楊永亮，吳小役，趙志勤，李 穎

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

為適應未來信息化戰(zhàn)爭對武器裝備精確打擊的迫切需求，以火炮、坦克等為發(fā)射平臺，具有精確制導功能的智能化彈藥成為國內(nèi)外常規(guī)武器發(fā)展的一個重要方向[1]。而舵機是智能彈藥制導系統(tǒng)進行姿態(tài)控制、彈道變軌的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響彈丸的打擊精度。電動舵機具有體積小，輸出功率大，控制精度高，維護使用簡便等優(yōu)點[2]，在智能彈藥領域具有廣泛的應用前景。

在電動舵機伺服系統(tǒng)研制過程中，建立簡捷、準確的仿真模型能夠快速檢驗設計參數(shù)，調(diào)整控制方案，提高實物樣機的研制效率。本文在MATLAB /Simulink的環(huán)境下，建立了舵機伺服系統(tǒng)的仿真模型，并設計研制了實物樣機。仿真模型為實物研制提供了理論支持，實物測試數(shù)據(jù)修正了仿真模型參數(shù)，提高了模型的準確度。最后通過試驗將仿真結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比。

1 總體設計

舵機伺服系統(tǒng)主要功能是接受飛行控制指令，根據(jù)舵面位置傳感器反饋信號，克服外部的氣動鉸鏈力矩，對舵機進行閉環(huán)控制[3]。本文針對某制導彈4個舵機的結(jié)構(gòu)特點，設計了電動舵機伺服系統(tǒng)，對1～4號4個舵機同時進行獨立控制，并提供了與測試計算機的數(shù)據(jù)接口，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于4個舵機相互獨立，與之配套的控制電路也完全相同，本文僅以1號舵機為例進行分析討論。

2 系統(tǒng)仿真建模

舵機伺服系統(tǒng)主要由伺服電機、傳動機構(gòu)、采樣濾波電路和伺服控制器4個部分構(gòu)成，其仿真模型如圖2所示。

2.1 伺服電機仿真模型

本文選用的伺服電機為直流電動機，其運動方程可由以下4個方程式表達[4]：

(1)

式中，U為電樞電壓；La為電樞繞組電感；ia為電樞繞組電流；Ra為電樞電阻；E為電機反電動勢；Ke為反電勢系數(shù)；ω為電機轉(zhuǎn)速；Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；Kt為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)；TL為負載轉(zhuǎn)矩；J為電機及負載折合到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量；B為折算到電機軸上的總粘性摩擦系數(shù)。

對電機運動方程式進行拉普拉斯變換，可以得到直流伺服電機仿真模型如圖3所示。其中傳動摩擦系數(shù)和負載轉(zhuǎn)動慣量都根據(jù)實測數(shù)據(jù)對模型進行了修正。

2.2 傳動機構(gòu)仿真模型

考慮到舵機傳動機構(gòu)實物存在機械結(jié)構(gòu)間隙，會在傳動鏈產(chǎn)生一定量的空回，根據(jù)物理樣機實測空回數(shù)據(jù)，在仿真模型中加入了非線性環(huán)節(jié)。

2.3 采樣濾波仿真模型

本文位置、電流采樣電路選用無源RC低通濾波器，時間常數(shù)分別為2 ms和1 ms，其數(shù)學模型經(jīng)拉普拉斯變換后，可以得到仿真模型。

2.4 控制算法仿真模型

為提高舵機伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)跟蹤快速性，同時便于工程實現(xiàn)，本文采用位置、速度和電流三閉環(huán)控制算法，其中位置環(huán)和速度環(huán)采用傳統(tǒng)PID控制。電流環(huán)為系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，為提高快速性、保證硬件電路可靠性，本文采用電流截止負反饋控制[5]對電機電流進行限制?？刂埔?guī)律為：

(2)

式中，V為舵機控制器輸出電壓；VPOS為速度環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓；If為反饋電流值；Ilim為電流限流值；Ki為電流環(huán)比例系數(shù)。

