模拟舵机

2024-09-30

模拟舵机（精选3篇）

模拟舵机篇1

0 引言

无人机飞行控制仿真主要包括数字仿真和半物理仿真。半物理仿真将系统部分实物引入仿真回路,尽可能真实模拟现场情况,比数字仿真更能有效验证飞行控制系统的可靠性,尤其在其在初期试飞调参以及后期控制策略改进阶段应用广泛[1]。

做无人机的半物理仿真时,需要使用真实舵机,而舵机价格比较昂贵,且多次实验时存在损坏的风险,无形中增加了实验成本。本文根据舵机在飞行控制系统中的作用及特点,基于VC++设计模拟舵机;该模拟舵机由综合记录计算机和若干板卡构成,运行于综合记录计算机中;代替实现真实舵机的功能,节约了实验成本。

1 模拟舵机硬件设计

模拟舵机系统,首先要能模拟舵机在半物理仿真中的功能;其次要不影响半物理仿真接入真实舵机。这个是通过PCLD-785B(继电器输出板)来选择的,当DO不输出任何值时,Ci和NCi是导通的,当DO输出时,Ci和NOi导通(i=0,1,2,…,9)。

系统硬件设计如图1所示,为了简洁,省去PCL-880接线板。

图1中的PCLD-782B是光电隔离板,为了隔离PCLD-785B带来的噪声和提高电压(飞控盒输出电压是3.3 V,提高到TTL电平)。而PCL-836(频率采集卡)和PCL-726(D/A输出卡),PCL-812(A/D采集卡)和位于综合记录计算机内,在VC++中的操作方法[2,3,4]如图2所示。

2 舵机函数关系的输入

为了仿真多种舵机的需要,舵机函数关系应该可调;同时系统要满足自动获取接在图1仿真舵机上舵机的舵机函数。系统用PCL-836发出PWM波,PCL-726采集反馈电压。程序界面如图3所示。

图中k,b为V=kT+b中的系数,V代表反馈电压,T代表脉宽(单位:ms)。

3 模拟舵机软件设计

3.1 PWM波采集方法

对PWM的采集是程序的难点,这里使用PCL-836的事件计数功能来实现对PWM的测量。PCL-836共有6路计数器,其中CLK5用来产生时钟信号。在PWM的下降沿时去读计数器的值,然后根据时钟的频率算出PWM高电平的时间。检测PWM下降沿的常见的方法是使用中断和查询。在PWM每次下降沿时触发中断,在中断程序里去读计数器的值。但是PCL-836只支持一个外接中断,并且是上升沿触发中断,而整个仿真需要4个舵机,在目前的硬件条件下并不能直接实现,需要一定的辅助电路,如非门等。其次用查询的方法,用一个线程来读DI,在下降沿时去读计数器的值。但这样CPU的占用很高,影响系统的整体性能。所以不使用查询和中断的方法。为了能够检测PWM下降沿,并考虑现实性,决定用1 ms定时器来实现。如果上次读到高定平,而这次读到低电平,就认为是下降沿。虽然有不定的延迟,但是延迟小于1 ms,同时可以得到正确的值,而且系统占用要远远低于查询方法。

3.2 使用多媒体定时器采集PWM波

微软提供了精确定时器的底层API, 支持能够提供高精度的定时器服务,利用多媒体定时器可以精确地读出系统的当前时间,并在很精确的时间间隔内处理事件, 可以到1 ms的精度[5,6]。多媒体定时器的回调函数的程序流程图如图4所示。

用多媒体定时器采集PWM的方法带来的不定延迟,加上Windows系统的实时性差带来的延迟,使得模拟舵机系统实时性变差。但是飞控盒发出的PWM波几乎是同时发出,即上升沿在时间上是一致的。所以可以用中断加查询的方法来检测,用一路PWM做中断源,每次中断的时候去查询,最终检测到下降沿。

3.3 中断加查询采集PWM波

PCL-836支持一路外部中断,上升沿触发。首先使用DRV_EnableEvent函数使能中断,开始中断线程,在中断线程里用DRV_CheckEvent函数检测中断。中断线程流程图如图5所示。

