摘要： 本文實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字無刷電動舵機(jī)控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)以浮點(diǎn)信號處理器TMS320F28335作為控制核心， 以磁電編碼器作為舵偏角反饋裝置， 以直流無刷電機(jī)作為伺服電機(jī)， 以齒輪副和滾珠絲杠副作為減速機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高實(shí)時性、 寬帶寬輸出。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)對于1°， 10 Hz輸入信號的相位延遲為16.8°， 角速度可到達(dá)580 （°）/s， 系統(tǒng)頻帶可達(dá)到34 Hz。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字無刷電動舵機(jī)； 數(shù)字信號處理器； 直流無刷電機(jī)

中圖分類號： TJ765文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1673-5048（2018）04-0084-05

0引言

伺服控制系統(tǒng)是導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的組成部分， 其任務(wù)是將來自控制系統(tǒng)的俯仰、 偏航和滾轉(zhuǎn)信號， 經(jīng)過信號變換和功率放大， 克服氣動鉸鏈力矩和彎曲力矩， 驅(qū)動舵面按規(guī)定的方向以一定角速度偏轉(zhuǎn)， 形成與控制信號成比例的舵偏角， 從而改變彈體的飛行姿態(tài)， 因此伺服控制系統(tǒng)的性能將直接影響導(dǎo)彈的快速機(jī)動能力和制導(dǎo)精度。

為了提高導(dǎo)彈的快速機(jī)動能力， 要求伺服控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)特性和控制精度。 傳統(tǒng)的以有刷電機(jī)為核心構(gòu)成的舵機(jī)由于受電機(jī)性能的制約， 已無法滿足這種要求。 無刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 1955年， 美國的Harrison D等人首次申請了用晶體管換相線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利， 標(biāo)志無刷直流電機(jī)的誕生。 無刷電機(jī)由于采用電子換向代替了機(jī)械換向， 因此在同樣體積下可以達(dá)到更大的功率輸出。 另外， 計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字控制芯片的運(yùn)算速度越來越快， 功能更加豐富， 使無刷直流電機(jī)的控制更加精確和穩(wěn)定。

為滿足制導(dǎo)控制系統(tǒng)對舵機(jī)快速性和功率輸出等性能的更高要求， 采用DSP數(shù)字控制芯片， 以無刷直流電機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)字無刷電動舵機(jī)就成為一個必然的選擇。

1電動舵機(jī)控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計的電動舵機(jī)控制系統(tǒng)采用無刷電機(jī)驅(qū)動， 單一位置反饋控制。 舵機(jī)的四個舵回路獨(dú)立工作， 且工作原理和組成相同。 每個舵回路由控制電路、 無刷直流電機(jī)、 傳動機(jī)構(gòu)、 位置反饋裝置等組成。 系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的控制電路接收飛控組件發(fā)送的舵控制指令信號， 同時接收位置反饋信號， 經(jīng)過運(yùn)算處理后形成脈寬調(diào)制控制信號。 脈寬調(diào)制控制信號送給電機(jī)驅(qū)動電路， 經(jīng)過功率放大， 驅(qū)動無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動。 減速傳動機(jī)構(gòu)在無刷直流電機(jī)的作用下， 驅(qū)動舵面轉(zhuǎn)動并達(dá)到指定的位置。 系統(tǒng)的控制策略框圖如圖2所示。

1.1控制電路

控制電路的主要作用如下：

（1） 控制電路DSP通過RS-422通信接口電路與飛控組件信息進(jìn)行交互和傳遞（接收舵控指令、 反饋舵偏角信號、 發(fā)送自檢信息等）；

（2） 通過控制電路DSP的SSI通信接口采集舵反饋信號， 并將數(shù)字量送入數(shù)字信號處理器；

（3） 將舵反饋信號與舵控指令比較、 綜合， 通過設(shè)定的控制算法進(jìn)行運(yùn)算， 輸出數(shù)字控制量；

（4） 輸出的數(shù)字控制信號送入功率放大電路后經(jīng)過隔離， 并進(jìn)行功率放大后施加到無刷電機(jī)上， 驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

控制電路的工作原理框圖如3所示。

1.1.1信號處理電路

TMS320F28335是TI公司生產(chǎn)的一款高性能浮點(diǎn)處理器， 運(yùn)行主頻達(dá)到150 MHz， 68 K的SARAM， 512 K的ROM片內(nèi)Flash， 16 K的引導(dǎo)ROM， 6個增強(qiáng)PWM模塊， 18個PWM輸出， 3個SCI串行通信接口， 1個SPI串行設(shè)備接口， 完全可以滿足浮點(diǎn)處理算法和電機(jī)控制的要求， 以適應(yīng)現(xiàn)代控制算法、 自適應(yīng)控制等復(fù)雜實(shí)時控制算法的應(yīng)用需求， 具有良好的可擴(kuò)展性。

