专利名称：多功能力矩加载控制器的制作方法
技术领域：
本发明专利设计一种用于控制电动负载模拟器的多功能力矩加载控制器，属于机电控制领域。
背景技术：
电动负载模拟器是模拟飞行器在飞行过程中舵面所受空气动力矩的加载装置，其功能是在实验室条件下复现飞行器舵面在空中所受的各种载荷，从而检测其舵机驱动系统的技术性能指标，将经典的自破坏全实物实验转变为实验室条件下的预测性研究。负载模拟器的使用能够缩短研制周期，节约研制经费，提高可靠性和成功率，为新型飞行器的研制提供实验数据，为新技术的推广提供可靠的实验资料。在机电控制领域，构建力矩控制系统的元件有很多，就执行元件的选取来说，有的 采用交流伺服电机，有的采用DD马达，有的采用直流力矩电机等，不同的电机需要搭配不同的驱动器；就反馈测量元件的选取来说，有的采用静态扭矩传感器，有的采用动态扭矩传感器，有的采用光电编码器，有的采用光栅尺，有的采用旋转变压器，有的采用霍尔传感器等，根据不同的控制需要，选择不同的传感器。目前，市面上存在多款成熟的高端运动控制卡，如PMAC卡、BALDOR卡、以及ACS控制卡等。这些控制卡的优点是成熟可靠，但同时也存在很大的缺点，最主要的缺点是编程灵活性差，输入输出接口单一，不能满足负载模拟器的一些特殊控制要求。本发明设计的多功能力矩加载控制器是针对常规电动负载模拟器设计的一种可以兼容大多数传感器和驱动器的控制器，可以实现位置、速度和力矩控制。
发明内容
本发明专利目的在于为电动负载模拟器提供高效且低成本的加载控制器，由于该控制器的硬件接口可以兼容多类传感器和驱动器，所以也可以应用在其它机电控制场合。本发明专利公开一种用于控制电动负载模拟器的多功能力矩加载控制器，其特征在于以STM32F103VET6单片机为控制核心，包括多功能通信接口，开关量输入输出接口，两路正交编码输入接口，四路标准电流信号输入接口，四路模拟量电压输出接口，电源供电模块和多功能复用模块。多功能通信接口包括一路USB接口，两路RS422接口和两路RS485接口，其中USB接口为上位机通信接口，可直接连接具有USB接口的计算机对力矩加载系统实施远程控制；RS422和RS485接口用于与其它扩展部件高速通信。开关量输入输出接口，全部米用光电隔离，每个输出端口的最大允许输出电流为IOOmA,每个输入端口的最大允许输入电流为50mA。两路正交编码接口，基于单片机的正交编码外设模块搭建，每个正交编码接口配有专用电平信号转换芯片，能够兼容多种正交编码器电平信号。四路标准电流信号接口，通过专用高精度信号隔离转换芯片IS0_EM_A4_P2_04，将标准电流信号转换为电压信号，使用单片机自带的12位A/D转换模块，实现模拟电流信号米集。四路模拟量 电压输出接口，使用16位高性能D/A转换芯片AD5544，结合精密元件搭建外围电路，实现高精度-IOV +IOV模拟量电压输出。电源供电模块，使用多路隔离电源，各路电源均带有稳压和滤波电路，能够有效抑制电源噪声，实现宽电压输入稳定供电。所述多功能复用模块，兼容频率信号、电压信号、电流信号、总线信号等信号类型的传感器，能够采集位置、转速、力矩、力等信息；兼容多类型号电机驱动器，能够实现交流伺服电机、直流伺服电机、直流力矩电机等电机的位置、转速和力矩控制。本发明专利公开的设备的优点描述如下(I)经济性。本发明专利属于自主研发设计，不仅能够很好的实现负载模拟器的各项加载任务，而且避免了使用高端控制卡所带来的高成本，与其它类型的运动控制器相比，本发明专利具有明显的成本优势。(2)精确性。本发明专利的实际控制精度主要取决于传感器的有效精度，由于传感器接口和驱动器接口均采用高精度的转换模块或者数字通信方式，所以对各类信号的采集和输出误差极小，控制器的力矩控制精度可以与传感器的有效精度保持在同一个数量级上。(3)通用性。本发明专利充分考虑到了不同反馈元件和执行元件的差异，所以预留有多种类型的输入输出接口，如标准电流信号接口、标准电压信号接口、频率信号接口、USB接口、RS422接口、RS485总线接口等。(4)可靠性。本发明专利采用了多种措施提高控制系统的可靠性，如通信总线采用差分信号传输的RS422接口和RS485接口 ；模拟量输入信号采用4 20mA标准电流信号接口 ；控制器供电方式采用宽电压供电，具有防止过压、欠压、电源反接和短路等功能；控制板PCB布线充分考虑了电磁干扰抑制问题。
