伍 城，趙懷林，朱紀洪

（1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418；2.清華大學(xué) 計算機系，北京 100084）

舵機系統(tǒng)作為一種高精度高響應(yīng)速度的位置伺服系統(tǒng)，通過接受飛控系統(tǒng)給定的舵面偏轉(zhuǎn)信號，輸出控制指令來操縱導(dǎo)彈舵面的偏轉(zhuǎn)，從而改變導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)或飛行軌跡[1-3]。根據(jù)動力源的不同，常用舵機系統(tǒng)可分為氣動舵機、液壓舵機和電動舵機。與氣動和液壓舵機相比，電動舵機具有優(yōu)化機載能源管理、重量輕、體積小、可靠性高、傳動效率高、使用維護方便、工藝性好、戰(zhàn)場生存率強等突出優(yōu)點，因而在無人機等飛控系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[4-6]。電動舵機按照控制方式的不同又可分為模擬舵機和數(shù)字舵機，與傳統(tǒng)的模擬舵機相比，以高速微控制器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受溫度漂移的影響，而且實現(xiàn)了舵機控制的小型化和模塊化，大大提高和改善了舵機控制器的性能和可靠性[7]。本文詳細設(shè)計和實現(xiàn)了一種用于某氣體調(diào)節(jié)控制器的數(shù)字電動舵機驅(qū)動控制系統(tǒng)，達到對位置給定指令的快速、高精度響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡單，控制效果優(yōu)良。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本舵機系統(tǒng)主要由三相直流無刷電機、驅(qū)動控制器、機械結(jié)構(gòu)以及傳感器4部分組成，其中驅(qū)動控制器是舵機系統(tǒng)設(shè)計最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall system block diagram

系統(tǒng)位置傳感器測得搖臂實際位置后，經(jīng)過一階慣性濾波器濾除高頻噪聲抖動，與濾波后的位置給定指令一起作為位置閉環(huán)輸入。位置閉環(huán)輸出作為轉(zhuǎn)速給定值，與實際轉(zhuǎn)速和前饋控制器的輸出一起輸入給轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制器。轉(zhuǎn)速閉環(huán)輸出電機電流給定值，與電流傳感器測得的實際電流構(gòu)成電流閉環(huán)控制。電流環(huán)輸出PWM波，結(jié)合Hall信號經(jīng)過邏輯運算后得到功率驅(qū)動管的導(dǎo)通狀態(tài)，由功率放大單元變換后驅(qū)動全橋功率管通斷，從而控制三相直流無刷電機轉(zhuǎn)動，電機輸出軸連接精密的減速器以及機械變換后驅(qū)動舵機搖臂擺動。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

舵機系統(tǒng)硬件設(shè)計主要有DSP+CPLD控制單元、三相全橋及其驅(qū)動單元、系統(tǒng)信號采集及調(diào)理模塊及保護電路等。采取模塊化設(shè)計，數(shù)字信號與模擬信號分開布局，使其抗干擾能力強，系統(tǒng)功能更穩(wěn)定，整體硬件結(jié)構(gòu)輕小，安裝方便。

2.1 DSP+CPLD數(shù)字控制單元設(shè)計

本系統(tǒng)數(shù)字控制單元主要由DSP結(jié)合CPLD組成。DSP主要負責實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)運算處理，其豐富的外設(shè)資源包括A/D模塊用于模擬量采集，SCI模塊通過串口422與主控設(shè)備數(shù)據(jù)通信，eCAP模塊用于捕獲處理后的Hall脈沖序列以及由PWM模塊輸出控制律執(zhí)行結(jié)果。CPLD將輸入的三路Hall脈沖經(jīng)過三倍頻后發(fā)送給DSP的捕獲（CAP）端口，同時解算得到電機實際轉(zhuǎn)動方向，此外設(shè)計電機電流保護和位置保護邏輯?？刂破髟砜驁D如圖2所示。

2.2 三相全橋及其驅(qū)動單元

本系統(tǒng)選用高度集成三相無刷直流電機驅(qū)動芯片L6235作為驅(qū)動單元的核心，主要由120°相位差的霍爾信號解碼邏輯、高速邏輯陣列、三相全橋驅(qū)動單元以及由內(nèi)置快速續(xù)流二極管的增強型MOS管組成的全橋逆變器構(gòu)成。其內(nèi)部自帶PWM電流控制器實現(xiàn)電機電流閉環(huán)控制。此外，芯片擁有無功耗過流檢測和保護、停車及過熱關(guān)斷功能。

