一种基于arm控制器的电动伺服机构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于ARM控制器的电动伺服机构，包括控制模块、驱动模块和电动舵机；控制模块包括ARM控制器、第一信号预处理电路、第二信号预处理电路、第三信号预处理电路和逻辑电路；第一信号预处理电路的输入端连接舵控制信号，第二信号预处理电路的输入端连接至电动舵机的反馈端；第三信号预处理电路的输入端连接至驱动模块的反馈端；第一信号预处理电路的输出端、第二信号预处理电路的输出端和第三信号预处理电路的输出端均与ARM控制器的输入端连接；逻辑电路的输入端连接至ARM控制器的输出端；驱动模块的输入端连接至逻辑电路的输出端；电动舵机的输入端连接至驱动模块的输出端。本实用新型具有集成度高、控制方法灵活、运行速度快的显著特点。
【专利说明】—种基于ARM控制器的电动伺服机构
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电机控制机构领域，具体涉及一种基于ARM控制器的电动伺服机构。
【背景技术】
[0002]电动伺服机构是一种伺服控制系统，它将舵控制信号和舵反馈信号进行综合、放大，驱动电机带动传动机构运转，让舵跟随舵控信号偏摆。
[0003]公开的电动伺服机构类型有模拟控制型、DSP数字控制型、单片机数字控制型、FPGA可编程逻辑控制型，控制的电机有:有刷直流电机、无刷直流电机、交流同步电机。在控制器中，模拟控制型和DSP控制型应用较多，但模拟控制型因调试困难，难以适应伺服机构发展的需要；DSP型因功能强大，使用中性能富裕过大，且价格较高；单片机因性能受限，其应用得到一定限制；FPGA可编程逻辑控制型因实现复杂，普及应用受到限制。
实用新型内容
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于ARM控制器的电动伺服机构，其目的在于提高控制芯片的利用效率，以简化伺服机构结构，降低成本。
[0005]本实用新型提供的一种基于ARM控制器的电动伺服机构包括控制模块、驱动模块和电动舵机；所述控制模块包括=ARM控制器、第一信号预处理电路、第二信号预处理电路、第三信号预处理电路和逻辑电路；所述第一信号预处理电路的输入端用于连接舵控制信号，所述第二信号预处理电路的输入端连接至所述电动舵机的反馈端；所述第三信号预处理电路的输入端连接至所述驱动模块的反馈端；所述第一信号预处理电路的输出端、所述第二信号预处理电路的输出端和所述第三信号预处理电路的输出端均与所述ARM控制器的输入端连接；所述逻辑电路的输入端连接至所述ARM控制器的输出端；所述驱动模块的输入端连接至所述逻辑电路的输出端；所述电动舵机的输入端连接至所述驱动模块的输出端。
[0006]更进一步地，还包括分别与所述控制模块和驱动模块连接且用于提供工作电压的电源管理电路。
[0007]更进一步地，所述电源管理电路包括:依次连接的电源、D⑶C变换器和低压差稳压器；所述DCDC变换器具有两个输出端,一个用于输出+-15V电压,另一个用于输出+5V电压；所述低压差稳压器的输出端用于输出+3.3V电压。
[0008]更进一步地，所述电源管理电路与所述控制模块集成于一体。
[0009]更进一步地，所述逻辑电路包括:时钟电路、可编程逻辑器件和缓冲驱动芯片；所述可编程逻辑器件的时钟信号端连接所述时钟电路，所述可编程逻辑器件的电源端用于连接+3.3V电压，所述可编程逻辑器件的输入端用于连接所述ARM控制器的输出端；所述缓冲驱动芯片的输入端连接至所述可编程逻辑器件的输出端，所述缓冲驱动芯片的输出端用于连接所述驱动模块。[0010]更进一步地，所述驱动模块包括:光电隔离电路、电机驱动模块和电流传感器；所述光电隔离电路的输入端连接至所述逻辑电路的输出端，所述电机驱动模块的输入端连接至所述光电隔离电路的输出端，所述电机驱动模块的电源端用于连接+-15V电压，所述电机驱动模块的输出端用于连接所述电动舵机；所述电流传感器的输入端连接至所述电机驱动模块的输出端，所述电流传感器的输出端连接至所述第三信号预处理电路的输入端；所述电流传感器的电源端用于连接+5V电压。
[0011]更进一步地，所述电动舵机包括:角度传感器以及依次连接的电动机、传动机构、和输出轴；所述电动机的输入端用于连接至所述驱动模块的输出端，所述输出轴的输出端用于连接舵面；所述角度传感器的输入端与所述输出轴连接，所述角度传感器的输出端用于连接至所述第二信号预处理电路的输入端。
[0012]更进一步地，所述电动机为直流有刷电机或直流无刷电机。
