[发明专利]一种电动舵机驱动装置

说明书

技术领域

本发明涉及电路设计技术领域，特别是一种电动舵机驱动装置。

背景技术

现代战争对制导武器提出了全新的要求，其中导弹因为具备远程打击能力而成为其中的佼佼者。而导弹制导与控制系统中的电动舵机驱动装置的性能优劣直接决定了导弹飞行过程中的动态品质和制导精度。电动舵机是导弹制导与控制系统中的执行机构，也随着半导体技术、计算机技术和电力电子技术的发展而快速发展，其中无刷直流电机既有优秀的调速特性又有不错的转矩特性，在国防工业乃至民用行业都得到广泛应用。

电动舵机按驱动能源的类型，可分为气压舵机、液压舵机和电动舵机。传统导弹都是采用液压或气动舵机，但此类舵机结构复杂、加工难度高。随着航天技术的蓬勃发展，对舵机整体性能要求越来越高，电动舵机向体积质量不断减小，承载能力不断增强，控制性能不断提高的方向提高发展。而电动舵机具有能源单一，易于控制等特性，在飞行器、机器人等领域上得到了广泛的应用。现有电动舵机目前还存在体积较大、成本较高的问题，且在低速下的控制精度仍然不高，故在电动舵机领域中对其控制驱动装置改进研究十分有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性价比高、动态品质优、控制精度高的速度及位置双闭环控制的电动舵机驱动装置，该装置能够低速且大力矩并快速精确控制三相无刷直流电机(BLDC)，并采用USART串口通信实现与上位机通信给定电动舵机的速度信息，位置信息和启停信息。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电动舵机驱动装置，所述电动舵机采用三相无刷直流电机，该电动舵机驱动装置包括控制单元、电源供给单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，其中：

所述控制单元分别与通信单元和数据存储单元连接，并且控制单元的PWM输出端与隔离单元的输入端连接，所述隔离单元的输出端与三相逆变桥式单元的输入端连接，所述三相逆变桥式单元的输出端与三相无刷直流电机的输入端连接，所述三相无刷直流电机的输出端与数据采集单元的输入端连接，所述数据采集单元的输出端与控制单元的输入端连接；所述电源供给单元与其他各单元的电源接口连接。

进一步地，所述控制单元采用STM32最小系统电路，其中包括晶振电路、数模隔离电路、复位电路、可编程指示灯电路，所述控制单元一方面模拟产生PWM信号用于控制三相无刷直流电机，另一方面接收三相无刷直流电机的速度、位置信息；

控制单元对电机输出端的实际转速进行比例积分调节，得到电机转动的位置反馈值送于控制单元的输入端，与给定的位置指令信号进行比较，将位置误差信号作为速度环节的输入给定值，从而得到PWM信号；控制单元根据数据采集单元检测到电机的三个转子位置信号进行查询换相，将该三个转子位置信号与PWM信号一起送至三相逆变桥式单元，实现三相无刷直流电机的换相和调速功能。

进一步地，所述电源供给单元通过稳压和升压电路提供不同的电压给控制单元、隔离单元、三相逆变桥式单元、数据采集单元、数据存储单元和通信单元，并满足各个单元所需要的工作电压及功率。

进一步地，所述隔离单元采用封装为SOIC8的HCPL2630芯片，两路输入方波信号接入隔离芯片两路阴极输入引脚，两路阳极输入管脚分别用220欧的电阻接3.3V电压上拉，将幅值为3.3V的两路方波输入信号调制成5V的方波输出信号，以匹配三相逆变桥式单元中栅极驱动IC的方波输入需求。

进一步地，所述三相逆变桥式单元通过栅极驱动IC和功率开关器件实现三相桥式驱动的换流，三相逆变桥式单元采用12片IRF5301功率开关器件形成三路UVW上下桥臂，每个桥臂分别由两个功率开关器件并联组成，且上下桥臂控制信号分别利用220欧电阻连接至功率开关器件的栅极输入。

进一步地，所述数据采集单元采用霍尔传感器，以120度安装方式安装于电机内定子绕组上方10mm，以检测无刷直流电机BLDC的速度和位置信息。

进一步地，所述数据存储单元通过外部SPI Flash将电动舵机当前的速度信息和角度位置信息实时存储，用于进行数据分析和调试。

进一步地，所述通信单元通过USART串口通信协议，该协议包含针头针尾当前舵速度和当前舵角度信息，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的舵机速度信息和角度位置信息。