一種新型直流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：傳統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)均采用三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)。但在某些特殊場合，如舵機(jī)伺服系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，采用電流環(huán)與位置環(huán)雙閉環(huán)控制，省去了速度環(huán)的測速電機(jī)，簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。利用MATLAB/Simulink工具建立了一套新型直流伺服系統(tǒng)的仿真模型，根據(jù)模型，研制實(shí)物樣機(jī)。依據(jù)仿真模型與實(shí)物，通過對比仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證實(shí)該伺服系統(tǒng)滿足使用要求，具有工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)；直流電機(jī)；電動舵機(jī)

中圖分類號：TM33；TP273

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，對導(dǎo)彈、智能彈等制導(dǎo)武器提出了全新的要求，為了適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需求，需要制導(dǎo)武器具有更高的精度，更好的機(jī)動性以及穩(wěn)定性。而舵機(jī)作為制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的重要組成部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]，其性能的好壞直接決定著飛行過程的動態(tài)品質(zhì)。

傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三部分組成。但在舵機(jī)伺服系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)本身體積的限制，再加上系統(tǒng)對控制性能要求高，因此采用電流環(huán)與位置環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，節(jié)省了直流電機(jī)內(nèi)部的測速電機(jī)，并且，兩環(huán)的控制結(jié)構(gòu)在帶寬上大大高于三環(huán)結(jié)構(gòu)。

在新型直流伺服系統(tǒng)研制中，建立準(zhǔn)確，簡潔的仿真模型對研制實(shí)物樣機(jī)具有重要作用，通過仿真模型檢查設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整控制方案，提高研制效率。本文利用MATLAB/Simulink工具建立了一套直流伺服系統(tǒng)仿真模型，最后通過試驗(yàn)將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出結(jié)論。

1 總體設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制采用全電動舵方案，通過伺服電機(jī)控制舵機(jī)舵偏角。四個舵機(jī)控制共用一個CPU，該CPU用于接收舵偏角指令信息和實(shí)際舵偏角信息，并按照設(shè)計(jì)要求對舵偏角進(jìn)行指令跟蹤。

舵機(jī)系統(tǒng)主要由控制器和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)正常工作時，舵機(jī)控制器接受制導(dǎo)計(jì)算機(jī)給定的舵面偏角信號，并驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)，保證舵面在規(guī)定的響應(yīng)時間內(nèi)以一定的精度趨近給定偏角，同時將當(dāng)前舵面的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角反饋給制導(dǎo)計(jì)算機(jī)?？刂破鲃t采用PWM控制方式，通過調(diào)整PWM脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)舵面的控制。

圖中，G1（S）和G2（S）分別為控制器傳遞函數(shù)和矯正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，J為折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的總轉(zhuǎn)動慣量，Ra為電動機(jī)內(nèi)阻，KE和KT分別為電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。本文是以TI公司的32位浮點(diǎn)DSP芯片28335為核心，設(shè)計(jì)的舵機(jī)直流伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)對4個舵機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，在接收飛控指令的同時發(fā)送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到測試系統(tǒng)[3]。

系統(tǒng)主要由DSP控制單元和舵機(jī)單元構(gòu)成，舵機(jī)單元還包括了驅(qū)動電路，采樣電路，減速機(jī)構(gòu)等。

DSP完成控制運(yùn)算，數(shù)據(jù)通訊，A/D采樣和PWM輸出等功能。驅(qū)動功率電路實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)的驅(qū)動控制。采樣電路選用電位器作為位置傳感器，對檢測的電機(jī)電流信號，經(jīng)濾波處理后，由A/D采樣電路送到DSP中參與運(yùn)算。伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1.1 位置反饋電路設(shè)計(jì)。位置反饋電路采用精密電位器反饋實(shí)際舵面位置，將舵面位置信號以直流電壓信號形式輸出，在電位器兩端通過串聯(lián)電阻進(jìn)行電壓限位，輸出的信號通過無源RC低通濾波器進(jìn)行濾波，再將反饋信號通過運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓跟隨，對經(jīng)過上述程序處理后的舵面位置信號經(jīng)過A/D采樣電路送到DSP中參與運(yùn)算[4]。反饋采樣電路如圖3所示。

2.1.2 電流采樣電路設(shè)計(jì)。電流采樣通過電阻檢測實(shí)現(xiàn)，利用采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過放大和濾波，送給DSP的A/D采樣單元，轉(zhuǎn)換后的電流信號用以產(chǎn)生控制舵機(jī)的PWM信號。

