航天大功率無刷電動舵機控制器研究

張 翔，馬瑞卿，胡克石

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710129)

0 引 言

目前，隨著飛航導(dǎo)彈射程、速度、飛行高度和機動性的不斷增加，電動舵機系統(tǒng)正向著輸出力矩大、響應(yīng)速度快、功率大、體積小、集成度高、全數(shù)字化方向發(fā)展。無刷直流電動機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，已經(jīng)在國防、航空航天等領(lǐng)域中得到了較好的應(yīng)用［1－2］。

然而，從目前國內(nèi)外的使用情況來看，雖然電動舵機越來越多地被應(yīng)用在導(dǎo)彈上，并受到日益廣泛的重視，但還存在不少問題和薄弱環(huán)節(jié)，尤其在大功率方面，電路參數(shù)變化對伺服回路的特性影響較大、伺服回路可測試性差、可靠性差、切換保護邏輯復(fù)雜對于大型彈道導(dǎo)彈目前的電動舵機一般很難滿足這方面的要求［3］。

本文以大功率無刷直流電動舵機為對象，設(shè)計一種基于DSP+CPLD的數(shù)字化高精度、高可靠性的控制器。系統(tǒng)框圖如圖1所示，具有高精度控制、多功能保護等功能，并具有輸入電壓范圍寬，輸出電流大、體積小、易于控制、接口可靠、抗干擾能力強，方便MCU控制等特點，適合于高頻響、大功率、高可靠性伺服系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 航天大功率舵機的工作特點分析

航天飛行器的控制可以劃分為兩部分:一是實現(xiàn)特定的飛行彈道;二是必須對目標(biāo)可能的航向改變作出反應(yīng)。后者取決于對目標(biāo)位置、速度或加速度信息的適時修正。由于現(xiàn)階段航天飛行器一般以極高的速度飛行，所以在控制舵機對飛行路線進行修正上必須要有快速的響應(yīng)和準(zhǔn)確的定位;其次在飛行過程中，為了避免飛行器處于比較大的波動，一個穩(wěn)定的控制回路至關(guān)重要，在此就要求舵機系統(tǒng)不但要有快速的響應(yīng)，還必須要有較好的穩(wěn)定性;再次大功率電動舵機在運行過程中，其電壓、電流等參數(shù)變化復(fù)雜，要對各種出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進行處理，保證系統(tǒng)的安全運行。本文將以快速、穩(wěn)定、可靠這三個方面為主，對大功率舵機控制器進行分析、設(shè)計。

(1)利用DSP運算速度快，設(shè)計三閉環(huán)系統(tǒng)，配合模糊PID算法、并口數(shù)據(jù)傳輸達到高精度、響應(yīng)速度快的特點;

(2)發(fā)揮CPLD強大的邏輯處理能力，簡化DSP程序，使得主程序簡化明了，通過合理的模擬、數(shù)字雙濾波電路，使得信號傳輸穩(wěn)定;

(3)分析了大功率無刷直流舵機工作時電壓、電流、上下電、電氣回路的參數(shù)情況，設(shè)計合理的電路和程序，保證其可靠性。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源供電設(shè)計

本控制器輸入有兩種直流電源，分別為驅(qū)動電機的180 V(DC)功率電源和確?？刂破髡９ぷ鞯?4 V(DC)控制電源。其中，180 V直流電源經(jīng)過上下電開關(guān)電路、濾波電容排、三相全橋逆變器后為電機三相星形繞組提供方波驅(qū)動電流，使電機的主功率通道;而24 V直流電源為總的控制電源，分別通過電源模塊轉(zhuǎn)換為1路+5 V和1路±15 V的信號級電源、四路隔離的+15 V逆變器驅(qū)動電源。