舵機控制算法仿真模型如圖4所示。

圖中，Ep為舵控指令與舵偏角之差；ωg為速度給定量；ωf為速度反饋值。

3 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設計

本文以DSP控制單元為核心，設計了舵機伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠接收飛控指令，同時對4個舵機進行閉環(huán)控制，并向測試系統(tǒng)發(fā)送試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中虛線框內(nèi)為1號舵機及其驅(qū)動、采樣電路結(jié)構(gòu)圖，另外3個舵機結(jié)構(gòu)與之相同。

舵機伺服系統(tǒng)硬件電路中，CPU選用TI公司32位浮點DSP芯片TMS320F28335，該芯片能夠完成數(shù)據(jù)通訊，控制運算，A/D采樣，數(shù)字濾波處理和PWM輸出等功能。

為實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，功率驅(qū)動電路選用MSK公司生產(chǎn)的直流電機專用驅(qū)動模塊實現(xiàn)對舵機的驅(qū)動控制，該模塊集成度高，封裝形式易于散熱，運行穩(wěn)定可靠。驅(qū)動電路與DSP控制單元通過光耦隔離，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

本系統(tǒng)選用精密電位計作為舵面位置傳感器，通過采樣電阻檢測電機電流信號，二者經(jīng)過檢測電路濾波處理后，由A/D采樣電路送到DSP芯片。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件程序采用C語言模塊化設計思想，主要包括通訊模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊和控制算法模塊。主程序流程圖如圖6所示。

主程序是個循環(huán)體，主要完成舵面位置和電機電流數(shù)據(jù)采樣，執(zhí)行位置、速度和電流調(diào)節(jié)算法，并向測試系統(tǒng)發(fā)送試驗數(shù)據(jù)。其中，舵機速度反饋量由舵面位置求微分計算得到。位置、速度和電流3個環(huán)節(jié)的時鐘標識位置位在CPU定時器中斷中完成，每執(zhí)行完1次調(diào)節(jié)算法，標志位清零。舵機接收飛控指令在SCI中斷服務程序中完成。

4 仿真與試驗結(jié)果對比

舵機測試系統(tǒng)將飛控指令數(shù)據(jù)，舵機模型仿真數(shù)據(jù)和實物舵機測試數(shù)據(jù)在同一個界面對比，可以測試舵機伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，同時驗證仿真模型的準確程度。

飛控指令為幅值2°的階躍信號下，舵機響應曲線如圖7所示，飛控指令為幅值1°，頻率2 Hz的正弦下，舵機響應曲線如圖8所示。

其中，CH1為飛控指令曲線，CH2為舵機模型仿真曲線，CH3為舵機實物響應曲線。CH2和CH3正弦仿真曲線存在約60 ms平頂區(qū)域，其原因是仿真模型根據(jù)實測舵機的傳動鏈空回，在仿真模型中加入了非線性環(huán)節(jié)造成的。

通過對比可以看出，舵機在階躍和正弦等多種信號下跟蹤性能良好，運行穩(wěn)定可靠，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測試結(jié)果都能夠滿足指標要求，仿真與實測結(jié)果基本一致，驗證了仿真模型的準確性。

5 結(jié)束語

本文建立了1套電動舵機伺服系統(tǒng)的仿真模型，并以模型為參考，設計了實物樣機。在產(chǎn)品研制過程中，依據(jù)仿真模型制定了控制策略，并根據(jù)實物的測量數(shù)據(jù)修正了仿真模型中舵機傳動鏈空回、傳動摩擦系數(shù)、負載轉(zhuǎn)動慣量、反饋信號濾波時間常數(shù)等參數(shù)，提高了模型準確度。模型仿真與實物設計相互配合，融入到整個研制過程。最后通過試驗驗證，該舵機系統(tǒng)能夠滿足使用要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有工程應用價值。

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