使用中断加查询的方法采集PWM,实时性比较好,系统占用高于定时器方法,但是低于查询方法。

4 仿真分析

在半物理仿真系统中连入该模拟舵机,系统模拟副翼、升降舵、油门三个舵机。使用该系统采集飞控盒发出的PWM,并反馈电压给模型机。经仿真采集到各舵机的PWM曲线如图6～图8,可知该系统实现具有实时性好,可模拟多种舵机的特点。

5 结语

本文基于VC++设计的模拟舵机系统,实现了无人机飞行控制半物理仿真中真实舵机的功能,一定程度上降低了实验成本。该系统功能全面,设计灵活,可实现多种类型舵机,是一种行之有效的仿真方法。

摘要：在无人机半物理仿真实验中,为了节约实验成本,提出用模拟舵机系统代替真实舵机的方法。基于VC++设计了模拟舵机系统。在半物理仿真系统中连入模拟舵机,并用该系统模拟副翼、升降舵、油门的舵机。通过实验验证了该模拟舵机系统的有效性。实验结果表明,该模拟舵机系统具有实时性好,可模拟多种舵机的特点。

关键词：模拟舵机,多媒体定时器,PCL-836,PCL-812,PCL-726

参考文献

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[3]姚晔,胡益雄.PCL-812PG数据采集卡在VC++6.0应用工程中的使用[J].计算机应用研究,2002(2):118-120.

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[8]王小平,董新民,林秦颖,等.某型飞机电传操纵系统四余度电液舵机模拟器设计[J].机床与液压,2009(4):97-99.

[9]牛振,何卫国,朱剑波.基于LabVIEW的数字舵机电路性能测试系统[J].航空兵器,2010(4):43-45.

[10]张杰,张福斌,徐德民.基于VxWorks的AUV数字电动舵机控制器设计[J].微电机,2010(4):27-29.

模拟舵机篇2

#include sbit a=P0^0;#define uchar unsigned char #define uint unsigned int void delay(uint z){ uint x,y;for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);}

void delayus2x(unsigned char t){

while(--t);} void delay750us(){ delayus2x(245);delayus2x(122);} void delay1500us(){

delayus2x(245);

delayus2x(245);} void delay2300us(){

delayus2x(245);

delayus2x(147);

} void main()

//a=~a和delay顺序不能反 { while(1){

uint i=50;while(--i)

//中

{

a=1;

delay1500us();

a=0;

delay(20);

}

i=50;

while(--i)

{

a=1;

delay2300us();

a=0;

delay(20);

}

i=50;

while(--i)

{

a=1;

delay750us();

a=0;

delay(20);

}

//左

恒高拖靶舵机系统的设计篇3

随着科技的进步和行业需求的扩大, 空中无人飞行器事业发展迅猛, 不同种类、不同用途的无人飞行器大量涌现。这些无人飞行器都不可避免地要完成对舵翼面的控制, 需要设计合适的驱动系统。

驱动系统问题的解决方案通常不是一件容易的工作, 甚至对一个有经验的研发工程师来讲也是如此。基本的驱动机构 (丝杆、齿轮箱、传动带等等) 可以通过总体设计来详细说明, 但是, 诸如丝杆导程、齿轮箱减速比等等最佳参数的选择在很大程度上由所使用的电机和电机减速箱组合来确定。系统动态响应、控制品质和精度 (例如定位精度) 与驱动系统中所有的元部件相互影响[1,2]。

某型拖曳式硬体空中靶标自身不带动力装置, 由拖曳母机通过拖缆拖曳其飞行, 位于拖靶靶体中部两侧装有一副共轴对称水平翼面, 现要求设计一套传动系统, 通过控制该水平翼面的偏转控制其飞行高度。

具体使用性能指标为:水平翼面的最大转矩为0.92 kg·m, 转角范围为-7°~+3°, 转角误差为±0.3°, 最大转速为6°/s, 能断电自锁。为此, 本研究设计由直流电机及传动机构构成的舵机系统, 以及由L292为功放的舵机驱动电路, 操纵舵翼面, 实现对拖靶的高度控制。

1 机械传动设计

考虑到靶体内部空间狭窄, 所要求的舵翼面转动精度较高, 设计的拖靶机械传动结构如图1所示。

该结构直接在转动轴上跨装电机支撑架, 通过组合式螺杆驱动系统带动与转轴固连的摇臂从而使舵面转动。具体工作原理为:直流电机经减速箱通过螺旋滑动丝杠带动滑动块运动, 滑动块通过转轴带动摇臂转动, 摇臂和舵翼都固联在转动轴上, 它们一起绕转动轴转动, 达到操纵舵翼面实现高度控制的目的。在运动过程中, 摇臂还带动翼角反馈电位器实现对舵翼位置的测量和控制。

