基于vxworks的auv數字電動舵機控制器設計
張杰1，張福斌2，徐德民1，2
（1西北工業大學航海學院，西安710072；2．水下信息處理與控制******重點實驗室，西安710072）
摘要：提出了一種基于vxworks實時操作系統和at91rm9200的自主水下航行器電動舵機控制器的設計，給出了整體框架、硬件電路圖和軟件模塊設計。采用高精度傳感器，模糊pid算法以及雙閉環反饋控制，該系統在測試中各項指標參數均達到預期效果，運行穩定可靠。
關鍵詞：自主水下航行器；電動舵機；vxworks；arm; at91rm9200
中圖分類號：tp275 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848[2010)04-0027-03
0引 言
舵機作為執行機構，是自主水下航行器( auv)申不可缺少的關鍵組成部分，其性能指標的優劣直接影響水下航行器的制導精度。與氣動舵機、液壓舵機相比較，電動舵機具有結構簡單、性能可靠、維護方便、控制簡單等優點，故在水下航行器中得到廣泛的應用1。隨著水下航行器技術的不斷發展，對舵機的性能要求越來越高，并且由于嵌入式計算機在控制系統中的應用，因此用數字式舵機控制器取代模擬舵機控制器勢在必行。數字舵機控制器運用合適的控制算法會使舵機達到更快的響應速度和控制精度。本文將介紹一種由arm微處理器和vxworks實時操作系統作為控制核心的水下航行器數字電動舵機控制器。
1總體設計
該數字舵機控制器的基本原理是：自動駕駛儀通過can總線將操舵信號以數字形式發送給舵機控制器并監控舵機的位置狀態，舵機控制器對舵機的位置進行采樣并與操舵信號比較以合適的控制算法進行處理，輸出pwm信號控制電機，從而組成閉環實現對舵機的控制。其總體框圖如圖1所示。
2硬件設計
舵機控制系統的硬件主要由嵌入式處理器、信號采集電路、pwm嚴生與調速電路、舵角偏差處理電路、光電隔離電路、功率驅動電路、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，內嵌arm920t核，帶有全性能的mmu及外部總線接口( ebi)，外圍電路包括時鐘電路、復位電路、8mb norflash、32 mb sdram、以太網接口、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位獨立2通道并行dac芯片mx7847，它們均通過外部總線( ebi)與cpu連接。
由74hc138譯碼器產生片選信號，用74hc244和74alvc164245實現arm和a/d、d/a之間數據信號緩沖和電平轉換。
2.3 can總線通信電路
采用spi接口can控制器芯片mcp2515，通過標準的spi接口與at91rm9200進行通信。該器件包含三個發送緩沖器和兩個接收緩沖器，數據傳輸速率高達1 mb/s，并且支持can v2. ob技術規范。can收發器選擇pca82c250，其通過ad-um5241芯片與mcp2515連接以實現信號隔離。
2.4舵機位置閉環反饋電路
用雙運算放大器組成兩個反向放大器，對輸入信號和反饋電壓的偏差進行計算，輸出電壓對將pwm波形進行調制。其電路如圖2所示。
2.5 pwm渡形產生及電機速度控制電路
該系統利用uc3637產生的雙極性pwm信號構成雙向的直流電機調速系統。
其主要功能是：產生三角波信號，與輸入控制信號和反饋信號的偏差進行疊加，通過內置的兩個比較器產生pwm信號控制電機的轉速。產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和反饋信號的 |