航空兵器2018年第4期付克亞： 一種數(shù)字無刷電動舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計DSP的外圍電路通常由時鐘電路、 JTAG接口電路、 復(fù)位電路等組成。 時鐘電路使用20 MHz晶振， 采用DSP內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)對外部時鐘進(jìn)行倍頻， 可得到100 MHz的工作頻率。 JTAG接口用于DSP的在線仿真與程序?qū)懭耄?DSP的上電復(fù)位信號由電源變換芯片TPS70351PWP提供。

DSP輸出的控制信號經(jīng)過SNJ54LS240總線驅(qū)動器， 以提高DSP輸出控制信號的驅(qū)動能力。 控制信號驅(qū)動電路如圖4所示。

1.1.2通信接口電路

舵機(jī)控制器采用RS-422異步全雙工通訊模式與飛控組件和遙測組件進(jìn)行信息交換。 采用具有增強(qiáng)抗靜電能力的專用RS-422通信芯片MAX3490EESA實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。 DSP內(nèi)部使用通訊模塊SCIA和SCIB， 通過軟件可對波特率、 中斷模式、 消息塊的數(shù)據(jù)字格式等進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置。 通信電路原理見圖5。

1.1.3位置反饋電路

位置反饋電路主要是采集舵面角位移， 并把采集到的位移信息輸出到DSP中參與位置環(huán)運(yùn)算。 磁電編碼器是一種非接觸式角位移傳感器， 基于磁電效應(yīng)感應(yīng)角度信息， 當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時， 磁鋼跟隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動， 由磁鋼產(chǎn)生的磁力線分布也隨之轉(zhuǎn)動， 通過磁感應(yīng)芯片內(nèi)部的霍爾陣列檢測出旋轉(zhuǎn)磁鐵的磁場強(qiáng)度分布， 并從中解析出角位移信息。 磁電編碼器構(gòu)成部件少， 結(jié)構(gòu)緊湊， 易于實(shí)現(xiàn)小型化、 高精度、 高分辨率， 具有抗振動、 抗沖擊特性， 同時可以直接輸出數(shù)字量， 提高了抗干擾能力， 不需要額外的AD變換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 大大提高了伺服控制的數(shù)字化程度。

磁電編碼器的角度輸出為絕對值串行輸出信號， 采用SSI接口DA+、 DA-、 CLK+、 CLK-低壓差分信號傳遞。 絕對位置在控制器發(fā)出的時鐘脈沖的控制下， 從高有效位（MSB）開始同步傳輸； 當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時， 時鐘和數(shù)據(jù)線均為高電平。 在時鐘信號的第一個上升沿， 編碼器的當(dāng)前位置被送出。

在DSP芯片內(nèi)設(shè)計SSI通信協(xié)議， 采用DSP的普通IO口產(chǎn)生SSI時鐘CLK， 并使用普通IO口接收編碼器輸出的串行數(shù)據(jù)； 利用4通道RS-422總線驅(qū)動芯片和總線接收芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換； 驅(qū)動器接收來自DSP的驅(qū)動時鐘信號， 將其轉(zhuǎn)換為低壓差分信號輸出， 以驅(qū)動編碼器； 接收器接收來自編碼器輸出的差分串行數(shù)據(jù)， 并將其變換為單端信號， 輸入到DSP內(nèi)進(jìn)行存儲、 處理， 如圖6所示。

1.1.4電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路接收數(shù)字信號處理器輸出的調(diào)速和方向控制信號， 同時接收電機(jī)霍爾信號， 經(jīng)過邏輯綜合處理后， 控制三相逆變器中的功率開關(guān)管按一定的相序?qū)ê完P(guān)斷， 實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)定子U， V， W三相繞組交替通電， 產(chǎn)生持續(xù)力矩， 驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 驅(qū)動電路的原理框圖如圖7所示。

1.2傳動機(jī)構(gòu)

傳動機(jī)構(gòu)選用目前比較成熟的滾珠絲杠減速機(jī)構(gòu)， 其中滾珠絲桿副具有控制精度高、 傳動效率高、 結(jié)構(gòu)緊湊、 體積小等優(yōu)點(diǎn)， 傳動機(jī)構(gòu)原理圖如圖8所示。 電機(jī)轉(zhuǎn)動時， 帶動減速齒輪使絲杠旋轉(zhuǎn)， 螺母根據(jù)絲杠的旋轉(zhuǎn)左右移動， 帶動搖臂偏轉(zhuǎn)， 使舵軸轉(zhuǎn)動形成舵偏角。

1.3控制算法

本文采用的伺服控制算法為分段PID算法。 分段PID算法是PID算法的改進(jìn)， 其核心思想就是以系統(tǒng)給定誤差為分界線劃分不同的控制區(qū)間， 在這些不同區(qū)間中設(shè)置不同的比例、 微分、 積分系數(shù)來進(jìn)行PID控制。 在系統(tǒng)給定誤差較大時， 比例系數(shù)Kp較大， 積分、 微分系數(shù)為零， 系統(tǒng)滿控制量輸出， 提高系統(tǒng)的快速性； 系統(tǒng)給定誤差進(jìn)入分段區(qū)間時， 采用PID控制， 保證系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)特性滿足要求； 系統(tǒng)誤差接近零時， 采用較為保守的PID參數(shù)， 減小Kp， 增大微分系數(shù)Kd， 消除系統(tǒng)超調(diào)， 增大積分系數(shù)Ki， 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