[0013]本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构具有集成度高、控制方法灵活、运行速度快的显著特点，ARM控制器是当今发展最为迅速的控制器，其选用和适应范围宽广，价廉物美，根据需要可选用不同性能的ARM控制器；可编程控制逻辑编程算法灵活，通过改变可编程控制逻辑算法，基于ARM的控制器经过功率驱动模块可分别控制有刷直流电机或无刷直流电机运行，由传动机构带动舵面偏转，通过角度传感器将角偏信号反馈至ARM控制器，形成不同的闭环伺服机构，应用于各种伺服系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构的模块结构示意图；
[0015]图2为本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构中电源管理电路的内部模块结构示意图；
[0016]图3为本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构中逻辑电路的内部模块结构示意图；
[0017]图4为本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构中驱动模块的内部模块结构示意图；
[0018]图5为本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构中电动舵机的内部模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0020]本实用新型公开了一种基于ARM控制器的电动伺服机构，包括控制模块1、驱动模块2和电动舵机3 ;控制模块I包括ARM控制器11、第一信号预处理电路12、第二信号预处理电路13、第三信号预处理电路14和逻辑电路15 ;其中ARM控制器分别通过第一信号预处理电路12、第二信号预处理电路13、第三信号预处理电路14将采集的舵控制信号、舵反馈信号和电机电流信号进行处理后输出舵驱动信号，经驱动模块控制电机带动电动舵机转动，角度传感器反馈输出轴(舵面)偏转角度，控制输出轴(舵面)偏转到预定的角度，从而使舵面按舵控制信号的要求转动。本实用新型采用ARM数字伺服控制，将所有伺服机构控制方法集成在控制器中完成，具有集成度高、控制方法灵活的显著特点，基于ARM控制器的电动伺服机构控制器体积小、重量轻、伺服机构适应面广。
[0021 ] 如图1所示，基于ARM控制器的电动伺服机构，包括控制模块1、驱动模块2和电动舵机3 ;控制模块I包括ARM控制器11、第一信号预处理电路12、第二信号预处理电路13、第三信号预处理电路14和逻辑电路15 ;第一信号预处理电路12的输入端用于连接舵控制信号，第二信号预处理电路13的输入端连接至所述电动舵机3的反馈端；所述第三信号预处理电路14的输入端连接至所述驱动模块2的反馈端；第一信号预处理电路12的输出端、所述第二信号预处理电路13的输出端和所述第三信号预处理电路14的输出端均与所述ARM控制器11的输入端连接；逻辑电路15的输入端连接至所述ARM控制器11的输出端；所述驱动模块2的输入端连接至所述逻辑电路15的输出端；电动舵机3的输入端连接至所述驱动模块2的输出端。
[0022]在本实用新型中，在ARM控制器的控制下，采集控制信号、舵反馈信号、电流信号的输入值，经过信号预处理电路进行滤波降噪后由ARM控制器对其进行处理并输出驱动信号，经缓冲驱动、光耦、功率驱动，带动电动舵机运转。当基于ARM的电动伺服机构有控制信号输入后，将控制信号、舵反馈信号和电流信号输入控制器，经ARM控制器对其进行处理后输出驱动信号，通过H桥或三相桥驱动电路驱动电机按照要求的方向和速度转动，经传动机构带动输出轴转动。与输出轴同轴安装的角度传感器，反馈偏转角位置信息至控制器，形成系统的闭环控制，实现角度的可控偏转。
[0023]本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构具有集成度高、控制方法灵活、运行速度加快的显著特点，通过可编程控制逻辑的控制，基于ARM的控制器通过功率驱动模块可分别控制有刷直流电机和无刷直流电机，由传动机构带动舵面偏转。
[0024]当前ARM控制器发展迅速，种类繁多，本实用新型提供的电动伺服机构中可以适用于不同功能要求的ARM控制器。
[0025]在本实用新型中，基于ARM控制器的电动伺服机构还包括分别与控制模块I和驱动模块2连接且用于提供工作电压的电源管理电路4。
[0026]其中，如图2所示，电源管理电路4包括:依次连接的电源41、D⑶C变换器42和低压差稳压器43 ;DCTC变换器42具有两个输出端，一个用于输出+-15V电压,另一个用于输出+5V电压；低压差稳压器43的输出端用于输出+3.3V电压。
