基于DSP的空空導(dǎo)彈數(shù)字伺服控制系統(tǒng)

摘要：針對(duì)某型空空導(dǎo)彈設(shè)計(jì)了基于DSP控制的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成原理、硬件設(shè)計(jì)方案和控制算法等。與模擬控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)具有修改參數(shù)方便、控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字伺服控制系統(tǒng)；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；DSP

中圖分類號(hào)：TJ765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673—5048（2013）03—0018—03

0 引言

伺服控制系是空空導(dǎo)彈不可缺少的關(guān)鍵組成部分，其性能直接決定著導(dǎo)彈飛行過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。傳統(tǒng)的模擬伺服控制系統(tǒng)控制參數(shù)需要通過(guò)更改硬件進(jìn)行調(diào)整，調(diào)試繁瑣且很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法?？垢蓴_能力弱，而數(shù)字控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，參數(shù)調(diào)整可通過(guò)軟件完成。這樣可在較短的時(shí)間內(nèi)調(diào)試出性能優(yōu)良的系統(tǒng)。本文介紹了一種基于TI公司TMS320F2812 DSP的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能及硬件設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈伺服控制系統(tǒng)將來(lái)自飛控系統(tǒng)的舵控信號(hào)，經(jīng)過(guò)變換和功率放大，克服氣動(dòng)鉸鏈力矩和彎曲力矩。驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空氣舵以一定角速度偏轉(zhuǎn)，形成與控制信號(hào)成比例的舵偏角，改變彈體的飛行姿態(tài)，從而控制導(dǎo)彈的飛行軌跡。

空空導(dǎo)彈數(shù)字伺服控制系統(tǒng)由控制電路、反饋信號(hào)采樣電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路、串行通信接口電路及控制軟件組成，伺服電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.1 控制電路

為了實(shí)現(xiàn)伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)協(xié)調(diào)四通道舵機(jī)工作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理?？刂葡到y(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)，這里選用TI公司專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的高性能DSP TMS320F2812作為CPU，TMS320F2812 DSP的設(shè)計(jì)基于增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)，三級(jí)流水線操作，指令執(zhí)行速度大幅提高，最高可達(dá)150 MIPS。最多可提供16路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，專為電機(jī)控制的兩個(gè)事件管理器模塊包括16路PWM調(diào)制通道和4個(gè)通用定時(shí)器，為4通道舵機(jī)控制提供了極大的便利。

控制電路主要由以TMS320F2812為核心的PWM生成電路和邏輯綜合電路組成。分別完成PWM調(diào)速功能和換相功能。

PWM是電機(jī)調(diào)速常用的一種方法，TMS320F-2812根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)給定的舵偏信號(hào)以及舵反饋信號(hào)，通過(guò)一系列的運(yùn)算產(chǎn)生控制信號(hào)。利用該控制信號(hào)調(diào)整PWM占空比以控制功率管的開關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，同時(shí)一旦產(chǎn)生故障，通過(guò)軟件及時(shí)封鎖PWM輸出直至故障消除。這里通過(guò)事件管理器PWM電路輸出PWM調(diào)制信號(hào)。

邏輯綜合電路采用GAL20V8可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，無(wú)刷電機(jī)中三個(gè)霍爾元件給出互差120°、脈沖寬度為180°的轉(zhuǎn)子位置信息，其組合在一個(gè)周期內(nèi)給出六個(gè)狀態(tài)，即每60°變換一個(gè)狀態(tài)。GAL電路將霍爾傳感器給出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)綜合進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送給驅(qū)動(dòng)芯片IR2130，IR2130的六個(gè)輸出信號(hào)控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速控制等功能，連接示意圖如圖2所示。

1.2 主電路及驅(qū)動(dòng)電路

直流無(wú)刷電機(jī)的主電路可以采用三相半控電路和三相全控電路。三相半控電路的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，需要的功率器件少。但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，每個(gè)繞組只通電1/3時(shí)間，另外2/3時(shí)間處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分的利用，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大，所以在要求比較高的場(chǎng)合，一般采用三相全控電路。

由于邏輯綜合電路輸出的PWM控制信號(hào)不足以驅(qū)動(dòng)功率管的通斷，因此要在PWM控制信號(hào)與主電路之間加上驅(qū)動(dòng)電路。電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使電力電子器件工作在較理想的狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性有重要的意義。