另外， 控制軟件通過SSI通信口采集舵面角位移。 SSI通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)比較簡單， 只需要SSI串行時鐘CLK發(fā)送、 串行數(shù)據(jù)DA接收兩個數(shù)據(jù)端口即可完成數(shù)據(jù)的通信。 DSP采集舵反饋時， 可以通過通用IO輸出串行時鐘CLK， 并通過通用IO口接收編碼器的輸出數(shù)據(jù)DA； DSP不采集舵反饋時， 只需將串行時鐘CLK置高。

2試驗(yàn)測試

為對電動舵機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證， 對伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。

當(dāng)輸入舵控信號為1°， 10 Hz信號， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖10所示。 經(jīng)過計算， 系統(tǒng)相位延遲為16.8°。

當(dāng)輸入指令為幅值30°、 周期為1 Hz的方波信號時， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖11所示。 經(jīng)過計算， 系統(tǒng)角速度為585 （°）/s。

系統(tǒng)的幅頻特性曲線如圖12所示。 可以看到， 系統(tǒng)帶寬約為34 Hz。

通過試驗(yàn)測試， 可以看到系統(tǒng)具有高快速性、 寬頻帶等特性。

3結(jié)論

本文完成了一種數(shù)字無刷電動舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計， 該系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器為控制核心， 可以適應(yīng)復(fù)雜實(shí)時控制算法的應(yīng)用需求， 具有良好的可擴(kuò)展性。 位置傳感器采用磁電編碼器， 伺服電機(jī)選用無刷直流電機(jī)， 并采用結(jié)構(gòu)緊湊的滾珠絲杠副作為減速機(jī)構(gòu)， 分別完成了控制電路、 傳動機(jī)構(gòu)和控制算法的詳細(xì)設(shè)計， 并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 系統(tǒng)具有控制精度高、 可靠性高、 實(shí)時性高、 功率輸出密度高、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 大幅提升了伺服控制系統(tǒng)的整體性能， 對提升導(dǎo)彈的快速機(jī)動能力具有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王慧， 劉曉利， 王文文.含有死區(qū)與間隙電動舵機(jī)的反演控制[J].航空兵器， 2016（5）： 29-33.

Wang Hui， Liu Xiaoli， Wang Wenwen. Backstepping Control of Electromechanical Actuator with Dead Zone and Gap[J]. Aero Weaponry， 2016（5）： 29-33.（in Chinese）

[2] 陳墨， 胡昌華， 張偉， 等. 新型無刷直流電動伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用， 2015， 42（5）： 6-10， 16.

Chen Mo， Hu Changhua， Zhang Wei， et al. Design and Analysis of a New BLDCM Servomechanism[J]. Electric Machines & Control Application， 2015， 42（5）： 6-10， 16.（in Chinese）

[3] 楊同杰. 基于DSP的直流伺服電機(jī)控制器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2009.

Yang Tongjie. The Design of BLDC Motor Motion Control System Based on DSP[D].Nanjing： Nanjiang University of Science and Technology， 2009.（in Chinese）

[4] 蔡敬海. 機(jī)載光電穩(wěn)定平臺跟蹤伺服系統(tǒng)研究[D]. 長春： 長春理工大學(xué)， 2009.

Cai Jinghai.Research on Tracking Servo System of Airborne ElectroOptical Stabilized Platform[D]. Changchun： Changchun University of Science and Technology，2009.（in Chinese）

[5] 侯曉松. 基于DSP的彈上舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2008.

Hou Xiaosong. Design of the Steering Engine Control System for Missile Based on DSP[D].Xian： Xidian University， 2008.（in Chinese）

[6] 謝濤， 楊碩， 曹軍明.數(shù)字無刷電動舵機(jī)轉(zhuǎn)角測試技術(shù)研究[J].航空兵器， 2012（3）： 18-21.

Xie Tao， Yang Shuo， Cao Junming. A Research for Rudder Angle Test Technology of Digital Brushless Electric Actuator[J]. Aero Weaponry， 2012（3）： 18-21.（in Chinese）

[7] 郭棟， 李朝富.反操縱負(fù)載力矩對電動舵機(jī)性能的影響分析[J].航空兵器， 2014（2）： 9-11.

Guo Dong， Li Chaofu. Influence of Reverse Operating Torque on Electromechanical Actuator Performance[J]. Aero Weaponry， 2014（2）： 9-11.（in Chinese）

Abstract： A digital brushless electric actuator system is designed. The control system adopts a floatingpoint digital signal processor TMS320F28335 as control core of control circuit， uses the magnetoelectric encoder as the angle measuring device， uses the brushless DC motor as the actuator， uses the ball screw and gear pair as the retarding mechanism to realize high realtime and wideband output of system.The experimental results show that the phase delay is 16.8° at 1°， 10 Hz sinusoidal signal， the system angular velocity comes up to 580 （°）/s， and the system bandwidth achieves to about 34 Hz.

Key words： digital brushless electric actuator； digital signal processor； brushless DC motor