为了减小对直流电机的功率要求, 在操纵舵翼运动过程中, 设计时尽可能使螺旋滑动丝杠的轴线与转动轴和滑动块轴心连线保持接近90°的角度。设计舵翼转动轴线到滑动块转轴中心的距离为38 mm, 到翼角反馈电位器伸缩端的距离为103 mm (见图1中的剖面截图) 。

根据舵翼行程 (-7°~+3°) 的技术要求, 可以算出滑动块运动的最大行程约为:

翼角反馈电位器最大有效伸缩行程约为:

根据舵翼面的最大转速为6°/s, 可以算出滑动块的最大运动速度约为:

2 部件的选型及验算

2.1 滑动螺旋丝杠主要参数设计及选型

由前面机械传动设计可知:舵翼转动轴线到滑动块转轴中心的距离为38 mm, 则要求丝杠输出轴向力[3]为:

丝杠有效行程Lr=6.6 mm, 综合考虑传动效率和传动精度及螺纹的当量摩擦系数, 反行程的自锁性等因素, 确定选用牙形半角β=15°、公称直径d=10 mm、导程p=2 mm的梯形螺纹滑动螺旋丝杠。

螺母长度可由式H=Ψd2求得, 其中对于整体式螺母可取Ψ=1.5~2.5, 外螺纹中径d2=d-p/2=9 mm, 取Ψ=1.5, 则螺母长度H=1.5×9=13.5 mm, 螺纹长度L≥H+Lr=13.5+6.6=20.1 mm, 取L=60 mm, 此时L/d1=60/8=7.5<10~15, 保证了螺杆的刚度, 不用进行稳定性验算。

螺纹升角λ=arctg (p/πd2) =arctg (2/9π) =4.047°, 设螺杆材料为45号钢, 螺母材料为Cu Sn12, 则摩擦系数f=0.08~0.10, 取f=0.08, 则当量摩擦角ρ=arctg (f/cosβ) =arctg (0.08/cos15) =4.734°, 显然λ<ρ, 满足机构自锁条件。

丝杆上的最大转矩为:

据此选择瑞士maxon motor公司[4]生产的组合式螺杆驱动系统GP32S, 其参数指标为:梯形丝杠, 公称直径10 mm, 导程2 mm, 不锈纲材质, 螺纹机械自锁, 最大效率可达47%, 螺母材质为Cu Sn12, 轴向间隙小于0.008 mm, 采用行星轮直齿齿轮箱, 有多种减速比可选, 推荐输入速度小于8 000 r·min-1, 最大轴向负载2 700 N。在此基础上, 笔者选用合适的齿轮减速箱减速比和直流电机组合, 以满足使用要求。

2.2 齿轮减速箱和直流电机的选型

根据技术条件, 舵翼面的最大负载转速ωLP=6°/s, 折算到丝杠上的负载转速为:

减速箱的推荐输入转速为小于8 000 r·min-1, 因此最大允许的减速比为:

减速箱的减速比应比67∶1小一些, 参考Maxon Motor公司提供的减速箱资料[5], 因此笔者选择减速比为51∶1的三级传动减速箱, 最高效率70%。

计算折算到电机轴上的转速和转矩为:

舵翼最大负载转矩TLP=0.92 kg·m, 最大负载转速ωLP=6°/s≈0.105 rad/s, 考虑电机在峰值转矩下以最高转速连续驱动负载, 则电机功率可按下式估算:

式中:PM—电机功率, k W;TLP—负载峰值转矩, N·m;ωLP—负载最高角速度, rad/s;η—传动效率。

其中, 1.5~2.5系数为经验数据, 考虑了可能的负载转矩的遗漏及电机转子和传动装置的功率消耗。

对小功率系统取系数为2, 设传动效率η=0.9×0.7×0.47=0.296 1, 则:

为了保持足够的功率余量, 本研究选择A-max2611 W系列的电机产品, 具体型号可依据公司所提供的该系列电机绕组样本数据表选择。

经查电机样本数据表, A-max26 11 W系列电机的速度-转矩曲线的平均斜率为120 r/min/m Nm, 则空载转速为:

