電動(dòng)舵機(jī)伺服控制器的設(shè)計(jì)與研究

趙志剛，林 輝，張慶超，張 韜

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0 引 言

舵機(jī)系統(tǒng)是飛行控制系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵組成部分，它的特性優(yōu)良與否直接影響飛行控制系統(tǒng)的整體性能。電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)是接收飛行器飛行過(guò)程中導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的位置給定信號(hào)，并實(shí)時(shí)、快速、精確地控制飛行器舵面的偏轉(zhuǎn)，使舵面精準(zhǔn)地跟蹤導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的位置給定信號(hào)。所以，舵機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)典型的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，舵機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo)直接決定了飛行器的飛行軌跡。

本文介紹了基于TMS320F2812 和三菱公司的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片PM75RLA120 舵機(jī)伺服控制器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)。從機(jī)械結(jié)構(gòu)到伺服部件和控制器的主控芯片的選擇，力求簡(jiǎn)單、緊湊和可靠。根據(jù)其特點(diǎn)及要求精度，采用結(jié)合模糊控制規(guī)則的抗積分飽和PID 控制器。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

舵機(jī)系統(tǒng)主要由舵機(jī)控制器、PWM 功率模塊、伺服電機(jī)、減速器、位置傳感器等部分組成。整個(gè)舵機(jī)控制系統(tǒng)接收位置信號(hào)控制指令，以及電機(jī)反饋電流、速度、舵面偏轉(zhuǎn)角度信號(hào)，經(jīng)過(guò)舵機(jī)控制器計(jì)算，輸出控制信號(hào)，從而帶動(dòng)舵機(jī)伺服電機(jī)按一定的規(guī)律作動(dòng)，并經(jīng)過(guò)滾珠絲杠結(jié)構(gòu)至舵機(jī)軸輸出。這樣形成了一個(gè)舵機(jī)位置閉環(huán)的伺服作動(dòng)系統(tǒng)。

1.2 控制器的硬件整體構(gòu)成

舵機(jī)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 舵機(jī)伺服結(jié)構(gòu)框圖

從圖中得知，硬件電路的設(shè)計(jì)包括:控制單元電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、IPM 功率模塊電路、通信電路以及對(duì)各路反饋信號(hào)的調(diào)理電路。其中，混合式光電編碼器有ABZ 信號(hào)和UVW 信號(hào)，UVW 用于測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置，ABZ 用于測(cè)量轉(zhuǎn)子角度及電機(jī)轉(zhuǎn)速。舵面偏轉(zhuǎn)角度由絕對(duì)式光電編碼器測(cè)得，編碼器采用SSI 通信協(xié)議，根據(jù)系統(tǒng)的控制需要，DSP 的I/O口產(chǎn)生編碼器所需的使能和時(shí)鐘信號(hào)，編碼器將位置信號(hào)以數(shù)字量輸出給特定的I/O 引腳，通過(guò)計(jì)算得出位置的絕對(duì)角度值。

1.3 控制器的軟件整體構(gòu)成

軟件上采用id= 0 控制策略，采用“位置環(huán)PID+ 速度環(huán)PID + 電流環(huán)PID”的控制方法，其中絕對(duì)式光電編碼器用于位置反饋，轉(zhuǎn)子位置的微分作為速度環(huán)的反饋，電機(jī)線電流作為電流環(huán)的反饋?？紤]機(jī)械諧振、力矩耦合及電氣參數(shù)波動(dòng)等非線性不確定因素的影響，采用結(jié)合模糊規(guī)則的抗積分飽和的PID 控制器。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

舵機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

控制器以TMS320F2812 為核心，通過(guò)智能功率驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn);舵面轉(zhuǎn)角給定可以通過(guò)模擬信號(hào)給定，也可以通過(guò)串口通信給定。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

控制器采用TI 公司的TMS320F2812。電機(jī)選用永磁同步電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)采用三菱公司的智能功率驅(qū)動(dòng)模塊PM75RLA120，并使用專用驅(qū)動(dòng)電源JS159，驅(qū)動(dòng)模塊還具有制動(dòng)控制，以及過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓、交叉導(dǎo)通保護(hù)等功能。采用ACS758 進(jìn)行相電流檢測(cè)，ACS758 的輸出端經(jīng)過(guò)減法器限壓，可選用巴特沃斯低通濾波器對(duì)其進(jìn)行二階濾波。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

舵機(jī)伺服系統(tǒng)采取模塊化編程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分為主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊，軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

