真。