首先分析上電過程中的邏輯時序，處于何種狀態(tài)下的邏輯時序會造成功率部分的導(dǎo)通混亂，從而使控制器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。表1中可以看出，狀態(tài)1、狀態(tài)2，由于芯片供電和邏輯信號電都為0，不會造成功率器件的導(dǎo)通;當(dāng)狀態(tài)3、狀態(tài)4、狀態(tài)5時，由于5 V邏輯電平和DSP、CPLD上電時的不穩(wěn)定狀態(tài)，功率器件可能存在導(dǎo)通無序的狀態(tài)，要控制好電源上下點時序，避免狀態(tài)3、4、5的情況出現(xiàn)。

表1 電源供電狀態(tài)表

本控制器在IPM前級，用MOSFET和三級管搭建了一個模擬電路，當(dāng)3.3 V、1.9 V和5 V上電未穩(wěn)定時，IPM前級管腳通通被上拉5 V，當(dāng)3.3 V、1.9 V和5 V都滿足穩(wěn)定時，MOSFET關(guān)斷，IPM的輸出前級變?yōu)橛蒀PLD控制的輸出信號;當(dāng)系統(tǒng)下電時，系統(tǒng)檢測到3路信號電有變化時，馬上關(guān)斷光耦5 V前級供電，框圖如圖2所示。

圖2 上下電管理框圖

2.2 主控芯片設(shè)計

本系統(tǒng)采用DSP+CPLD的組合控制方式，DSP采用TMS320F2812的32位定點DSP，非常適用于工業(yè)控制、電機控制等。而CPLD采用epm1270，該芯片供電電壓采用3.3 V，其集成度高、程序并行處理速度快且性能優(yōu)良。兩者結(jié)合優(yōu)勢明顯，DSP作為控制單元，運算速度快、易于高速算法的實施;而CPLD作為邏輯、保護處理單元，其并行處理能力強，邏輯時序功能強大。

2.3 檢測電路

2.3.1 電壓檢測

舵機驅(qū)動系統(tǒng)一般都存在電壓泵升，通常，電源一般無法吸收該能量，大多數(shù)存儲在濾波電容上，因此要對母線電壓進行監(jiān)控，當(dāng)電壓較高時，IPM制動功率管導(dǎo)通，能量通過制動電阻R釋放掉。

根據(jù)主功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓檢測點設(shè)計在電容排的兩端，根據(jù)該電壓值可知道母線電壓的大小、電壓泵升、電容排上有無電荷等，電壓傳感器選用LEM公司的LV25－P磁平衡式電壓傳感器，其輸出為電流型隔離式，外配電阻進行輸出電壓匹配。

2.3.2 電流檢測

本系統(tǒng)考慮到驅(qū)動電動舵機時電機始終處于頻繁正/反轉(zhuǎn)，大電流沖擊頻繁，對運行過程中的母線電流和三相電流都要進行同時檢測;采用三個霍尼韋爾公司生產(chǎn)的CSNS 300M－002電流傳感器，額定0～300 A，峰值電流600 A;一個檢測母線電流、剩下兩個檢測兩路相電流，通過2路相電流反算出第三路相電流，同樣外配電阻進行輸出電壓匹配。

2.3.3 位置檢測

控制器的位置檢測采用旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾信號同時采樣，將霍爾信號同時送入DSP和CPLD，而旋轉(zhuǎn)變壓器信號通過AD2S1200旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成電路，輸出12位絕對位置信息和帶符號的11位速度信息。

2.3.4 溫度檢測

溫度通過熱敏電阻進行實時檢測，通過電阻分壓比，輸出0～5 V電壓。

2.3.5 硬件濾波電路

大功率電動舵機電磁環(huán)境復(fù)雜，航天系統(tǒng)對于可靠性要求又比較高，既要保證系統(tǒng)的可靠性，又不能頻繁出現(xiàn)虛警現(xiàn)象，所以濾波采用硬件、軟件雙濾波設(shè)計。而硬件濾波又分為雙通道，如圖3所示，電壓、電流、溫度模擬信號經(jīng)過二階有源濾波后也分成兩路，一路通過變比例后輸出電壓信號給AD采樣，通過采樣反饋信號給CPLD，另一路經(jīng)過與過流基準(zhǔn)比較，輸出TTL電平信號給CPLD，進行邏輯綜合處理，實現(xiàn)故障保護。