T2 定時(shí)中斷用于產(chǎn)生編碼器所需的使能和時(shí)鐘信號(hào)，并通過(guò)I/O 引腳電平計(jì)算出位置的角度值。

3.2 在線修正積分項(xiàng)的模糊PID 控制

一個(gè)PID 控制器可以被稱作一個(gè)在頻域系統(tǒng)的濾波器，不依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)參數(shù)變化不敏感。而采用結(jié)合模糊規(guī)則的抗積分飽和PID 控制器，使得程序調(diào)試更具靈活性，系統(tǒng)性能也得到很大提升，控制原理框圖及其離散形式的原理圖分別如圖5、圖6 所示。

根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差以及當(dāng)前偏差的變化，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID 的比例、積分、微分系數(shù)。

模糊控制器的輸入為誤差e、誤差變化率Δe，輸出量為U，采用相同的的模糊集，隸屬函數(shù)采用對(duì)稱、均分、全交迭的三角形。模糊集:e，Δe，U∈{NB，NS，ZO，PS，PB};模糊變量設(shè)定為正態(tài)模糊變量，其正態(tài)函數(shù):

假設(shè)基本論域?yàn)椋踑 ，b ］，論域均取e，Δe，U∈{－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4}，采用公式對(duì)其進(jìn)行歸一化，論域轉(zhuǎn)化為［－1，1］內(nèi)。

表1 為得出的模糊控制量U。采用加權(quán)平均判別法進(jìn)行去模糊化，得到U 的實(shí)際輸出量。

表1 模糊控制量U

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)抗積分飽和PID 控制器不同，控制器積分項(xiàng)的特別設(shè)計(jì)避免了抗積分飽和參數(shù)的調(diào)試，使得參數(shù)更易于調(diào)節(jié)。其離散方程如下:

其中比例項(xiàng):

在線修正的積分項(xiàng):

微分項(xiàng):

下一時(shí)刻的積分項(xiàng):

式中:Uout(k)為PID 控制器輸出;e(k)為當(dāng)前時(shí)刻參考變量與反饋?zhàn)兞恐g的偏差;T 為控制周期;Kp為比例系數(shù);Kl為積分系數(shù);KD為微分系數(shù)。

積分項(xiàng)未飽和時(shí):

積分項(xiàng)飽和時(shí):

或

根據(jù)式(5)獲取下一時(shí)刻的積分項(xiàng)，不會(huì)引起積分的長(zhǎng)時(shí)間累積，使積分項(xiàng)處于未飽和狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控制器實(shí)物如圖7 所示。

圖7 控制器測(cè)試實(shí)物

給定信號(hào)幅值為± 15°、周期為0．5 s 的方波信號(hào)，負(fù)載為100 N·m，舵機(jī)位置跟蹤曲線及其穩(wěn)態(tài)誤差如圖8 所示。

圖8 舵機(jī)位置跟蹤曲線及其穩(wěn)態(tài)誤差

舵機(jī)伺服系統(tǒng)的最大超調(diào)量為0．5°，穩(wěn)態(tài)誤差為≤0．1°，滿足設(shè)計(jì)要求。

給定信號(hào)幅值為± 15°、周期為0．5 s 的正弦信號(hào)，負(fù)載為100 N·m，舵機(jī)位置跟蹤曲線及其動(dòng)態(tài)誤差如圖9 所示。

圖9 正弦波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)誤差≤0．5°，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了整個(gè)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制，針對(duì)機(jī)械諧振、力矩耦合等非線性因素，設(shè)計(jì)了在線修正積分項(xiàng)的抗積分飽和PID 控制器，并用模糊控制規(guī)則對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)各項(xiàng)性能滿足指標(biāo)要求，具有控制精度高、響應(yīng)迅速、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

［1］ 李兵強(qiáng)，林輝．新型永磁同步電機(jī)高精度調(diào)速系統(tǒng)［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，15:61－66．

［2］ 姬偉，李奇．陀螺穩(wěn)定平臺(tái)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID 控制［J］．航空學(xué)報(bào)，2007(1):191－195．

［3］ Liscou?t J，Maré J C，Budinger M．An integrated methodology for the preliminary design of highly reliable electromechanical actuators:Search for architecture solutions［J］．Aerospace Science and Technology，2012，22(1):9－18．

［4］ Reznik L，Ghanayem O，Bourmistrov A．PID plus fuzzy controller structures as a design base for industrial applications［J］．Engineering Applications of Artificial Intelligence，2000，13(4):419－430．

［5］ Savran A．A multivariable predictive fuzzy PID control system［J］．Applied Soft Computing，2013，13(5):2658－2667．

［6］ Karasakal O，Guzelkaya M，Eksin I，et al．Online tuning of fuzzy PID controllers via rule weighing based on normalized acceleration［J］．Engineering Applications of Artificial Intelligence，2013，26(1):184－197．