王 恒,白玉新,張?zhí)扃?,?達(dá),秦二衛(wèi)
(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076)
基于高速同步485總線通信的多通道伺服控制器設(shè)計(jì)
王 恒,白玉新,張?zhí)扃?,?達(dá),秦二衛(wèi)
(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所,北京 100076)
文章介紹了一種四通道數(shù)字伺服控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案;針對(duì)研制任務(wù)中高通信波特率和多路控制的要求,設(shè)計(jì)了以XC164為主控制芯片,基于JS71175型485協(xié)議處理器的高速同步485總線通信的多通道伺服控制器,該控制器在提高了同步485通信速率的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)四路伺服機(jī)構(gòu)的控制、伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作的鎖定及解除鎖定,具有體積小、功率大、集成度高特點(diǎn);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在保證通信穩(wěn)定的前提下,通信波特率可達(dá)2 Mbit/s ,總功率可達(dá)1 600 W,滿足任務(wù)要求。
485協(xié)議處理器;高速;同步485總線;多通道;控制器
伺服機(jī)構(gòu)作為伺服控制系統(tǒng)中的不可缺少的關(guān)鍵部分,是伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),伺服機(jī)構(gòu)的性能直接影響伺服控制系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能和精度。一般根據(jù)動(dòng)力源的不同,常用的伺服控制系統(tǒng)可分為氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)3種,與氣動(dòng)和液動(dòng)相比,電動(dòng)具有能源需求單一,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造及維修方便,且易于實(shí)現(xiàn)多余度控制,可靠性高[1-2]等特點(diǎn),因而在軍用和其他先進(jìn)民用的產(chǎn)品中得到越來越廣泛的應(yīng)用[3-4]。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然發(fā)展的比較成熟了,但模擬控制器一旦設(shè)計(jì)完成,參數(shù)調(diào)整比較困難,互換匹配性比較差,因此其固有的缺點(diǎn)限制了模擬控制器的廣泛使用[5]。近年來,隨著高性能電機(jī)控制芯片的出現(xiàn),為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性、高性能的數(shù)字控制器提供了方便,數(shù)字控制器以其靈活、可靠、運(yùn)算能力強(qiáng)逐漸成為電機(jī)控制的主流技術(shù)。傳統(tǒng)的485總線通信基本上是異步通信,同時(shí)以高的波特率通信時(shí),傳輸距離較短,傳輸誤碼率比較高,大大降低了通信的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的高速同步485總線通信,同時(shí)實(shí)現(xiàn)4路伺服機(jī)構(gòu)的控制,設(shè)計(jì)了基于JS71175的高速同步485總線通信的多通道伺服控制器。
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
如圖1所示,該系統(tǒng)主要由電源模塊、主控單元、驅(qū)動(dòng)單元、隔離保護(hù)單元、通信單元、AD采集單元、4路伺服機(jī)構(gòu)及伺服控制計(jì)算機(jī)組成。伺服控制計(jì)算機(jī)為電源模塊提供一級(jí)28 V電源,同時(shí)與伺服控制器間進(jìn)行485通信,進(jìn)行指令發(fā)送和反饋接收,伺服控制器根據(jù)伺服計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令進(jìn)行數(shù)據(jù)解析,從而控制各路伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作;電源模塊作為伺服控制器的電源來源,為主控單元、驅(qū)動(dòng)單元、通信單元、AD采集單元和伺服機(jī)構(gòu)反饋提供所需電源;通信單元實(shí)現(xiàn)伺服控制計(jì)算機(jī)與伺服控制器主控單元間的高速同步485通信,伺服計(jì)算機(jī)每間隔一定時(shí)間通過485總線向伺服控制器發(fā)送控制指令,伺服控制器根據(jù)接收的控制指令控制伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作的同時(shí),在很小的時(shí)間間隔內(nèi)向伺服控制計(jì)算機(jī)和伺服遙測(cè)系統(tǒng)反饋當(dāng)前伺服控制器的參數(shù),為伺服控制計(jì)算機(jī)發(fā)送下一次控制指令提供數(shù)據(jù)依據(jù);主控單元用于接收伺服控制計(jì)算機(jī)指令和AD采集伺服機(