图I为多功能力矩加载控制器结构图多功能力矩加载控制器以STM32F103VET6单片机为控制核心，具有专用的调试下载电路和电源模块。其中，四路标准电流信号输入接口、AD输入接口、正交编码信号输入接口、频率接口和部分总线接口组成传感器接口模块，用于接收不同类型传感器信号；开关量输入输出接口和D/A输出接口接电机驱动器，可兼容多种类型的驱动器；一路USB接口、两路RS422接口和两路RS485接口组成多功能通信接口模块。
具体实施例方式本发明专利目的在于为电动负载模拟器提供高效且低成本的加载控制器。图I所示为多功能力矩加载控制器结构图，详述如下多功能力矩加载控制器以STM32F103VET6单片机为控制核心，该型单片机是一款以Cortex-M3为内核的32位的单片机，最高主频72M，片载64K的RAM空间和512K的ROM空间，可运行UCOS、Linux等嵌入式操作系统。
由于控制器上电源类型众多，有12V，5V、3.3V、± 15V等多路电源，因此控制器上专门设计了电源供电模块。采用12V开关电源作为控制器主电源，经过LM2576-5V芯片稳压后作为5V电源，再经ASMl 117-3. 3V芯片稳压后作为3. 3V电源；采用隔离±15V电源作为DA转换电源；采用5 24V宽电压隔离输入可调电源作为驱动器接口供电电源，以兼容不同类型的驱动器。各路电源均配有稳压和滤波电路。多功能力矩加载控制器扩展了一路USB接口为上位机通信接口，可直接连接具有USB接口的计算机对力矩加载系统实施远程控制；两路RS422接口和RS485接口，用于与其它扩展模块高速通信或数据采集。四路标准电流信号输入接口，通过专用高精度信号隔离转换芯片IS0_EM_A4_P2_04，能够将标准的4 20mA的电流信号转换为0 3V的电压信号，然后利用单片机自带的12位A/D转换模块，实现模拟量电流信号的采集。 正交编码信号输入接口，基于单片机自带的正交编码外设模块搭建，每个正交编码接口配有专用电平信号转换芯片MAX3490，能够兼容多种正交编码器电平信号。为了能够兼容其它信号类型的传感器，多功能力矩加载控制器还扩展有0 3V模拟量电压信号输入接口以及频率信号输入接口。开关量输入输出接口，全部米用光电隔离，每个输出端口的最大允许输出电流为IOOmA,每个输入端口的最大允许输入电流为50mA。为了能够兼容不同类型电机驱动器,光耦采用宽电压可调隔离电源供电，供电范围为5 24V。D/A输出接口采用高性能四路串行16位D/A转换芯片AD5544，积分非线性误差小于0. 5LSB，转换带宽高达12MHz，结合精密电阻和军用等级运算放大器搭建外围电路，实现-IOV +IOV高精度模拟量电压信号输出。为了增强系统抗干扰能力，多功能力矩加载控制器硬件电路板采用双层板结构，并且双面覆铜；模拟地与数字地分开布线，单点相连并有配有滤波和保护电路；所有对外接口均配有屏蔽线接头，PCB布线严格按照相关电气规范设计，控制器配有专用屏蔽盒。具体工作原理多功能力矩加载控制器最典型的应用为力矩闭环反馈控制系统，由传感器接口获取加载通道的力矩、位置和转速等反馈信息，上位机生成控制指令，控制核心在得到控制指令和传感器反馈值后，调用相关控制算法，实现闭环控制。在一个典型的电动负载模拟器应用中，控制系统给定值由上位机通过USB接口给定，根据多功能力矩加载控制器标准电流信号接口获取加载通道力矩反馈信息，结合模糊自适应整定PID控制算法，实现力矩闭环控制。通过正交编码信号接口和标准电流信号接口获取的加载通道位置和转速信息，对加载力矩实现前馈补偿。该多功能力矩加载控制器可保证力矩加载控制精度小于1% FSdi足实际工程需求。
