王惠敏,郝振洋
(南京航空航天大學(xué),南京 210016)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)越來(lái)越以高科技武器為主,導(dǎo)彈因其具備遠(yuǎn)程打擊能力而成為現(xiàn)代武器中的佼佼者[1]。導(dǎo)彈通常由戰(zhàn)斗部、彈體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)4部分組成,其中制導(dǎo)系統(tǒng)主要由探測(cè)機(jī)構(gòu)、決策機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。導(dǎo)彈舵機(jī)作為導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是導(dǎo)彈制導(dǎo)與飛行控制的重要組成部分,其性能好壞直接影響了導(dǎo)彈的飛行品質(zhì)以及制導(dǎo)精度[1]。
早期的舵機(jī)主要以液壓作動(dòng)系統(tǒng)和氣壓作動(dòng)系統(tǒng)為主,這些作動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能上都具有明顯的優(yōu)勢(shì),如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、輸出力矩大、承受負(fù)載大和快速性好等,但同時(shí)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積質(zhì)量大、加工精度高、成本大等缺點(diǎn)[2]。20世紀(jì)70年代,隨著新型稀土永磁材料和專用驅(qū)動(dòng)模塊的出現(xiàn),電力作動(dòng)系統(tǒng)得到大力發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái),許多高性能導(dǎo)彈采用了電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu),如美國(guó)的中距空空導(dǎo)彈AM-120、沃斯普反坦克導(dǎo)彈和戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈,俄羅斯的蛙蛇R-77空空導(dǎo)彈等[1],其采用的電機(jī)都為有刷直流電機(jī),雖然調(diào)速性能優(yōu)良,但換向器和電刷等機(jī)械接觸部件可靠性較差[3]。隨著永磁材料的快速發(fā)展,永磁無(wú)刷直流電機(jī)因其沒(méi)有換向器和電刷,消除摩擦力矩等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用。目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)舵機(jī)使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)還是以有刷直流電機(jī)為主,但直流電機(jī)存在發(fā)熱高、體積大、維護(hù)不方便、控制精度不高等缺點(diǎn)[4]。隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)彈對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)提出了更多的要求,未來(lái)導(dǎo)彈舵機(jī)將朝著小型化、輕量化、高精度、高效率的方向發(fā)展[5,6]。永磁同步電機(jī)因其體積小、質(zhì)量輕、功率密度高、單機(jī)容量大、可維修性好以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在伺服應(yīng)用場(chǎng)合體現(xiàn)出越來(lái)越多的優(yōu)越性[7,8]。交流伺服系統(tǒng)大多采用數(shù)字化控制,將先進(jìn)的控制理論和復(fù)雜的控制算法通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化[2,9,10]。
本文針對(duì)導(dǎo)彈舵機(jī)系統(tǒng)輸出力矩大、體積質(zhì)量小、精度高、效率高的要求,將永磁同步電機(jī)與直驅(qū)式滾柱絲杠結(jié)構(gòu)相結(jié)合,使舵機(jī)本體具有質(zhì)量輕、體積小、載荷比大的優(yōu)點(diǎn)。控制器通過(guò)優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)及算法,實(shí)現(xiàn)單DSP控制4臺(tái)舵機(jī)的結(jié)構(gòu),大大減小舵機(jī)控制系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)能有效跟蹤上位機(jī)位置給定且動(dòng)態(tài)性能較好。