本系統(tǒng)主電路為三相全橋控制電路，三相全橋六個(gè)功率開關(guān)器件，需要六個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷。而每個(gè)驅(qū)動(dòng)器又需要一路獨(dú)立的電源，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了不便，而且系統(tǒng)較為龐大。IR2130是美國(guó)國(guó)際整流器公司生產(chǎn)的功率MOS器件柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，它能輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)化。

以IR2130為主構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。由控制部分產(chǎn)生六路PWM信號(hào)分別送到IR2130的2—7管腳，經(jīng)IR2130內(nèi)部處理產(chǎn)生六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)V1～V6功率MOS管。圖中C1，C2，C3是自舉電容。為上橋臂功率管H9ETJe56nsR7jmYcGXpvuw==驅(qū)動(dòng)的懸浮電源存儲(chǔ)能量，D7，D8，D9的作用是防止上橋臂導(dǎo)通時(shí)的直流母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D7，D8，D9應(yīng)選用快速恢復(fù)二極管，而且自舉電容容量取決于被驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時(shí)其兩端電壓不低于欠壓保護(hù)動(dòng)作值，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)的開關(guān)頻率大于5 kHz時(shí)，該電容值應(yīng)不小于0.1μF。

1.3 舵面角度反饋信號(hào)檢測(cè)

常用的角度信號(hào)檢測(cè)一般選用旋轉(zhuǎn)光柵碼盤。從功能實(shí)現(xiàn)上說(shuō)。旋轉(zhuǎn)光柵碼盤是比較理想的選擇，其一，其輸出的脈沖信號(hào)屬于數(shù)字量，在抗干擾能力上要比模擬信號(hào)好得多；其二，DSP內(nèi)部集成了正交脈沖電路（QEP），可以方便地捕獲到傳感器反饋的信息。但旋轉(zhuǎn)光柵編碼盤存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是抗振動(dòng)能力差，在劇烈振動(dòng)的情況下，里面的光柵很可能被振壞。

鑒于以上原因，舵面角度反饋檢測(cè)通過(guò)高精度電阻電位器測(cè)量，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓、濾波、跟隨、限幅等一系列處理后，送給TMS320F2812的A/D通道。

2 算法設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

空空導(dǎo)彈高機(jī)動(dòng)大過(guò)載的特性對(duì)伺服系統(tǒng)提出了很高的要求，要求系統(tǒng)快速、無(wú)超調(diào)。要滿足這些指標(biāo)，好的控制算法是關(guān)鍵。因?yàn)樗欧到y(tǒng)的指令位置具有很大的模糊不確定性，加之被控對(duì)象的非線性和系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變性。傳統(tǒng)PID控制算法很難滿足要求，而分段PID能起到較好的控制效果。根據(jù)分段PID控制規(guī)則，把誤差劃分等級(jí)。當(dāng)誤差較大時(shí)，增大比例系數(shù)，并且只有比例項(xiàng)，以提高伺服系統(tǒng)快速響應(yīng)特性；當(dāng)誤差為中等的時(shí)候，增大比例項(xiàng)并添加微分項(xiàng)，在確保系統(tǒng)快速響應(yīng)性的同時(shí)，控制系統(tǒng)的超調(diào)：當(dāng)誤差較小時(shí)，以積分項(xiàng)為主，以控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差在較小的范圍內(nèi)。其控制算法流程圖如圖4所示。

伺服系統(tǒng)的位置反饋直接決定系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)態(tài)性能，通過(guò)采用分段PID控制。不僅保持了傳統(tǒng)PID控制原理的簡(jiǎn)單、有效、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且具有更大的靈活性、適應(yīng)性和精確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，得到10°階躍響應(yīng)曲線和頻率10 Hz、幅值為±2°信號(hào)響應(yīng)曲線，分別如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)跟蹤誤差小，系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。響應(yīng)速度快，具有很好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于DSP控制的空空導(dǎo)彈數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，采用分段PID控制策略，充分利用DSP高速運(yùn)算的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。試驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)工作穩(wěn)定，分段PID控制算法使得系統(tǒng)在環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，依然具有快速無(wú)超調(diào)的定位性能，具有較強(qiáng)的魯棒性。

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