jī)構(gòu)位移反饋進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算,產(chǎn)生PWM和伺服機(jī)構(gòu)方向信號(hào),同時(shí)向伺服控制計(jì)算機(jī)及伺服機(jī)構(gòu)遙測(cè)系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù);驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)主控單元的發(fā)出的PWM信號(hào)和伺服機(jī)構(gòu)方向信號(hào)驅(qū)動(dòng)4路伺服機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)的快速動(dòng)作;AD采集單元采集4路伺服機(jī)構(gòu)的位移反饋,確定當(dāng)前伺服機(jī)構(gòu)所處的位置,為主控單元進(jìn)行位置閉環(huán)提供數(shù)據(jù)。
1.2 系統(tǒng)工作原理
伺服控制計(jì)算機(jī)為伺服控制器提供28 V電源,同時(shí)提供遙測(cè)及隔離5 V電源。電源模塊將28 V電源轉(zhuǎn)換為控制器需要的5 V、2.5 V、±10 V和15 V電源,滿足伺服控制器工作所需的電源,其中伺服控制器的主控制芯片需2.5 V和5 V兩種電源;AD采集、485 V通信處理芯片和隔離保護(hù)需5 V電源;電機(jī)驅(qū)動(dòng)需5 V、15 V和28 V電源,28 V電源作為伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作的功率電;±10 V為4路伺服機(jī)構(gòu)中位移傳感器的工作電源。JS71175型485協(xié)議處理芯片接收伺服控制計(jì)算機(jī)發(fā)來的指令數(shù)據(jù),此時(shí)XC164控制芯片將JS71175型485協(xié)議處理芯片接收的數(shù)據(jù)通過總線讀取,進(jìn)行解析判讀,根據(jù)協(xié)議進(jìn)行自檢、解鎖或者數(shù)據(jù)采集,同時(shí)將指令執(zhí)行情況反饋給JS71175型485協(xié)議處理芯片,啟動(dòng)發(fā)送,此時(shí)JS71175型485協(xié)議處理芯片將反饋的指令執(zhí)行信息發(fā)送給伺服控制計(jì)算機(jī),XC164控制芯片在將指令信息反饋給伺服控制計(jì)算機(jī)的同時(shí),根據(jù)協(xié)議及時(shí)間要求也將指令執(zhí)行情況通過JS71175型485協(xié)議處理芯片反饋給伺服遙測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。
當(dāng)伺服控制器接到解鎖信號(hào)時(shí),發(fā)出一定占空比的PWM信號(hào)解除對(duì)伺服機(jī)構(gòu)位置的鎖定,此時(shí)伺服機(jī)構(gòu)才可以按照伺服控制器指令動(dòng)作,否則伺服機(jī)構(gòu)被鎖死,無法動(dòng)作,伺服機(jī)構(gòu)在動(dòng)作之前必須進(jìn)行解鎖的主要目為防止伺服機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作,損壞其它機(jī)構(gòu),伺服機(jī)構(gòu)在接到解鎖信號(hào)之前,其動(dòng)作部件回縮在伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部,無法動(dòng)作,必須進(jìn)行解鎖后才能恢復(fù)到可動(dòng)作位置;當(dāng)伺服控制器通過JS71175型485協(xié)議處理芯片接收到伺服控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集命令時(shí),伺服控制器根據(jù)伺服控制計(jì)算機(jī)發(fā)來的位置指令及AD采集芯片采集的伺服機(jī)構(gòu)實(shí)際位置信息進(jìn)行位置閉環(huán)運(yùn)算,產(chǎn)生不同占空比的PWM及電機(jī)方向信號(hào),無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)伺服控制器主芯片發(fā)出的PWM和方向信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)中電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)位置的精確控制,在控制伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作的同時(shí),完整接收到伺服控制計(jì)算機(jī)發(fā)送指令信息后必須在200 μs內(nèi)開始將數(shù)據(jù)反饋給伺服控制計(jì)算機(jī),并且在500 μs之內(nèi)將數(shù)據(jù)反饋完畢,否則伺服計(jì)算機(jī)將按照伺服控制器無法響應(yīng)處理;當(dāng)伺服控制器接收到伺服計(jì)算機(jī)發(fā)來的自檢指令后,伺服控制器檢測(cè)供電電壓、伺服機(jī)構(gòu)位置信息、通信狀態(tài)信息等參數(shù),并判斷各參數(shù)是否正常,按照協(xié)議向伺服控制計(jì)算機(jī)反饋?zhàn)詸z信息。
圖2 系統(tǒng)工作原理圖
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 主控芯片