永磁同步電機(jī)建模時(shí),通常忽略定轉(zhuǎn)子鐵心磁阻、渦流和磁滯損耗。在同步旋轉(zhuǎn)d,q軸系下,表貼式永磁同步電機(jī)定子電壓方程:
式中:Ud,Uq為直交軸電壓;id,iq為直交軸電流;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;R,L分別為定子電阻和電感;ψf為永磁體磁鏈。
導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)串口通信對(duì)舵機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出位置指令,并監(jiān)控舵面位置角度,通過(guò)位置反饋對(duì)舵機(jī)位置進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[11]。舵機(jī)控制系統(tǒng)接收位置指令,當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際位置與指定位置存在誤差Δθ時(shí),控制器作用,產(chǎn)生誤差下所需的Ud,Uq,通過(guò)SVPWM調(diào)制,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng),使舵面偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到指定位置。
系統(tǒng)由直驅(qū)式電力作動(dòng)器(舵機(jī))、控制器、功率變換器和通信部分組成。其中舵機(jī)主要構(gòu)成部分為永磁同步電機(jī)、滾珠絲杠、旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡(jiǎn)稱旋變)以及位移傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
DSP作為控制系統(tǒng)的核心處理器芯片,主要工作有采集系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制算法,產(chǎn)生系統(tǒng)的控制信號(hào)等。目前面向運(yùn)動(dòng)控制的DSP芯片主要有美國(guó)德州儀器(TI)的TMS320C2000系列,其中以TMS320F2812和TMS320F28335最為常見(jiàn)。F2812芯片具有2個(gè)事件管理器(EV)模塊,適用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制等領(lǐng)域。每個(gè)EV模塊有3個(gè)全比較單元,每個(gè)比較單元可以產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)的PWM波,3個(gè)比較單元可以產(chǎn)生6路PWM波控制一個(gè)三相全橋電路。所以一個(gè)F2812芯片最多可以同時(shí)控制2臺(tái)電機(jī)。F28335將F2812的EV模塊分為ePWM、eQEP、eCAP3個(gè)模塊并且互不干擾,易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的輸出。其中F28335的ePWM模塊相對(duì)于F2812的EV模塊,其PWM輸出能力提高了一倍。一個(gè)F28335芯片具有6個(gè)獨(dú)立的ePWM模塊,每個(gè)ePWM模塊包括2路PWM信號(hào),則每個(gè)芯片的ePWM模塊可以發(fā)出12路獨(dú)立的PWM波。另外,F(xiàn)28335帶浮點(diǎn)運(yùn)算,動(dòng)態(tài)范圍更大,并且F28335比F2812多了MAC單元,運(yùn)算速度提高一倍??傮w而言,F(xiàn)28335相對(duì)于同時(shí)鐘頻率下的F2812芯片執(zhí)行效率提高一倍。2種芯片主要功能對(duì)比如表1所示 。
表1 2種DSP性能對(duì)比
28335屬于Delfino系列中的一款,相較于定點(diǎn)系列,它為實(shí)時(shí)控制應(yīng)用帶來(lái)了領(lǐng)先的浮點(diǎn)性能和集成度,具有精度高、功耗小、存儲(chǔ)量大、A/D轉(zhuǎn)換快速等特點(diǎn),且集成了主要的電機(jī)控制外設(shè)單元,含有多達(dá)18路的PWM輸出,其中6路為特有的更高精度的PWM輸出。這些優(yōu)點(diǎn)不僅使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)外圍電路簡(jiǎn)單方便,而且也使模塊程序的軟件編寫的難度降低,可以提高控制系統(tǒng)的集成化和可靠性。為了實(shí)現(xiàn)單DSP控制4臺(tái)電機(jī),并且有較好的數(shù)學(xué)運(yùn)算性能,本文采用F28335作為系統(tǒng)的核心控制單元。