[0027]作为本实用新型的一个优选实施例，包含ARM控制器、电源管理电路、信号预处理电路、可编程逻辑电路等可以集成在控制板上，驱动部分包含光电隔离电路，集成驱动模块；而电动舵机为一独立的整体。控制板和驱动板可以通过电连接器相连，电动舵机可以通过电缆与驱动板相连。
[0028]如图3所示，逻辑电路15包括:时钟电路151、可编程逻辑器件152和缓冲驱动芯片153 ;其中可编程逻辑器件152的时钟信号端连接时钟电路151，可编程逻辑器件152的电源端用于连接+3.3V电压，可编程逻辑器件152的输入端用于连接ARM控制器11的输出端；缓冲驱动芯片153的输入端连接至可编程逻辑器件152的输出端，缓冲驱动芯片153的输出端用于连接驱动模块2。[0029]如图4所示，驱动模块2包括:光电隔离电路21、电机驱动模块22和电流传感器23 ;光电隔离电路21的输入端连接至逻辑电路15的输出端，电机驱动模块22的输入端连接至光电隔离电路21的输出端，电机驱动模块22的电源端用于连接+-15V电压，电机驱动模块22的输出端用于连接电动舵机3 ;电流传感器23的输入端连接至电机驱动模块22的输出端，电流传感器23的输出端连接至第三信号预处理电路14的输入端；电流传感器23的电源端用于连接+5V电压。
[0030]如图5所示，电动舵机3包括:角度传感器34以及依次连接的电动机31、传动机构32、和输出轴33 ;电动机31的输入端用于连接至驱动模块2的输出端，输出轴33的输出端用于连接舵面；角度传感器34的输入端与输出轴33连接，角度传感器34的输出端用于连接至第二信号预处理电路13的输入端。
[0031]在本实用新型中，电动机31可以为直流有刷电机，也可以为直流无刷电机。
[0032]为了更进一步的说明本实用新型提供的基于ARM控制器的电动伺服机构，现结合具体实例详述如下:
[0033]ARM控制器11可以采用型号为STM32F103ZET6的芯片；第一信号预处理电路
12、第二信号预处理电路13、第三信号预处理电路14可以采用运算放大器0PA364构成的运算电路，偏置基准电路由电位计及运算放大器0PA335组成；时钟电路151选用12MHz晶体谐振器及相关电路组成，CPLD逻辑电路152可以选用EMP240T100I芯片，缓冲驱动电路选用SN74LVC245A芯片。光电隔离电路21由光电耦合器HCPL_3120#300及相关电路组成；电机驱动模块22可以采用IGBT模块FS200R06KL4 ；电流传感器23可以采用ACS754LCB-100-PFF。电机31可以采用有刷电机J40SY120B或无刷电机J40ZWX01 ;传动机构32可以采用谐波齿轮传动机构或齿轮+滚珠丝杠传动机构；输出轴33自制；角度传感器34可以采用WHS (H) 22-1。电源41可以选用普通+28V电源；± 15V+5VDC / DC模块42可以选用LSA281?和LHF2805S(F);低压差稳压器43可以选用TPS73HD318PWP芯片。
[0034]在本实用新型中，基于ARM控制器的电动伺服机构包括控制部分、驱动部分和舵机部分；其中控制部分包含ARM控制器、电源管理电路、信号预处理电路、CPLD可编程逻辑电路、缓冲驱动电路、电源转换电路；驱动部分包括功率驱动光电耦合器和H桥或三相桥驱动电路；舵机部分包括电机、传动机构、输出轴、角度传感器。
[0035]控制部分的控制信号由上位机输入，经信号预处理电路，然后送ARM白带A / D转换器，同时舵反馈信号、电流信号经信号处理后送A / D转换器，在ARM的控制下A / D转换器将三路模拟信号转换为数字信号，并分别传入ARM进行数字滤波和舵控制信号进行处理，处理后的舵控信号经脉宽调制器PWM输出，同时输出的还有控制方向信号。
[0036]其中电源管理电路通过DC / DC变换器，将输入电源变换为+5V、±15V，供系统数字电路、模拟电路、功率电路部分使用，另外，通过低压差稳压器LDO将+5V变换为+3.3V供ARM控制器、数字电路、信号处理器电路使用。
[0037]可编程逻辑电路中包括时钟电路、缓冲驱动电路，CPLD逻辑电路接收ARM控制器输出的方向信号、PWM信号和直流无刷电机输出的三路霍尔信号，处理出控制直流无刷电机或控制直流有刷电机的控制信号，经74LVC4245A芯片缓冲后驱动隔离光耦。
[0038]输入信号(含控制输入信号、舵反馈信号、电机电流信号)经过信号预处理电路滤波和信号变换后，转换为ARM控制器扩展的A / D转换器允许的量程范围，共A / D转换器采集。霍尔信号变换电路将直流无刷电机输出的霍尔信号转换为CPLD可编程逻辑兼容的信号电平。