主控芯片選用英飛凌公司XC166系列的16位微控制器XC164CS-16F,具有128KB程序Flash,6KB片上RAM,14路模擬輸入通道,6個(gè)串行接口(2xASC,2xSSC,2xCAN)。
英飛凌的16位微控制器系列是用來滿足實(shí)時(shí)嵌入式控制應(yīng)用的高性能需求,具有以下特性:五級(jí)流線型高性能16位CPU和MAC單元;高效的控制指令集;高效的功率管理;集成的片上存儲(chǔ)器(2KB雙口RAM,2KB高速數(shù)據(jù)SRAM,2KB的高速程序/數(shù)據(jù)SRAM,128KB的片上程序存儲(chǔ)器);外部總線接口(12MB的外部尋址空間,8位或16位數(shù)據(jù)總線);16級(jí)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng);8通道的外圍時(shí)間控制器;智能片上外設(shè)子系統(tǒng)(14通道模數(shù)轉(zhuǎn)換,兩個(gè)捕獲/比較單元,捕獲比較單元靈活產(chǎn)生PWM信號(hào),兩個(gè)多功能通用定時(shí)器單元,兩個(gè)異步/同步串行通道),79個(gè)具有獨(dú)立位尋址功能的IO引腳等[6]。
2.1.2 485協(xié)議處理器
485協(xié)議處理器選用我國自行研發(fā)的JS71175型協(xié)議處理器,該處理器實(shí)現(xiàn)雙總線上485協(xié)議數(shù)據(jù)同步串行通信,內(nèi)嵌4Kx8Bit雙口SRAM,電路工作電壓為+5 V,兼容+5 V/+3.3 V,主時(shí)鐘工作頻率為40 MHz,工作溫度為-55~125℃。
JS71175型485協(xié)議處理器內(nèi)含兩個(gè)相互獨(dú)立的半雙工發(fā)送/接收器,經(jīng)過編程可獨(dú)立進(jìn)行同步串行通訊,并以DMA方式與內(nèi)部RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。電路CPU接口和雙口RAM外端接口復(fù)用,支持SDLC同步通訊協(xié)議,有普通接收、地址識(shí)別、廣播監(jiān)聽等模式,接收和發(fā)送數(shù)據(jù)具有CRC校驗(yàn),電路還具有波特率選擇、中斷屏蔽等功能,功能框圖如圖3所示[7]。
圖3 JS71175功能框圖
在使用中,JS71175的12位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線分別與主控芯片XC164的地址及數(shù)據(jù)總線相連。
2.1.3 隔離保護(hù)
伺服控制器主控制芯片XC164控制芯片根據(jù)伺服控制計(jì)算機(jī)指令以及伺服機(jī)構(gòu)的位移反饋信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算PWM的占空比和方向信號(hào),并將該信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng),從而控制伺服機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率較大,為了避免伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作干擾伺服控制器,在XC164控制芯片和電機(jī)驅(qū)動(dòng)間加入隔離單元。
在XC164芯片輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)的PWM和方向信號(hào)上加入光耦進(jìn)行隔離,避免因伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作干擾控制系統(tǒng)。
同時(shí)為了避免伺服控制計(jì)算機(jī)與伺服控制器間產(chǎn)生相互干擾,在伺服控制器與伺服控制計(jì)算機(jī)間增加數(shù)字隔離,選用SILICON LABS公司的SI8462芯片,該芯片具備體積小、功耗低、通信波特率高達(dá)150 Mbps,同時(shí)隔離電壓高達(dá)2.5 kV。
2.1.4 主控芯片與485協(xié)議處理器間通信
本伺服控制器選用16位XC164芯片作為主控芯片和8位的JS71175作為485協(xié)議處理器,兩者之間采用地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信。但由于兩者位寬不同,因此如果直接將數(shù)據(jù)和地址總線相連,必然導(dǎo)致通信出錯(cuò)。
為了確保主控芯片與485協(xié)議處理芯片間總線通信正常,將485協(xié)議處理芯片的8位數(shù)據(jù)總線與主控芯片的數(shù)據(jù)總線連接,即將485協(xié)議處理芯片的數(shù)據(jù)總線D0-D7分別與主控芯片的D0-D7總線直接相連;但由于兩芯片位數(shù)不同,地址總線不能直接一一相連,采用錯(cuò)位相連技術(shù),可避免因位數(shù)不同導(dǎo)致的通信錯(cuò)誤,即將將485協(xié)議處理芯片的12位地址總線A0-A11分別與主控芯片的A1-A12相連,即可實(shí)現(xiàn)主控芯片與485協(xié)議處理芯片間正??偩€通信。
2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
