容差分析在舵機反饋采樣控制電路中的應(yīng)用

饒大偉，張昆峰

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

由于制造工藝水平和使用環(huán)境特殊限制，空空導(dǎo)彈電路中電子元器件的實際參數(shù)總是和其標(biāo)稱值之間存在隨機誤差，這嚴(yán)重制約導(dǎo)彈電路性能可靠性。且其對產(chǎn)品成本有控制要求，在同時保證導(dǎo)彈高性能、高可靠性和經(jīng)濟性的背景下，如何選擇合適的電子元器件參數(shù)就顯得尤為重要。

容差分析就是在給定元器件參數(shù)分布范圍，計算其變化對系統(tǒng)性能的影響。通過分析，可以評估電路系統(tǒng)中元器件的參數(shù)變化對系統(tǒng)影響的大小，從而據(jù)此來優(yōu)化設(shè)計，將電路的誤差控制在可靠范圍內(nèi)[1，3]。

舵機反饋采樣控制電路通過將角位移轉(zhuǎn)換為電信號實現(xiàn)對舵面的實時準(zhǔn)確檢測，它作為舵機中的關(guān)鍵電路，其精確控制性能將直接影響導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)，任務(wù)完成度和產(chǎn)品安全性。本文將重點對舵反饋采樣控制電路進(jìn)行容差分析和設(shè)計。

1 Saber容差仿真分析

Saber軟件憑借Windows集成開發(fā)環(huán)境，對電路容差仿真分析，大大減少建模型和復(fù)雜運算的工作量?；赟aber進(jìn)行容差仿真分析，首先要選擇電路系統(tǒng)中關(guān)鍵電路，及其元器件參數(shù)分布和使用環(huán)境邊界條件；而后確定輸入量、元器件參數(shù)和電路輸出響應(yīng)之間關(guān)系；之后選取一種恰當(dāng)?shù)娜莶罘治龇椒?，求解電路輸出及偏差范圍。最常用的容差分析思想是基于統(tǒng)計學(xué)和以靈敏度為基礎(chǔ)的非概率統(tǒng)計，也即蒙特卡羅分析（Monte Carlo Analysis）和最壞情況分析（Worst-Case Analysis）[6-7]。

蒙特卡羅分析是假設(shè)電路組成部分的性能參數(shù)服從某種分布，由電路組成部分性能參數(shù)抽樣來分析電路系統(tǒng)性能參數(shù)偏差的一種統(tǒng)計分析方法[3]。

最壞情況分析是利用元器件極限值來計算系統(tǒng)性能參數(shù)變化范圍[4-5]。最壞情況分析方法容易操作，但得出的分析結(jié)果過于保守。

2 舵機反饋采樣電路容差分析

2.1 舵機反饋采樣電路基本工作原理

舵機反饋采樣電路采用電位器反饋測量舵面實際位置，反饋電位器將舵面位移轉(zhuǎn)換為直流電壓信號輸出，為將電位器輸出的電壓信號調(diào)整在后端處理電路允許的輸入信號范圍內(nèi)，使用電阻串連在電位器兩端進(jìn)行電壓限位。為消除反饋回路上的高頻干擾，電位器輸出信號采用一階低通有源濾波電路進(jìn)行濾波。為了提高反饋輸出電壓信號的驅(qū)動能力，將反饋信號通過運算放大器JL148BCA進(jìn)行電壓跟隨。之后，調(diào)理后的舵面位置信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成位置數(shù)據(jù)，位置量被送進(jìn)DSP參與控制運算，主要原理框圖如圖1所示。

圖1 舵機反饋采樣控制電路框圖Fig.1 Structure diagram of sampling and control circuit of a servo feedback

舵機反饋采樣控制電路對四個相互獨立、對稱的舵面進(jìn)行位置采樣控制，本文只分析其中一個通道的電路。電路正常工作時，A/D供電電路、A/D轉(zhuǎn)換誤差及+27 V電源濾波電路等對系統(tǒng)反饋采樣電路性能影響極小，且A/D誤差可以在后續(xù)處理運算中用軟件來修正，可以不作分析，只對與反饋電位器相關(guān)的電路進(jìn)行容差仿真分析。

利用Saber軟件進(jìn)行電路容差分析建模，搭建完成的舵反饋采樣控制仿真電路圖如圖2所示，其中Posmeter為電位器的仿真模型，隨著電位器的轉(zhuǎn)動，R1和R2的比值發(fā)生變化，從而使電位器的輸出Ctrl發(fā)生相應(yīng)的改變。

圖2 舵反饋采樣控制電路仿真模型Fig.2 Simulation model of sampling and control circuit for servo feedback

2.2 基于最壞情況分析的容差分析

舵面在零位時，選擇舵反饋采樣控制電路中的位置跟隨輸出POS信號進(jìn)行靈敏度分析，POS的靈敏度分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓跟隨器輸出POS的靈敏度分析結(jié)果Fig.3 Sensitivity analysis results of voltage follower output POS