[0039]光电隔离驱动电路，电机功率驱动电路和驱动部分所用DC / DC电源变换电路。光电隔离驱动电路接收控制部分的电机运行控制信号，输出驱动电机功率驱动模块的驱动信号，其主要电路是光电耦合器。电机功率驱动模块用于驱动直流有刷电机或直流无刷电机，经传动机构后带动舵面偏转。DC / DC电源变换电路提供4路15V电源，用于三相桥电路使用，提供一路5V电源供电流传感器使用。
[0040]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于ARM控制器的电动伺服机构，其特征在于，包括控制模块(I)、驱动模块(2)和电动舵机⑶；所述控制模块(I)包括:ARM控制器(11)、第一信号预处理电路(12)、第二信号预处理电路(13)、第三信号预处理电路(14)和逻辑电路(15)； 所述第一信号预处理电路(12)的输入端用于连接舵控制信号，所述第二信号预处理电路(13)的输入端连接至所述电动舵机(3)的反馈端；所述第三信号预处理电路(14)的输入端连接至所述驱动模块(2)的反馈端； 所述第一信号预处理电路(12)的输出端、所述第二信号预处理电路(13)的输出端和所述第三信号预处理电路(14)的输出端均与所述ARM控制器(11)的输入端连接； 所述逻辑电路(15)的输入端连接至所述ARM控制器(11)的输出端； 所述驱动模块(2)的输入端连接至所述逻辑电路(15)的输出端； 所述电动舵机(3)的输入端连接至所述驱动模块(2)的输出端。
2.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，还包括分别与所述控制模块(I)和驱动模块(2)连接且用于提供工作电压的电源管理电路(4)。
3.如权利要求2所述的电动伺服机构，其特征在于，所述电源管理电路(4)包括:依次连接的电源(41)、DCDC变换器(42)和低压差稳压器(43);所述DCDC变换器(42)具有两个输出端，一个用于输出+-15V电压,另一个用于输出+5V电压；所述低压差稳压器(43)的输出端用于输出+3.3V电压。
4.如权利要求2或 3所述的电动伺服机构，其特征在于，所述电源管理电路(4)与所述控制模块(I)集成于一体。
5.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述逻辑电路(15)包括:时钟电路(151)、可编程逻辑器件(152)和缓冲驱动芯片(153)； 所述可编程逻辑器件(152)的时钟信号端连接所述时钟电路(151)，所述可编程逻辑器件(152)的电源端用于连接+3.3V电压，所述可编程逻辑器件(152)的输入端用于连接所述ARM控制器(11)的输出端； 所述缓冲驱动芯片(153)的输入端连接至所述可编程逻辑器件(152)的输出端，所述缓冲驱动芯片(153)的输出端用于连接所述驱动模块(2)。
6.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述驱动模块(2)包括:光电隔离电路(21)、电机驱动模块(22)和电流传感器(23)； 所述光电隔离电路(21)的输入端连接至所述逻辑电路(15)的输出端，所述电机驱动模块(22)的输入端连接至所述光电隔离电路(21)的输出端，所述电机驱动模块(22)的电源端用于连接+-15V电压，所述电机驱动模块(22)的输出端用于连接所述电动舵机(3)； 所述电流传感器(23)的输入端连接至所述电机驱动模块(22)的输出端，所述电流传感器(23)的输出端连接至所述第三信号预处理电路(14)的输入端；所述电流传感器(23)的电源端用于连接+5V电压。
7.如权利要求1所述的电动伺服机构，其特征在于，所述电动舵机(3)包括:角度传感器(34)以及依次连接的电动机(31)、传动机构(32)、和输出轴(33);所述电动机(31)的输入端用于连接至所述驱动模块(2)的输出端，所述输出轴(33)的输出端用于连接舵面； 所述角度传感器(34)的输入端与所述输出轴(33)连接，所述角度传感器(34)的输出端用于连接至所述第二信号预处理电路(13)的输入端。
8.如权利要求7所述的电动伺服机构，其特征 在于，所述电动机(31)为直流有刷电机或直流无刷电机。
【文档编号】G05B19/042GK203588023SQ201320764758
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】汪涛, 朱艳芳, 冯小强, 王永辉 申请人:湖北三江航天红峰控制有限公司