基于CAN总线的四路舵机控制器的研究

舵机是导弹飞控组织的重要部分。随着高性能稀土电机技术和高能电池的发展，精确制导武器上高性能舵机系统的研究被重视，各利新型的电机伺服系统的控制技术不断出现，提高舵机伺服系统的性能成为当前的迫切需要。为此，设计者在考虑了谐波传动的随速度波动和低阻尼特点，以提高舵机系统控制品质为目标，提出了一种新型舵机控制系统。该硬件系统以主控芯片DSPTMS320F2812为核心，结合82C250(CAN总线收发器)和射极跟随器(以INA114为核心)，并通过CAN2.0A总线接口实现了PC机与DSPTMS320F2812之间的参数传送。

由于舵机系统对定位精度、频率响应特性、阶跃响应特性和震荡次数等因素有着非常高的要求，因此其测试数据、分析曲线和指示结果是分析、判定系统性能和工作状态的重要依据和手段。本文所涉及的控制器具有CAN2.0总线接口，它负责与PC机通信，这使得控制器在运行中产生的各种参数和变量能够实时地传送并在CRT上显示，极大地方便了参数变化趋势观察和控制过程的判断分析，为加快参数的整定奠定了基础。

1．系统的构成与工作原理

1.1 系统的构成

如图1所示，该系统由主控板卡、电机驱动板卡、微型计算机、CAN总线通信卡，以及四路舵机组成。其中CAN总线通信卡外购自研华公司，插入微型计算机的ISA插槽中，安装驱动程序后便可以在该公司提供的DLL动态链接库的基础上进行开发，编写上位机应用程序。主控板卡中的运算处理器采用DSP处理器TMS320F2812。

1.2 系统的工作原理

本系统由上位微机通过外购的CAN总线通信卡发送控制指令，经由CAN2.0A总线传送至主控板卡。主控板卡将采集到的舵机实时位置数据，与上位机传来的位置指令数据，代入到组合式控制算法中进行运算。处理后得到的PWM调制波形作为电机驱动板卡的输入信号，通过电机驱动板卡上的H桥电路对电机进行驱动，进而完成对电机的控制。另外，主控板卡还将舵机运行状态数据经由CAN2.0A总线上行传送至上位微机，由PC机测控应用程序对其进行后期分析处理。

2．系统的硬件电路描述

2.1 主控板卡部分

2.1.1 主控板卡的构成

在整个硬件系统中，主控板是核心的部分。该板卡的原理框图如图2所示。此板卡的主控芯片DSPTMS320F2812，其内部嵌有CAN总线控制器，用户可通过CAN总线与计算机进行高速实时通信。我们采用飞利浦公司的82C250作为CAN总线控制器相配合使用的CAN总线收发器，完成总线的传输电平转换。采用ADI公司电压基准源REF192给DSP内部的模数转换器提供标准比较电压。在舵机电位器产生的表征角度值的反馈电压信号送至DSP处理器的ADC模块以前，为了使主控板卡的输入阻抗趋近于无穷大，加入了一组以BB公司的精密仪表运放INA114为核心的射极跟随器。

2.1.2 主控板卡的功能

主控板卡不但承担着执行来自上位机的控制指令并将指令执行的实时状态上行送至上位机的任务，而且还要将经过DSP内部组合式控制算法的运算产生的相应占空比的PWM信号送至电机驱动板卡，实现对4路电机的精准控制。

板卡中各部分的具体职能如下：

a．三态缓冲器件LVT245一方面加大PWM信号的驱动电流，提高其驱动能力；另一方面可以保护DSP芯片免受功率驱动板卡的冲击损害。

b．DSP处理器TMS320F2812主要有4项功能，分别是：

(1)eCAN控制器按约定的通信胁议利用CAN2.0A总线与上位计算机进行通信。

(2)模数转换控制器以12位精度、1兆赫兹的采样频率将舵机电位器送来的反馈模拟信号进行数字化转换，并将其送入到CPU中进行相应的算数滤波处理。

(3)中央处理单元(CPU)将传来的目标值同滤波过的实时角度反馈数据一起代入到组合式算法中运算，生成14位占空比数值。

(4)PWM事件管理器接收由CPU运算产生的占空比数值，以此为依据生成16K赫兹频率、14位细分精度的PWM信号。

c．CAN总线收发器82C250芯片将DSP内部eCAX控制器的逻辑电平转换为总线上的差动电平，通过CAN通信卡与上位机进行通信。该芯片具有较好的电磁兼容性，可以适用于电磁环境复杂的弹内腔体。