2.4 通訊電路

根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在本控制器的組合中，DSP主要用來做速度、電流、位置三閉環(huán)的算法;而CPLD作為邏輯時序電路的主控單元，它承擔(dān)逆變器管子的邏輯開通，電壓、電流、位置信號的檢測，以及各種故障信號和使能信號的檢測;還有過AD2S1200旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成電路。他們之間采用并口傳送數(shù)據(jù)，電壓、電流、溫度等信號通過AD采樣送入CPLD，旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號通AD2S1200并口傳送給CPLD，最后在CPLD中通過VHDL語言編寫一個通訊協(xié)議，依次將三相電流、母線電流、母線電壓、速度信號、旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號等在短時間內(nèi)通過并口連接將數(shù)據(jù)送入DSP。

圖3 信號濾波電路

2.5 主功率及驅(qū)動電路

圖4為逆變器主功率電路圖。從圖中看出180 V主功率電壓(直流母線電壓)首先經(jīng)過一個功率電阻和大功率MOSFET并聯(lián)的上電開關(guān)電路，其中功率電阻R1用于對后級濾波電容排上電電流進行限制，當(dāng)電容排上的電壓達到預(yù)定值時，功率MOSFET導(dǎo)通，功率電阻被短路，在驅(qū)動器運行過程中，電機電流一直從該MOSFET上流過。當(dāng)電機剎車時，由CPLD控制斬波信號，這是母線電容電壓泵升，母線電壓超過260 V時，經(jīng)過比較器產(chǎn)生過壓信號，G7開通。如果過壓信號消失，G7導(dǎo)通50 μs后關(guān)斷?？紤]到本舵機系統(tǒng)額定電流60 A，峰值電流220 A，逆變器采用采用7管組成的 IPM模塊PM300RL A060，額定300 A，峰值600 A，為了吸收直流母線上的電壓電流尖峰，在IPM的P、N兩個引腳就近安裝高頻無感電容。

圖4 逆變器主功率電路

驅(qū)動信號部分，CPLD發(fā)出PWM信號，將驅(qū)動信號送入ULN2003復(fù)合晶體管陣列，再將ULN2003后極驅(qū)動信號送入高速光耦HCPL4504，通過模擬上下電管理電路之后，驅(qū)動信號送入IPM模塊。

3 軟件設(shè)計及時序圖

3.1 DSP 軟件

DSP是控制閉環(huán)的核心部分，DSP的軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，對于控制系統(tǒng)的最終實現(xiàn)有著關(guān)鍵性的作用。本程序采用C語言編寫，通過CCS3.3進行編譯。

控制方式為三閉環(huán)系統(tǒng)。位置、速度為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，其中速度環(huán)采用模糊 PID的控制，CPLD將采來的電壓、電流、位置、速度、溫度信號通過并口協(xié)議傳送給DSP作為參考根據(jù)，再和DSP中位置環(huán)和速度環(huán)的給定進行比較，經(jīng)過速度環(huán)的模糊PID調(diào)節(jié)，產(chǎn)生輸出，這個輸出再作為電流環(huán)的輸入，對CPLD傳回的電流值和自身采集到的霍爾信號進行簡單的空間矢量換算，然后將換算后的電流反饋進行PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)經(jīng)過三閉環(huán)后，改變DSP輸出PWM占空比，將新的PWM占空比信號發(fā)送給CPLD。

圖5是DSP程序流程框圖。DSP程序包括主程序和子程序。主程序包括初始化一些寄存器配置、I/O口配置、模塊的配置和中斷配置、變量的初始化等等以及讀取CPLD中電機和控制器的信號;而子程序是對讀取信號進行換算，并進行PID調(diào)節(jié)。