圖2 系統(tǒng)主控單元Fig.2 System control unit

本系統(tǒng)電流閉環(huán)由硬件實現(xiàn)，通過集成驅(qū)動芯片結(jié)合外圍器件完成。芯片提供恒定時間為Toff電流控制電路，它有一個低偏置的快速比較器，其輸入端分別連接VREF和SENSE引腳。通過檢測連接在低側(cè)MOS管源級與信號地之間的電流傳感電阻器RSENSE上的壓降測量橋臂上的電流，當電機中的電流增加時，電流傳感電阻器上的壓降也會成比例增加。VREF引腳由外部給定電壓值作為電流控制量，當RSENSE上的壓降高于VREF引腳上的參考輸入電壓時，比較器輸出將會觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路，所有功率MOSFET會被關(guān)斷，單穩(wěn)態(tài)時間結(jié)束后，橋路又將會打開，適當選擇RCOFF引腳上的外部RC網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可決定關(guān)斷時間，從而決定電流環(huán)增益。其硬件電路圖如圖3所示。

圖3 PWM電流閉環(huán)單元Fig.3 PWM current loop unit

L6235提供了1 μs消隱時間TBLANK，避免比較器在MOSFET開始打開的瞬間由于續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流引起的錯誤觸發(fā)。電機電流IOUT波形和電流傳感電阻器上的壓降VSENSE波形如圖4所示。

圖4 電機電流和電流傳感電阻器壓降波形Fig.4 Motor current and current sensing resistor voltage drop waveform

2.3 信號采集及調(diào)理模塊

電機輸出軸經(jīng)過減速后與滾珠絲杠相連，將電機高速旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)換為大推力直線輸出，通過推動舵機搖臂擺動使舵機最終輸出較大的轉(zhuǎn)矩。采用線性位移傳感器LVDT與滾珠絲杠相連而精確測量出絲杠位移，通過定量關(guān)系轉(zhuǎn)換為搖臂輸出角度。位移傳感器外接12 V的供電電源，輸出端即可獲得0.5 V～4.5 V的穩(wěn)定輸出電壓。通過信號調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為0～3 V的范圍送給DSP進行A/D轉(zhuǎn)換。

實際調(diào)試過程中，舵機搖臂行程要求-9°～9°，對應(yīng)絲桿位移為6 mm，選擇LVDT線性范圍內(nèi)的輸出電壓為1 V～4 V的輸出。為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需設(shè)計位置保護功能模塊，位置輸出調(diào)理電路如圖5所示。

上述調(diào)理后的信號送給CPLD進行邏輯運算，通過邏輯運算控制驅(qū)動單元的停車等功能模塊，達到位置保護的功能。位置保護邏輯真值表如表1所示。

圖5 信號調(diào)理電路Fig.5 Signal conditioning circuit

表1 位置保護邏輯真值表Tab.1 Position protection logic truth table

位置保護模塊使舵機搖臂在保護區(qū)內(nèi)正常轉(zhuǎn)動，其中DIR為電機轉(zhuǎn)向給定信號，設(shè)定搖臂在保護區(qū)之外時，當接受向保護區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)動的方向指令時，驅(qū)動模塊正常工作，電機按指定方向轉(zhuǎn)動，否則驅(qū)動芯片關(guān)閉全橋功率管，使電機停車。

3 系統(tǒng)控制策略及軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)控制策略

本系統(tǒng)采用電流閉環(huán)、轉(zhuǎn)速閉環(huán)和位置閉環(huán)三閉環(huán)的控制策略，其中電流閉環(huán)通過硬件實現(xiàn)。速度閉環(huán)主要用于增強系統(tǒng)抗負載能力，抑制速度擾動，采用P控制即可滿足需求。由于系統(tǒng)是一個位置伺服系統(tǒng)，對位置指標要求較高，系統(tǒng)位置環(huán)的本征模型較為明確，因此可采用基于傳遞函數(shù)模型的極點配置設(shè)計方法。

首先對系統(tǒng)進行動力學(xué)建模，其動力學(xué)模型主要包括電機模型和傳動機構(gòu)模型。其動力學(xué)模型框圖如圖6所示。

圖6 舵機本體模型Fig.6 Actuator ontology model

圖中，模型輸入為電機電樞電壓，輸出為舵機搖臂角速度，則模型為二階系統(tǒng)。由圖6可得系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

式中：Cm為電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ce為電機電動勢常數(shù)；L為繞組電感；R為電機繞組電阻；J為轉(zhuǎn)動慣量；n為舵機減速比。帶入?yún)?shù)可得：

系統(tǒng)速度閉環(huán)采用反饋控制，由簡單的P控制即可滿足速度閉環(huán)需求指標，通過臨界振蕩法整定控制器參數(shù)，由于速度閉環(huán)特征方程兩根相差較大，通過測試可將速度閉環(huán)模型等效為一階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)進行位置閉環(huán)控制器設(shè)計時，輸出為舵機搖臂位置，由上可知位置環(huán)被控對象為二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為