2.1.3 減速器設(shè)計(jì)。由于電動舵機(jī)系統(tǒng)空間小，電機(jī)自身又具有較高的轉(zhuǎn)速，為了實(shí)現(xiàn)更好的減速效果，舵機(jī)控制系統(tǒng)采用二級減速機(jī)構(gòu)，第一級采用電機(jī)內(nèi)置減速器，第二級采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)減速器。減速器的總速比為兩級減速器個速比的乘積。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?？刂破鬈浖饕瓿晌恢梅答佇盘栕x取、CAN協(xié)議控制、位置控制器解算等功能。

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)。主程序主要完成的功能是循環(huán)處理舵面位置和電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行電流環(huán)與位置環(huán)的調(diào)節(jié)。主程序流程圖如圖4所示。

2.2.2 CAN協(xié)議控制。CAN協(xié)議控制軟件主要包括CAN控制器的初始化、總線信息的接受、信息的打包發(fā)送等內(nèi)容。

CAN控制器在完成初始化工作后進(jìn)入正常工作模式，在正常模式中，伺服控制器采用中斷方式接收總線信息，并對信息進(jìn)行判斷，如需應(yīng)答，控制器軟件對應(yīng)答信息打包并發(fā)送至CAN總線。

3 系統(tǒng)仿真建模

伺服系統(tǒng)主要由電機(jī)、采樣率波電路、伺服控制器和傳動機(jī)構(gòu)組成，其仿真模型如圖5所示。

3.1 電機(jī)仿真模型。直流電機(jī)仿真模型依據(jù)電機(jī)方程[5]經(jīng)拉普拉斯變換后可得，仿真模型如圖6所示。

其中，U為電樞電壓，La為電樞繞電感，Ra為電樞電阻，ia為電樞繞組電流，E為電機(jī)反電動勢，Ke為反電動勢系數(shù)，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Kt為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電機(jī)與負(fù)載折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，B為總粘性摩擦系數(shù)。

3.2 采樣濾波電路仿真模型。采樣率波電路選擇無源RC低通濾波器，若時間常數(shù)為2ms和1ms，其仿真模型如圖7所示。

3.3 控制算法仿真模型。本文采用電流、位置雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，位置環(huán)采用PID控制方式，電流環(huán)采用電流截止負(fù)反饋。控制算法仿真模型如圖8所示。

其中，EP為控制指令與舵偏角之差，I_lim為電流限位值，If為反饋電流。

3.4 傳動機(jī)構(gòu)仿真模型。傳動機(jī)構(gòu)仿真模型是根據(jù)實(shí)測空回?cái)?shù)據(jù)，在仿真模型上建立的非線性環(huán)節(jié)。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

本文利用MATLAB/Simulink工具，在同一界面中對飛控指令、仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，用來驗(yàn)證系統(tǒng)的動態(tài)性能和仿真模型的準(zhǔn)確度[6]。

若分別給定一個頻率1Hz，幅值2°的正弦信號和一個幅值1°的階躍信號，其響應(yīng)曲線分別如圖9，10所示。

圖中，CH1為飛控指令，CH2為仿真曲線，CH3為實(shí)測曲線。由圖可知，仿真曲線與實(shí)測曲線中存在約60ms的平頂區(qū)域，這是由于在仿真模型中考慮到實(shí)測空回，加入了非線性環(huán)節(jié)所致。

由上圖可以看出，系統(tǒng)的跟蹤性能良好，運(yùn)行可靠，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，可知，仿真模型準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

本文考慮到實(shí)際舵機(jī)的設(shè)計(jì)需求，在沒有降低舵機(jī)性能的基礎(chǔ)上省略了速度環(huán)，采用電流環(huán)與位置環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并通過仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并通過仿真模型設(shè)計(jì)實(shí)物樣機(jī)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)滿足了指標(biāo)要求，并且運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，具有一定的工程價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?jiān)?基于DSP的小型電動舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[2]景濤.基于DSP的電動舵機(jī)伺服控制[J].信息技術(shù)，2013（5）：12-15.

[3]楊永亮，吳小役，趙志勤.一種電動舵機(jī)伺服系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2012，3（9）：48-50.

[4]林忠萬.基于DSP的導(dǎo)彈舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

[5]林輝，王輝.電力電子技術(shù)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2002.

[6]黎海青，郭百巍，徐紅.基于ADAMS與SIMULINK的舵機(jī)虛擬樣機(jī)建模和仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（21）：6556-6888.

作者簡介：陳方（1987-），女，陜西咸陽人，助理工程師，碩士研究生，主要從事伺服系統(tǒng)及控制算法的研究。

作者單位：西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽 712099