权利要求
1.一种用于控制电动负载模拟器的多功能力矩加载控制器，其特征在于以 STM32F103VET6单片机为控制核心，包括多功能通信接口，开关量输入输出接口，两路正交编码输入接口，四路标准电流信号输入接口，四路模拟量电压输出接口，电源供电模块和多功能复用模块。
2.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述多功能通信接口包括一路USB接口，两路RS422接口和两路RS485接口，其中USB接口为上位机通信接口， 可直接连接具有USB接口的计算机对力矩加载系统实施远程控制；RS422和RS485接口用于与其它扩展部件高速通信。
3.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述开关量输入输出接口，全部采用光I禹隔离，每个输出端口的最大允许输出电流为IOOmA,每个输入端口的最大允许输入电流为50mA。
4.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述两路正交编码输入接口，基于单片机自带的正交编码外设模块搭建，每个正交编码接口配有专用电平信号转换芯片，能够兼容多种正交编码器电平信号。
5.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述四路标准电流信号接口，通过专用高精度信号隔离转换芯片IS0_EM_A4_P2_04，将标准电流信号转换为电压信号，使用单片机自带的12位A/D转换模块，实现模拟量电流信号采集。
6.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述四路模拟量电压输出接口，使用16位高性能DA转换芯片AD5544，结合精密元件搭建外围电路，实现高精度-IOV +IOV模拟量电压输出。
7.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述电源供电模块，使用多路隔离电源，各路电源均带有稳压和滤波电路，能够有效抑制噪声，实现宽电压输入稳定供电。
8.根据权利要求I所述的多功能力矩加载控制器，其特征在于所述多功能复用模块， 兼容频率信号、电压信号、电流信号、总线信号等信号类型的传感器，能够采集位置、转速、 力矩、力等信息；兼容多类型号电机驱动器，能够实现交流伺服电机、直流伺服电机、直流力矩电机等电机的位置、转速和力矩控制。
全文摘要
本发明涉及一种可用于控制电动负载模拟器的多功能力矩加载控制器，属于机电控制领域。其特征在于包括多功能通信接口，开关量输入输出接口，两路正交编码输入接口，四路标准电流信号输入接口，四路模拟量电压输出接口，电源供电模块和多功能复用模块。该多功能力矩加载控制器编程灵活方便，通用性高，充分考虑到了不同反馈元件和执行元件的差异，预留有丰富的输入输出接口，兼容频率信号、电压信号、电流信号、总线信号等信号类型传感器以及不同类型电机驱动器。本发明专利不仅能够为电动负载模拟器提供高效且低成本的加载控制器，并且可以应用在其它机电控制场合，实现各种电机的位置、转速和力矩控制。
文档编号G05D27/02GK102707752SQ20121021915
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者张瑞, 王强, 王志胜, 胡洲 申请人:南京航空航天大学