伺服控制器的控制程序主要功能是通過高速同步485總線接收伺服控制計(jì)算機(jī)的指令,采集伺服機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào),通過指令信息與反饋位置信息進(jìn)行位置閉環(huán)運(yùn)算,精確控制伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至指定位置,同時(shí)將指令執(zhí)行情況反饋給伺服控制計(jì)算機(jī)及遙測(cè)系統(tǒng)。控制程序主要包括控制主程序、定時(shí)器中斷子程序和外部中斷子程序三部分。
2.2.1 控制主程序
控制主程序主要完成系統(tǒng)初始化、看門狗初始化、功能寄存器初始化、全局變量初始化、定時(shí)器及外部中斷初始化、JS71175型485協(xié)議處理器初始化,初始化伺服控制器的初始參數(shù)等,主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
2.2.2 定時(shí)器中斷子程序
定時(shí)器中斷子程序主要完成清除看門狗、判斷伺服控制計(jì)算機(jī)指令大小并進(jìn)行限幅、采集4路伺服機(jī)構(gòu)位置反饋信號(hào)并進(jìn)行濾波等處理、閉環(huán)運(yùn)算并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行PWM占空比和電機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)置、將伺服機(jī)構(gòu)反饋信息及伺服控制計(jì)算機(jī)指令信息反饋給遙測(cè)系統(tǒng),為了精確控制伺服機(jī)構(gòu)高速動(dòng)態(tài)響應(yīng),該定時(shí)器每間隔0.5 ms一次中斷進(jìn)行伺服機(jī)構(gòu)位置閉環(huán)運(yùn)算,精確實(shí)時(shí)調(diào)整PWM占空比和方向信號(hào),由于遙測(cè)系統(tǒng)需至少間隔2.5 s才能接收伺服控制器反饋的遙測(cè)信數(shù)據(jù),因此在該定時(shí)器中斷中進(jìn)行向遙測(cè)系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)時(shí)間間隔判斷,及時(shí)準(zhǔn)確的將遙測(cè)數(shù)據(jù)反饋給遙測(cè)系統(tǒng),定時(shí)器中斷子程序流程圖如圖5所示。
圖5 定時(shí)器中斷子程序流程圖
2.2.3 外部中斷子程序
外部中斷子程序主要完成清除JS71175型485協(xié)議處理器中斷信號(hào)、判斷是接收還是發(fā)送中斷、讀取協(xié)議處理器中的伺服控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令、解析伺服控制計(jì)算機(jī)指令、將指令執(zhí)行情況反饋給伺服控制計(jì)算機(jī),伺服計(jì)算機(jī)發(fā)送完整伺服控制指令后,伺服控制器必須在200 μs之內(nèi)開始按照協(xié)議將數(shù)據(jù)反饋給伺服計(jì)算機(jī),同時(shí)在500 μs之內(nèi)將數(shù)據(jù)反饋完畢,否則伺服計(jì)算機(jī)將按照伺服控制器無法響應(yīng)進(jìn)行處理,啟用應(yīng)急機(jī)制,因此為了避免在伺服控制器完好情況下因數(shù)據(jù)響應(yīng)慢導(dǎo)致啟用應(yīng)急機(jī)制問題,該軟件外部中斷優(yōu)先級(jí)在程序中為最高優(yōu)先級(jí),在接收到伺服控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令后,首先進(jìn)行指令解析和數(shù)據(jù)反饋,每次數(shù)據(jù)發(fā)送完成后,伺服控制器需將JS71175型485協(xié)議處理器置為等待接收狀態(tài),以備第一時(shí)間接收伺服計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令并進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋,外部中斷子程序流程圖如圖6所示。
圖6 外部中斷子程序流程圖
選用4個(gè)伺服機(jī)構(gòu)和本文設(shè)計(jì)的控制器組成一套伺服控制系統(tǒng),每個(gè)伺服機(jī)構(gòu)功率為400 W,利用地面測(cè)試儀模擬伺服控制計(jì)算機(jī),測(cè)試儀每間隔1 ms以2Mbit/s的速度向伺服控制器發(fā)送指令,測(cè)試儀接收并記錄伺服機(jī)構(gòu)控制器反饋的指令執(zhí)行情況及反饋的數(shù)據(jù),同時(shí)測(cè)試儀接收并記錄伺服機(jī)構(gòu)反饋的遙測(cè)信號(hào)。地面測(cè)試儀配置為Intel 2.6 GHz,雙核CPU,2 G內(nèi)存,配備專用雙通道高速同步485板卡,利用LabWindows開發(fā)上位機(jī)測(cè)試軟件。
地面測(cè)試儀在發(fā)送伺服機(jī)構(gòu)自檢和解鎖指令后,每間隔1 ms向伺服控制器發(fā)送一次數(shù)據(jù)采集指令,伺服控制器接收到完整的指令后向地面測(cè)試儀反饋數(shù)據(jù)并根據(jù)接收的指令完成閉環(huán)運(yùn)算控制伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作,利用TEK示波器監(jiān)視通信情況在伺服計(jì)算機(jī)將一幀指令發(fā)送完畢后,伺服控制器在50 μs之內(nèi)開始響應(yīng)反饋數(shù)據(jù),在300 μs之內(nèi)完成所有數(shù)據(jù)反饋,伺服計(jì)算機(jī)接收到伺服控制器反饋數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示伺服控制器滿足伺服計(jì)算機(jī)要求在接收到指令200 μs之內(nèi)開始反饋數(shù)據(jù)和在500 μs之內(nèi)將數(shù)據(jù)反饋完畢的要求,滿足快速、高速485通信要求。
