基于vxworks的auv數(shù)字電動(dòng)舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)
張杰1，張福斌2，徐德民1，2
（1西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072；2．水下信息處理與控制******重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072）
摘要：提出了一種基于vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和at91rm9200的自主水下航行器電動(dòng)舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，給出了整體框架、硬件電路圖和軟件模塊設(shè)計(jì)。采用高精度傳感器，模糊pid算法以及雙閉環(huán)反饋控制，該系統(tǒng)在測(cè)試中各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均達(dá)到預(yù)期效果，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：自主水下航行器；電動(dòng)舵機(jī)；vxworks；arm; at91rm9200
中圖分類(lèi)號(hào)：tp275 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848[2010)04-0027-03
0引 言
舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是自主水下航行器( auv)申不可缺少的關(guān)鍵組成部分，其性能指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響水下航行器的制導(dǎo)精度。與氣動(dòng)舵機(jī)、液壓舵機(jī)相比較，電動(dòng)舵機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、維護(hù)方便、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，故在水下航行器中得到廣泛的應(yīng)用1。隨著水下航行器技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)舵機(jī)的性能要求越來(lái)越高，并且由于嵌入式計(jì)算機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，因此用數(shù)字式舵機(jī)控制器取代模擬舵機(jī)控制器勢(shì)在必行。數(shù)字舵機(jī)控制器運(yùn)用合適的控制算法會(huì)使舵機(jī)達(dá)到更快的響應(yīng)速度和控制精度。本文將介紹一種由arm微處理器和vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為控制核心的水下航行器數(shù)字電動(dòng)舵機(jī)控制器。
1總體設(shè)計(jì)
該數(shù)字舵機(jī)控制器的基本原理是：自動(dòng)駕駛儀通過(guò)can總線(xiàn)將操舵信號(hào)以數(shù)字形式發(fā)送給舵機(jī)控制器并監(jiān)控舵機(jī)的位置狀態(tài)，舵機(jī)控制器對(duì)舵機(jī)的位置進(jìn)行采樣并與操舵信號(hào)比較以合適的控制算法進(jìn)行處理，輸出pwm信號(hào)控制電機(jī)，從而組成閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。其總體框圖如圖1所示。
2硬件設(shè)計(jì)
舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由嵌入式處理器、信號(hào)采集電路、pwm嚴(yán)生與調(diào)速電路、舵角偏差處理電路、光電隔離電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、舵角反饋電路等組成。
2.1主控cpu及外圍電路
采用at91rm9200芯片作為處理器，內(nèi)嵌arm920t核，帶有全性能的mmu及外部總線(xiàn)接口( ebi)，外圍電路包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、8mb norflash、32 mb sdram、以太網(wǎng)接口、jtag接口、電源電路等。
2.2 a/d和d/a電路
a/d芯片采用maxim公司的12位6通道并行adc芯片max196; d/a芯片采用maxim公司的12位獨(dú)立2通道并行dac芯片mx7847，它們均通過(guò)外部總線(xiàn)( ebi)與cpu連接。
由74hc138譯碼器產(chǎn)生片選信號(hào)，用74hc244和74alvc164245實(shí)現(xiàn)arm和a/d、d/a之間數(shù)據(jù)信號(hào)緩沖和電平轉(zhuǎn)換。
2.3 can總線(xiàn)通信電路
采用spi接口can控制器芯片mcp2515，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的spi接口與at91rm9200進(jìn)行通信。該器件包含三個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1 mb/s，并且支持can v2. ob技術(shù)規(guī)范。can收發(fā)器選擇pca82c250，其通過(guò)ad-um5241芯片與mcp2515連接以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離。
2.4舵機(jī)位置閉環(huán)反饋電路
用雙運(yùn)算放大器組成兩個(gè)反向放大器，對(duì)輸入信號(hào)和反饋電壓的偏差進(jìn)行計(jì)算，輸出電壓對(duì)將pwm波形進(jìn)行調(diào)制。其電路如圖2所示。
2.5 pwm渡形產(chǎn)生及電機(jī)速度控制電路
該系統(tǒng)利用uc3637產(chǎn)生的雙極性pwm信號(hào)構(gòu)成雙向的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
其主要功能是：產(chǎn)生三角波信號(hào)，與輸入控制信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行疊加，通過(guò)內(nèi)置的兩個(gè)比較器產(chǎn)生pwm信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生三角波的電路如圖3所示，該電路中，k= 15 v，r1= r2= r3= 10 k0. rt = 33 kω,t=0.01 plf=l khz。三角波與輸入控制信號(hào)和反饋信號(hào)的 |