由于系統(tǒng)位置環(huán)模型已知，故可采用基于傳遞函數(shù)模型的極點配置設(shè)計法，該控制器實際是由前饋控制與反饋控制結(jié)合完成。前饋控制主要使得輸出量有滿意的跟蹤性能，滿足系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)指標。反饋控制使得系統(tǒng)具有抑制干擾和減小模型誤差影響的性能。其控制框圖如圖7所示。

圖7 位置閉環(huán)控制框圖Fig.7 Position closed-loop control block diagram

由圖7可得，系統(tǒng)位置閉環(huán)控制器輸出為

只需設(shè)計出 D1（z）和 D2（z），即可得到控制律u（k），將其轉(zhuǎn)換成差分方程便可在軟件中進行數(shù)字化實現(xiàn)。首先需利用零階保持器法將G（s）轉(zhuǎn)化為等效的離散傳遞函數(shù)為

根據(jù)位置閉環(huán)系統(tǒng)指標要求，可確定系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

根據(jù)上述系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)和位置環(huán)本征模型，通過待定系數(shù)法求得前饋函數(shù)D1（z）和反饋函數(shù)D2（z），將其轉(zhuǎn)換為差分方程即可在軟件中數(shù)字化實現(xiàn)。實際測試過程中需對其控制參數(shù)進行細微整定，直至達到系統(tǒng)設(shè)計指標。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由DSP控制器完成，包括定時器設(shè)計、霍爾脈沖捕獲、PWM模塊設(shè)計、A/D采樣設(shè)計、串口通信設(shè)計、位置閉環(huán)控制律設(shè)計及其他數(shù)據(jù)解算設(shè)計。

定時模塊的作用是產(chǎn)生各種時基，總控模塊按照不同的時基調(diào)用相應(yīng)的模塊，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。系統(tǒng)設(shè)置定時模塊產(chǎn)生周期為0.05 ms的中斷，作為系統(tǒng)循環(huán)的基準時鐘，同時，各種外設(shè)根據(jù)需要各自獨立配置時鐘。PWM模塊設(shè)置產(chǎn)生幅值為3.3 V，周期為20 μs且占空比可調(diào)的PWM波，通過執(zhí)行閉環(huán)控制律改變PWM的占空比。捕獲模塊通過捕獲Hall脈沖解算得到舵機搖臂實際轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)定時采樣，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果用于系統(tǒng)控制。串口通信采用串口中斷完成，實時接收主控設(shè)備發(fā)送的幀數(shù)據(jù)，并解算得到控制指令，同時將舵機實測數(shù)據(jù)封裝成幀數(shù)據(jù)發(fā)送給主控設(shè)備。軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of system software

4 實驗數(shù)據(jù)分析

電動舵機驅(qū)動控制器測試平臺以電動舵機作為被控對象，PC作為上位機，通過LabVIEW設(shè)計上位機通訊軟件，發(fā)送位置給定指令，舵機系統(tǒng)快速響應(yīng)指令并向上位機發(fā)送當前位置反饋信息，上位機實時顯示位置給定和位置反饋波形。

系統(tǒng)空載條件下，系統(tǒng)量程為0°～18°，滿量程范圍內(nèi)進行階躍響應(yīng)實驗，上位機測試波形如圖9所示。

圖9 方波階躍響應(yīng)波形Fig.9 Square wave step response waveform

由圖可知，系統(tǒng)位置定位精度遠小于+0.1°，滿足靜態(tài)精度要求。階躍響應(yīng)過程中，舵機速度達到飽和，延遲時間可忽略不計，小于0.01 s；上升時間為0.8 s，調(diào)節(jié)時間為1 s，超調(diào)量極小，階躍響應(yīng)指標滿足設(shè)計需求。

為測試舵機系統(tǒng)帶寬，需給定系統(tǒng)正弦波掃頻信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)情況。設(shè)計系統(tǒng)帶寬為6 Hz，給定測試信號頻率為6 Hz，幅值取系統(tǒng)量程10%為0.9°，測試波形如圖10所示。

圖10 正弦波響應(yīng)波形Fig.10 Sine wave response waveform

由圖10測試波形可知，系統(tǒng)位置給定幅值為0.9°，閉環(huán)響應(yīng)波形幅值0.8°，輸出幅值衰減小于3dB，相位滯后近似為70°，小于90°，滿足帶寬設(shè)計要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于DSP+CPLD控制結(jié)構(gòu)的數(shù)字舵機系統(tǒng)，采用集成驅(qū)動芯片，使系統(tǒng)實現(xiàn)更加簡便、可靠。采用電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)三環(huán)控制策略使系統(tǒng)控制更加精細，達到對舵機搖臂位置指令快速、高精度響應(yīng)。實驗表明，系統(tǒng)具有極小穩(wěn)態(tài)誤差和較高動態(tài)響應(yīng)速度。系統(tǒng)輸出額定負載力矩為100 Nm，因此適用于高精度、大負載、高速的飛控系統(tǒng)舵面伺服控制，具有較高的實用價值。

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