利用測(cè)試儀向伺服控制器發(fā)送指令,控制伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0.2 Hz,15°正弦響應(yīng),如圖7所示,圖中藍(lán)色曲線為測(cè)試儀指令信息,紅色曲線為伺服控制器反饋給測(cè)試儀的伺服機(jī)構(gòu)位置信息,圖中已用文字標(biāo)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:伺服機(jī)構(gòu)正向最大擺角為14.979°,負(fù)向最大擺角為-14.953°,回環(huán)寬度為0.357°。
測(cè)試儀發(fā)送指令,伺服控制器控制伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)0.2 Hz,10.5°階躍響應(yīng),如圖8所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:伺服機(jī)構(gòu)正向最大擺角為10.986°,負(fù)向最大擺角為-11.195°,最大線速度為486.782°/s。
圖7 0.2 Hz 15°正弦響應(yīng)曲線
圖8 0.2 Hz 10.5°階躍響應(yīng)曲線
任務(wù)要求伺服機(jī)構(gòu)0.2 Hz,15°正弦響應(yīng)擺角偏差為±0.2°;0.2 Hz,10.5°階躍響應(yīng)擺角偏差為±0.8°,伺服機(jī)構(gòu)最大線速度不小于400°/s,試驗(yàn)結(jié)果表明:伺服控制器控制精度均在要求范圍之內(nèi),滿足要求。
本文結(jié)合無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用和實(shí)際控制要求,對(duì)基于英飛凌XC164和JS71175型485協(xié)議處理器的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開發(fā),編寫了嵌入式控制軟件和測(cè)試儀軟件。試驗(yàn)結(jié)果表明:基于JS71175高速同步485總線通信的多通道伺服控制器在在保證通信穩(wěn)定的前提下,通信波特率可達(dá)2 Mbit/s,大大提高了基于485通信協(xié)議的通信速率,同時(shí)具有體積小、功率大、集成度高、可實(shí)現(xiàn)多路控制的特點(diǎn)。
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Multi-channel Servo Controller Design Base on High-speed Synchronization 485 Bus Communication
Wang Heng,Bai Yuxin,Zhang Tianqi,Zhang Da,Qin Erwei
(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076,China)
A four-channel servo controller designing and realizing scheme for guided missiles is provided in this paper. According to high communication rate and multi-channel servo control requirements to the research task, the servo controller is designed base on 485 protocol processor of JS71175 and XC164 as main control chip, this controller improve synchronization 485 bus communication rate, meanwhile, realize for-channel servo mechanism control and lock or unlock servo mechanism action, have the characteristics of small volume, high power and high integration. The tests indicate that, under the premise of stable communication, communication rate up to 2Mbit/s, total power up to 1 600 w, and satisfies the task needs.
485 protocol processor; high-speed; Synchronization 485 Bus; multi-channel; controller
2016-12-19;
2017-01-16。
王 恒(1985-),男,碩士研究生,工程師,主要從事伺服控制方向的研究。
1671-4598(2017)03-0093-05
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.026
TP3
A