圖5 DSP程序流程圖

這里重點對速度環(huán)中模糊控制流程，以及參數(shù)匹配進行重點分析和設(shè)計。根據(jù)舵機控制系統(tǒng)的實際需要，采用二維模糊控制方法，根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速變化率ec變化范圍設(shè)定二維模糊規(guī)則表，并且通過 e、ec和二維模糊規(guī)則表查，對 KP、KI、KD進行修正:

最后將修正的值送入轉(zhuǎn)速環(huán)PID計算，通過轉(zhuǎn)速環(huán)的PID計算，得出轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，最后將輸出送入電流環(huán)，其具體控制流程如圖6所示。

3.2 CPLD 軟件

CPLD是邏輯和驅(qū)動部分的核心，實現(xiàn)邏輯合成、故障保護、斬波控制、信號接收處理、PWM量化和與外部通信等功能。

CPLD接收電流、電壓、旋轉(zhuǎn)變壓器位置、溫度等信號，并通過并口通訊協(xié)議，將其實時送入DSP中，并和Hall、PWM等模擬電平信號進行綜合邏輯處理，具體流程如圖7所示。

圖6 模糊控制流程圖

圖7 CPLD流程圖

雖然對于關(guān)鍵信號都進行了硬件濾波，但是考慮到控制器對于高穩(wěn)定性的需要，為了增強控制器的魯棒性，防止虛警現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于故障信號還要在CPLD中進行數(shù)字濾波，如圖8所示，對于長度小于1 μs的信號不予處理，超過20 μs的故障信號進行保護處理，當(dāng)處理信號消失時延遲30 μs，取消保護信號。

圖8 CPLD保護信號濾波圖

4 實驗波形與結(jié)果

該航天用大功率無刷電動機額定電壓180 V(DC)，額定電流60 A，額定功率9 kW，額定轉(zhuǎn)速7 000 r/min;對系統(tǒng)進行階躍響應(yīng)測試，由于位置信號由總系統(tǒng)給出，這里僅對速度和電流閉環(huán)進行測試。

圖9為7 000 r/min時正反轉(zhuǎn)階躍信號波形。從圖9中我們可以看出，給定一個從－7 100～7 100 r/min的階躍信號，系統(tǒng)迅速跟隨，響應(yīng)時間在40 ms左右，超調(diào)500 r/min左右，超調(diào)量≤4%。圖10為7 000 r/min正反轉(zhuǎn)階躍信號電流波形。通道1、2為相電流波形，通道3為給定階躍信號，通道1、2為50 A/V。從圖10可以看出，控制器保護功能良好，在正反轉(zhuǎn)過程中對于電流可以有效地保護在200 A以下。實驗證明采用該控制器對大功率無刷舵機可以進行良好的控制，響應(yīng)速度快、精度高、正反轉(zhuǎn)電流控制理想。

圖9 7 000 r/min正反轉(zhuǎn)階躍信號給定、跟隨波形

圖10 7 000 r/min正反轉(zhuǎn)階躍信號電流波形

5 結(jié) 語

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套航天用大功率無刷直流電動舵機的控制器，以DSP+CPLD作為核心控制器件，設(shè)計了集上下電管理、綜合邏輯處理、模糊PID控制、信號采集處理于一體，其精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、保護功能強大。該控制方法成功應(yīng)用于某型號電力作動系統(tǒng)中，在多種情況下都能可靠、穩(wěn)定的運行，減小了大功率舵機系統(tǒng)的體積，取得了較好的應(yīng)用效果。

［1］ 鄭志偉.空空導(dǎo)彈系統(tǒng)概論［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1997.

［2］ 汪軍林，解付強，劉玉浩.導(dǎo)彈電動舵機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.飛航導(dǎo)彈，2008(3):42－46.

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