從圖3可以看出，電位器的供電電壓15 V和-15 V、電位器滑動阻值和電位器兩端的串接電阻R1和R2對POS影響比較大，在擾動范圍內(nèi)，R1和-15 V與POS變化方向相同，R2和15 V與POS變化方向相反。

因此可以得出，影響 POS輸出的器件主要是 R1、R2、MTR2815D的輸出和電位器。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，可對R1、R2、MTR2815D和電位器取極值進(jìn)行極值分析。由于電阻R1和R2的容差為±1%，電位器總阻值為4.7 kΩ，容差為±10%，MTR2815D正輸出電壓為14.85～15.15 V，負(fù)電源輸出為-15.23～14.77 V。R1和-15 V與POS變化方向相同，R2和15 V與POS變化方向相反，采用最壞分析方法對電路進(jìn)行分析?？梢粤谐龃治龅淖顗那闆r如表1所示。

2.2.1 極小值情況分析

設(shè)置 R1=788.04，R2=803.96，正電壓輸出 V=15.225，負(fù)電壓輸出V=-15.345。

1）當(dāng)電位器總阻值為5.17 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（a）所示。

表1 極值表Tab.1 Extreme values

2）當(dāng)電位器總阻值為4.23 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（b）所示。

2.2.2 極大值情況分析

設(shè)置 R1=788.04，R2=80.3.96，正電壓輸出 V=14.775，負(fù)電壓輸出V=-14.655。

1）當(dāng)電位器總阻值為5.17 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（c）所示。

圖4 最壞情況仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of worst-case analysis

2）當(dāng)電位器總阻值為4.23 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（d）所示。

綜合以上分析結(jié)果，可以得到，POS的極大值為0.059668V，極小值為-0.060 0339 V。

2.3 基于蒙特卡羅的容差分析

DC/DC 電路 MTR2815D 輸出電壓為+15（1±1.5%）V、-15（1±2.3%）V，C1、C3、C8、C9、C10、C11精 度 等 級為±10%，C2、C4精度等級為±10%，R1為金屬氧化膜電阻精度等級為 1%，R14、R15、R16、R17為 10 kΩ 精 度 等 級±5%，R6、R7為 金 屬 膜 電 阻796Ω精度等級為±1%，R41為精密導(dǎo)電塑料電位器，標(biāo)稱阻值為 4.7 kΩ±10%，有效電行程為 300±3°。

設(shè)置所有參數(shù)的分布為隨機分布，對舵機反饋采樣控制仿真電路進(jìn)行蒙特卡羅分析。

設(shè)置舵面在零位時：

1）電位器總阻值為5.17 kΩ時，POS的蒙特卡羅分析結(jié)果如圖 5（a）所示。

2）電位器總阻值為4.23 kΩ時，POS的蒙特卡羅分析結(jié)果如圖 5（b）所示。

從上述仿真分析可以看出，JL148BCA跟隨輸出POS幅值的極限變化范圍-0.326 53 V～0.325 53 V，且在±0.3 V和0 V電平值附近出現(xiàn)頻率較高。

圖5 蒙特卡羅仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of Monte Carlo analysis

3 容差仿真結(jié)果分析

綜合以上結(jié)論，采用極值分析和蒙特卡羅分析，可以看到舵反饋采樣控制電路的輸出均在TLC2578允許的輸入信號范圍內(nèi)，完全滿足設(shè)計要求。其中，對舵反饋采樣控制電路的輸出影響比較大的元器件為R1、R2、MTR2815D，在電路中選用時精度等級都相對比較高，從而使該電路的輸出精度比較高。而電路中電位器器的誤差等級為±10%，誤差等級比較低，在不考慮其他參數(shù)影響的情況下，電位器阻值為4.7 kΩ和電位器阻值為5.17 kΩ時，導(dǎo)致JL148BCA的跟隨輸出在舵偏角為0°時偏差最大可以達(dá)到0.054 5 V，這個差值將導(dǎo)致TLC2578輸出的數(shù)字量差值為11，反應(yīng)在角度上差值為0.2°。在舵面正常工作±39°之間時，通過文中方法分析其在任意范圍內(nèi)的電路性能，其結(jié)果反應(yīng)一致。所以，為提高舵反饋的精度，可以考慮在現(xiàn)有電路系統(tǒng)中采用精度等級更高的電位器，并在后續(xù)舵機工程化應(yīng)用中得到驗證。

4 結(jié)束語

容差分析是電路系統(tǒng)可靠性設(shè)計與分析的一個重要措施[2，8]。文中采用Saber仿真分析軟件對某空空導(dǎo)彈的舵機反饋采樣電路進(jìn)行容差分析研究，預(yù)測電路系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性以及電路中元器件參數(shù)變化對性能的影響，找出影響舵反饋電路性能的重要因素，并提出下一步改進(jìn)設(shè)計的方案。容差分析可以對所舵機電路的性能進(jìn)行評估，同時，為電路系統(tǒng)的可靠性設(shè)計提供了一種有效方法，對導(dǎo)彈舵機工程化具有重要價值。

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