d．舵机反馈的舵偏角信号为0～6v，而F2812的前向模拟输入通道的转换电压范围为3V，因此本文以4片INA114为核心的前端调理模块将反馈回来的4路模拟信号进行分压，将其转换到适合DSP内部ADC模块工作的电压范围；另外，该调理模块形同一组射极跟随器，令输出阻抗接近于无穷小，输入阻抗接近于无穷大，在一定程度上减小了反馈电压的失真。

[p] 2.2 电机驱动板卡部分

该电路采用摩托罗拉公司的H桥门驱动集成电路MC33883作为该功率电路的驱动芯片，来控制末级大功率器件N沟道MOS管IRFI40的开关组，以此组成H桥驱动电路。为了避免电机驱动板卡对主控板卡的干扰，采用高速光耦隔离器件6N137将PWM信号隔离，阻断电机驱动板卡对主控板卡的传导干扰。

3．软件程序设计及其算法描述

TMS320F2812的主程序负责完成初始化并对数据进行相应处理。初始化包括对I／O接口、寄存器、处理器工作状态以及内部控制模块等的初始化。在初始化完成后，将会进入数据处理的运算子程序。

3.1 DSP与上位机的通信

TMS320F2812与上位机的CAN2.0A串行通信采用数据帧传输模式，CAN的标准数据帧可包含44～108位的数据，它的扩展数据帧可包含64～128位数据。本文采用标准桢进行通信，即CAN2.0A协议，具体如下图所示。一个完整的标准数据桢包括帧的起始位、标识符、数据字节控制位、最多8字节的数据区，循环冗佘校验、响应信息和帧的结束位。其中标识符和数据区为用户指令填充，其它为CAN控制器自行产生。

3.2 上位机测控应用程序设计

为便于舵机的控制和系统指标的测试，编制了基于外购的研华CAN通信卡的DLL动态链接库，编写了用于测控四路舵机系统的C++应用程序，即测控应用程序软件包。该测控应用程序的用户界面分为实时显示区、目标位置控制区、指标测试区等几大模块，可以对电机的目标位置进行设定，对系统指标进行测试，并实时的将4路舵机的PWM占空比数据、目标值数据以及反馈值数据以趋势图的形式直观的显示出来，易于进行在线的分析处理和评估；另外，该程序同时也将采集到的数据存储到文本文件中，以便后期离线处理。

3.3 增量式分段离散PID控制算法描述

舵机控制器系统的控制算法分为两段进行：

式中V为PWM最大输出常量，f(PID)为线性PID算法，Emax为偏差的设定阈值，U为算法输出值，表征PWM信号的占空比。在偏差E很大时(E＞Emax)，系统快速性是控制的关键指标，系统开环运行V，使得偏差能够尽快缩小；在较小偏差下(E≤Emax)，系统的定位精度成为关键指标，此时采样值在设定值附近，按优化的增量PID控制算法运行。

4．系统测试结果分析

联调试验结果表明：舵机系统在2kg*m的额定负载力矩的测试条件下，对25°阶跃响应时常数小于100ms，20Hz、±1.5°振幅的频率响应相位延时小于20°，定位精度优于0.06°，半振荡次数小于两次。

该系统位置阶跃响应如图5所示。舵机位置建立时间小于100ms；位置稳定性也很好。25°阶跃仅需要一个半周期就可以达到稳定。

以上分析证实，本文提出的控制系统动静态响应性能较好、稳态精度高、对噪声有较高的鲁棒性和抗干扰性，适用于具有较高要求的控制领域，具有广阔的应用前景。