三电平PWM舵机控制驱动方法

技术领域

本发明属于导弹电动舵机技术领域，主要涉及一种电动舵机电机控制与驱动方法。

背景技术

电动舵机系统的核心是其控制与驱动技术,通过对直流有刷电机的策略控制与驱动,达到驱动舵翼快速、准确偏转到指定位置的目的。其工作机理是，舵机控制系统接收到控制指令后，与位置反馈信号进行作差形成误差信号，对该信号进行控制运算后形成脉宽调制(PWM)信号，输入驱动器后经功率放大，驱动电机旋转，带动伺服机构输出力或力矩，实现舵翼偏角度与指令信号的比例控制，从而完成对导弹弹体的姿态控制。然而，现有的电动舵机控制驱动技术存在一定的缺陷，不能适应新型导弹控制系统对舵机的要求。

目前基于直流有刷电机的电动舵机控制与驱动技术是:控制电路实现指令与反馈信号的采集、作差后，经过设定的控制率运算，得到控制量，根据控制量对应输出脉宽调制信号(PWM)，PWM频率为20kHz或更高。脉宽调制信号为高低电平，输入驱动电路后驱动电机的正、反两个方向的转动。该技术存在一个较大的问题是：施加到驱动电路的电平在高低之间切换，当控制电路因某种故障(如无输入电源等)没有输出时，驱动电路默认输入为低电平，电机会朝一个方向转动，这种情况会引起电机堵转和舵机损坏。另一个问题是：电机一直在正反两个方向转动切换，缺少一个“关断”状态，在高频工作状态下，引起电动舵机的工作电流加大，干扰增大，并且一部分能量转换为发热，电动舵机工作消耗大、效率降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施提供一种三电平PWM舵机控制驱动方法。

本发明是由以下技术方案实现的：

一种三电平PWM舵机控制驱动方法，包括控制电路、驱动电路、电机和减速器组成的传动结构和反馈电位器，共同组成一个闭环位置控制系统；

控制电路包括：指令与反馈采集电路、误差运算放大电路、三电平脉宽调制电路；驱动电路包括：三电平PWM接口逻辑电路和H桥功放电路；

指令与反馈采集电路实现对电压信号的采集,该信号可确定舵机的目标运动位置和当前位置；误差运算放大电路主要实现误差信号的PID运算，确定PID的三个参数，即比例、微分和积分运算系数；三电平脉宽调制电路实现放大信号的调制，实现舵机电机正转、反转和停止三个功能，调制后的PWM信号电平形式包括:高电平、低电平和零电平；

驱动电路中三电平PWM接口逻辑电路能够识别输入的PWM信号三电平，即高电平电机正转，低电平电机反转，零电平电机停止转动；H桥功放电路实现对逻辑电路输出的放大，根据逻辑电路输出驱动电机的启动和停止；

控制电路接收控制指令与反馈电位器信号，作差得到当前位置与目标位置的误差信号，对其进行PID运算放大，形成控制量，根据控制量产生三电平PWM信号输入驱动电路，驱动电路H桥带动电机进行高速旋转，经减速器减速增矩后电动舵翼偏转，反馈电位器与舵翼转轴同轴固连输出反馈信号。

驱动电路采用了双路光耦隔离电路。

控制电路需要提供一路电源，驱动电路需要提供一路电源，若电机额定电压与控制电路电源一致，则可以两路电源合并为一路。

本发明工作电流较传统控制方式有较大的降低，避免了电机的额外发热现象；上电时序不同步时能够避免舵机系统的误动作，提高系统的可靠性；电路实现方法简单，并不增加舵机系统的复杂性和成本；控制电路可采用模拟和数字两种技术途径实现。

附图说明

图1是本发明三电平PWM舵机控制驱动的PWM功率放大原理图；

图2是本发明三电平PWM舵机控制驱动的工作原理示意图；

图3是本发明三电平PWM舵机控制驱动总体布局示意图；

图4是本发明三电平PWM舵机控制驱动侧面面结构示意图；

图5是本发明三电平PWM舵机控制驱动局部剖面示意图。

具体实施方式

本发明提供一种三电平PWM舵机控制驱动方法，如图1所示，包括控制电路和驱动电路，电机和减速器组成的传动结构、反馈电位器可看做其负载，共同组成一个闭环位置控制系统。

其工作原理过程如图2所示，舵机控制电路接收控制指令与反馈电位器信号，作差得到当前位置与目标位置的误差信号，对其进行PID运算放大，形成控制量，根据控制量产生三电平PWM信号输入驱动电路，驱动电路H桥带动电机进行高速旋转，经减速器减速增矩后电动舵翼偏转，电位器与舵翼转轴同轴固连输出反馈信号。

根据舵机工作过程中出现的问题，控制电路实现舵机指令与电位器反馈信号的采集运算和PID放大，输出的高频PWM信号区别于传统的TTL电平，TTL电平只有高低两个状态，而本发明PWM信号有正、负和零三状态，可控制电机的正转、反转和停止三种状态。相对传统的有刷电机控制方法的频繁换向，本发明在舵机到达预定的目标位置后，控制输出为零电平，大大减小了舵机电机的工作电流，降低了对武器系统的电磁干扰，提高系统的工作可靠性。

本发明的驱动电路主要实现对三电平PWM信号的识别、放大功能，其输入逻辑电路如图3所示。当输入电平为正时,H桥电路的1、3MOS管打开，2、4MOS管关闭，电机正向旋转；当输入电平为负时,H桥电路的2、4MOS管打开，1、3MOS管关闭，电机反向旋转；当输入电平为零时，H桥电路的4路MOS管全部关闭，电机停止旋转。

本发明对于电路的上电时序没有要求，当舵机控制电路、驱动电路由于各种原因上电不能同步时，舵机系统都不工作，只有当两路电源均上电完毕后，系统才开始工作，此功能可避免系统的误动作，提高武器系统的可靠性。

本发明控制电路需要提供一路电源，驱动电路需要提供一路电源，若电机额定电压与控制电路电源一致，则可以两路电源合并为一路。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明提出了一种新的舵机控制驱动方式，与传统导弹舵机的控制方法相比，具有更高的可靠性和安全性，电路设计新颖，工作方式简单，抗干扰能力强，在未来导弹电动舵机控制驱动技术上有很高的应用前景。

(二)本发明实现了舵机电机的三种状态控制(正转、反转和停止)，避免了对电机伤害最大的堵转情况，提高了导弹舵机飞行工作可靠性，并具有更高的工作安全性。

(三)本发明能够减小舵机工作电流，避免不期望的电机发热现象，从而极大地延长了电机的使用寿命；并可降低对武器系统的电磁干扰，特别适用对电磁兼容性能要求高的应用场合。