由于拖靶上所使用的直流电源是由23节镉镍蓄电池单体串联而成, 故其额定电压为:

因此, 所需的电机速度常数为:

与电机样本数据表中现有的电机速度常数相比较, 考虑到拖靶的舵翼面实际工作情况并非是连续工作在最大力矩情况下, 这里可以选择最接近的电机速度常数, 因此最佳地满足要求的电机的订货号为No.110964, 其电机速度常数为kn=238 r/min/V, 额定电压为30 V。

在工作点上的电流消耗为:

其中, 0.455 A为电机连续工作情况下的正常消耗电流, 即在此工作点上电机可以连续工作而不会失效。

2.3 验算

依据电机订货号为No.110964的样本数据表可知其在额定电压30 V下的空载转速为7 020 r·min-1, 据此可算出其在27.6 V的工作电压下空载转速为:

换算为舵翼面转速为:

同理, 依据数据表中在额定电压30 V下的负载转速4 910 r·min-1, 可以算出在27.6 V的工作电压下舵翼面负载转速为4.27°/s。由于拖靶全靶用电负载较轻, 另外舵翼面大部分时间工作在额定负载以下, 实际工作中其舵翼面转速会比上述计算值高, 满足舵翼面响应速度要求。

为了验证舵翼面的转矩是否满足使用性能指标要求, 本研究将重量为0.923 kg长度为1.10 m的均匀铝型材一端固定在舵翼上并垂直于舵翼转轴, 另一端加挂重量为0.5 kg的配重块, 则加载的总力矩为0.923×1.10/2+0.5×1.10=1.057 65 kg·m, 电机通电工作, 舵机执行机构转动正常, 说明舵翼面转矩满足大于0.92 kg·m的转矩要求。

3 舵回路设计

为了精确实现传动系统的要求, 本研究设计了由电流环和位置环组成的双闭环控制结构的舵回路[6,7]。电流环作为内环, 用于抑制转矩和电流的波动, 减小功放死区, 提高线性度;位置环是舵回路的主回路, 目的是保证较好的位置控制精度。舵回路结构框图如图2所示。

PWM功放[8]采用直流电机驱动器专用集成电路L292模块[9], 与线性功放相比, PWM功放具有功耗低、效率高、工作稳定可靠等优点, 尤其是它的动力润滑作用, 对减小舵机死区, 改善静态精度和低速爬行非常有利。L292模块的驱动能力可达2 A/36 V, 集成度高, 开关频率可外部设定, 片内设有过载保护和欠压保护等功能, 完全满足舵机的功率要求。

位置反馈是舵回路的主反馈, 舵面的定位精度主要取决于位置传感器的精度[10]。由第1部分可知, 翼角反馈电位器的最长伸缩行程为Lf≈18 mm, 这里选用了型号为KPM-25 mm微型绞接直线位移传感器作为位置反馈传感器, 其电气行程达25 mm, 标准阻值为1 kΩ, 线性精度为±0.01%, 完全可满足转角精度±0.3°的使用要求。

标准电阻是小功率系统中常用的一种电流传感器, 因其简单可靠、阻值稳定、精度高、频响好、输出标准电压值直接比例于所流过的电流, 因此在PWM系统中得到了广泛应用。这里的舵回路采用标准取样电阻作为电流传感器, 在H型桥臂下端各串入一个0.2Ω/3 W的标准电阻进行电流取样。

需要注意的是, 在利用PWM控制直流电机运动时, 一定要做好PWM信号对L292供电电源品质的反向干扰滤波, 否则会影响到共用电源的其他模拟器件的正常工作。

4 结束语

恒高拖靶舵机系统的设计除了需要对传动机构进行精心设计外, 还需要对减速箱和电机的各项参数进行精确计算和正确选型, 并设计好相应的驱动电路。

本研究所设计的拖靶舵机系统结构紧凑、传动简单、舵面转动误差小、电机及减速箱选型科学合理、理论计算和实际测试满足自锁要求, 经装配测试和实际使用获得了非常满意的效果, 其舵翼面力矩、转角范围、转角误差、转速等主要性能指标完全满足实际使用要求。

参考文献

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