基于CAN總線的四路舵機(jī)控制器的研究

該電路采用摩托羅拉公司的H橋門驅(qū)動(dòng)集成電路MC33883作為該功率電路的驅(qū)動(dòng)芯片，來(lái)控制末級(jí)大功率器件N溝道MOS管IRFI40的開(kāi)關(guān)組，以此組成H橋驅(qū)動(dòng)電路。為了避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡對(duì)主控板卡的干擾，采用高速光耦隔離器件6N137將PWM信號(hào)隔離，阻斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。初始化包括對(duì)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(huì)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(shí)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(shí)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(cè)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(cè)試，編制了基于外購(gòu)的研華CAN通信卡的DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，編寫了用于測(cè)控四路舵機(jī)系統(tǒng)的C++應(yīng)用程序，即測(cè)控應(yīng)用程序軟件包。該測(cè)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(cè)試區(qū)等幾大模塊，可以對(duì)電機(jī)的目標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)定，對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(shì)圖的形式直觀的顯示出來(lái)，易于進(jìn)行在線的分析處理和評(píng)估；另外，該程序同時(shí)也將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)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(kāi)環(huán)運(yùn)行V，使得偏差能夠盡快縮?。辉谳^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(cè)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(cè)試條件下，對(duì)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(dòng)靜態(tài)響應(yīng)性能較好、穩(wěn)態(tài)精度高、對(duì)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。