單個(gè)F28335的ePWM模塊最多能發(fā)出12路PWM波,僅能驅(qū)動(dòng)2臺(tái)舵機(jī)。將DSP與CPLD結(jié)合,增加PWM數(shù)量以控制4臺(tái)舵機(jī)。CPLD由可編程互連矩陣單元組成,具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu),可根據(jù)需要編寫軟件生成特定的電路結(jié)構(gòu),完成相應(yīng)的功能。選擇芯片型號(hào)為L(zhǎng)C4256,主要完成的工作是拓展PWM波、對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行封鎖、處理過(guò)流信號(hào)等。三相逆變電路的橋臂上下管為180°互補(bǔ)導(dǎo)通。由于PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)由于各種原因產(chǎn)生延遲,可能造成一個(gè)開關(guān)管還未完全關(guān)斷,另外半橋的開關(guān)管已開通,此時(shí)上下管直通,電流突增,造成功率器件過(guò)流。為了防止直通造成的器件損壞,上下管的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)中需添加死區(qū),通過(guò)CPLD的移相和邏輯運(yùn)算功能插入死區(qū)。將F28335發(fā)出的12路PWM波送至CPLD,對(duì)這12路PWM波進(jìn)行移相,將移相前的PWM波和移相后的PWM波進(jìn)行“與非”邏輯運(yùn)算,得到三相橋電路上管的驅(qū)動(dòng)PWM波;將移相前的PWM波和移相后的PWM波進(jìn)行“或”邏輯運(yùn)算,得到三相橋電路下管的驅(qū)動(dòng)PWM波,如圖2所示。
圖2 驅(qū)動(dòng)PWM波產(chǎn)生
由此得到的驅(qū)動(dòng)波形,既保證了上下管互補(bǔ)導(dǎo)通,同時(shí)又插入了死區(qū),防止上下直通。
圖3 CPLD發(fā)出PWM波
圖4 PWM波死區(qū)局部放大 CPLD除了具有拓展PWM,使之足夠驅(qū)動(dòng)4臺(tái)舵機(jī)的功能,還具有信號(hào)封鎖和過(guò)流保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)時(shí),CPLD接收反饋低電平,通過(guò)“或非”門之后與驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行“與”邏輯運(yùn)算,進(jìn)而封鎖PWM波,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。
在永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子上放置旋變來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的讀取,位置解碼電路包括旋變解碼芯片解碼電路和旋變激磁信號(hào)的放大電路2部分組成。解碼電路使用芯片AD2S1200對(duì)旋變輸出信號(hào)進(jìn)行解碼,根據(jù)TypeⅡ閉環(huán)跟蹤原理,跟蹤輸入信號(hào),將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)化為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量,其輸出的轉(zhuǎn)子角度只與正余弦信號(hào)的比值有關(guān),而與絕對(duì)值無(wú)關(guān),因而誤差小,噪聲抑制能力強(qiáng)。AD2S1200自身集成了片上可編程正弦波振蕩器,為旋變提供正弦波激勵(lì)信號(hào)。這個(gè)參考激勵(lì)輸出外部需接一個(gè)激磁信號(hào)的放大電路,來(lái)提供增益以及增大電流驅(qū)動(dòng)旋變。激磁信號(hào)放大電路如圖5所示。
圖5 激磁信號(hào)放大電路
由于采用的旋變?yōu)槎嗄Υ═S2620N21E11,根據(jù)其手冊(cè)可知,其初級(jí)繞組需用7Vrms的電壓驅(qū)動(dòng),初級(jí)繞組阻抗為70+j100Ω,則激勵(lì)緩沖放大電路所需驅(qū)動(dòng)電流有效值如下:
則需提供57.346mA驅(qū)動(dòng)電流。
圖8 余弦信號(hào)波形
位置信號(hào)的讀取分為串口方式和并口方式。串口方式讀取需12μs,而并口方式讀取僅需3μs,當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí),程序運(yùn)行空間僅為100μs。采用串口方式讀取4路輸出信號(hào)周期較長(zhǎng),不利于電機(jī)的控制。為了減少程序運(yùn)行周期,保證程序正常運(yùn)行,采用并口方式讀取輸出信號(hào),通過(guò)DSP對(duì)旋變解碼芯片進(jìn)行片選來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)4臺(tái)電機(jī)的位置速度信號(hào)讀取,程序流程圖如圖9所示。
圖9 轉(zhuǎn)子位置讀取程序流程圖
4路解碼器的時(shí)鐘由NB3N551分頻電路獲得,以此來(lái)加強(qiáng)旋變解碼芯片工作的同步性,分頻電路如圖10所示。
圖10 時(shí)鐘分頻電路
功率電路由保護(hù)電路、隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。保護(hù)電路檢測(cè)電流信號(hào)并反饋至DSP進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。當(dāng)直流母線過(guò)流時(shí),會(huì)影響功率管的工作,甚至使功率管等器件損壞,從而不能正常工作,故必須對(duì)系統(tǒng)的母線電流進(jìn)行監(jiān)視。采用電流檢測(cè)芯片ACS709LLFTR-35BB-T進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)母線過(guò)流時(shí),會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反饋到DSP以封鎖PWM信號(hào)。
隔離電路采用光耦將控制電與驅(qū)動(dòng)電隔離,使之沒(méi)有直接電氣連接,防止不必要的干擾。采用光耦HCPL0454,改變PWM信號(hào)電平后送給功率模塊。信號(hào)的單向傳輸,完全實(shí)現(xiàn)了輸入端與輸出端的電氣隔離。
驅(qū)動(dòng)電路通常由分離元器件搭建或者使用智能功率模塊(IPM)搭建而成??紤]到獨(dú)立的MOS管搭建電路體積較大,且電路調(diào)試過(guò)程較為復(fù)雜,使用IPM構(gòu)建功率電路。由于受控舵機(jī)的直流工作電壓為90V,則三相逆變電路的功率管承受的最大反向電壓為90V,考慮到2倍裕量,MOS管耐壓需達(dá)到180V。選用MSK公司的功率模塊,型號(hào)4322。MSK4322內(nèi)部集成了耐壓200V的MOSFET,最大承受電流20A,內(nèi)部能產(chǎn)生2μs上下管驅(qū)動(dòng)死區(qū)防止直通。
由于彈用舵機(jī)控制系統(tǒng)本身對(duì)體積質(zhì)量及功率密度要求較高,因此提出了單DSP控制4臺(tái)舵機(jī)的硬件方案。為了實(shí)現(xiàn)該方案,同時(shí)保證系統(tǒng)的精確度,選取合適的開關(guān)頻率并對(duì)程序進(jìn)行精簡(jiǎn)。取開關(guān)頻率為10kHz,程序流程圖如圖11所示。
圖11 程序流程圖
采用模塊化的編程方式,在TI提供的開發(fā)環(huán)境CCS中進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)程序包含頭文件、庫(kù)文件、地址分配文件和源文件等。主程序主要完成控制系統(tǒng)的初始化,包括各模塊寄存器的配置和程序中使用參數(shù)變量的初始化。中斷源采用定時(shí)器下溢中斷,當(dāng)中斷發(fā)生,進(jìn)入中斷子程序執(zhí)行系統(tǒng)核心控制算法,包括電機(jī)位置讀取、AD電流采樣處理、轉(zhuǎn)速計(jì)算、故障檢測(cè)、坐標(biāo)變換、PI調(diào)節(jié)器和數(shù)字SPWM調(diào)制等。對(duì)舵機(jī)實(shí)行外環(huán)位置環(huán)、內(nèi)環(huán)電流環(huán)的雙閉環(huán)控制,采用的控制策略為矢量控制,控制框圖如圖12所示。
圖12 雙閉環(huán)控制框
在已搭建的Labview平臺(tái)上對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行位置閉環(huán)測(cè)試。給定幅值3mm的階躍信號(hào),觀察位置反饋跟隨狀況。實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。
圖13 給定階躍信號(hào)下位置跟隨
觀察波形發(fā)現(xiàn),起始零位存在0.3mm誤差,在系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi),動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,無(wú)超調(diào),無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差,跟隨性能良好。
給定幅值為3mm的正弦波信號(hào),觀察位置反饋跟隨狀況。實(shí)驗(yàn)波形如圖14所示。
圖14 給定正弦信號(hào)下位置跟隨
第一個(gè)半周期內(nèi),位置跟隨存在超調(diào),隨后跟隨性能良好。