全數(shù)字化飛行器舵機硬件控制系統(tǒng)設(shè)計＊

倪 原，牛佳惠，劉智平，劉應(yīng)晟，秦東旭

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，西安 710021）

隨著高速數(shù)字處理芯片的推廣、先進導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)以及電動舵機技術(shù)的發(fā)展使飛行器控制系統(tǒng)性能得到很大提高，舵機面向全電化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，先進的舵機控制方案也更易實現(xiàn).早在2004年已有關(guān)于采用DSP芯片TMS320F240對電動舵機進行控制的研究［1-3］，雖然該芯片是作為電機控制的專用芯片而推出，但其處理能力相對較弱，只有20MIPS，因此只能實現(xiàn)對文中所研究的導(dǎo)彈舵機系統(tǒng)的常規(guī)控制，而無法使現(xiàn)代控制算法得到有效應(yīng)用.高性能DSP芯片TMS320F2812的出現(xiàn)，使電動舵機的研究進入了一個新的領(lǐng)域.強大的性能和豐富的外設(shè)，不僅能處理復(fù)雜的控制算法，而且還簡化了控制系統(tǒng)的開發(fā)過程和難度，使得研制的樣機具有可靠性高、響應(yīng)快等優(yōu)點［4-6］.飛行器在高速飛行的過程中，舵機的轉(zhuǎn)動和調(diào)整必須要求數(shù)據(jù)處理的快速性和精確性，因此在處理定點計算的同時還要做大量浮點運算，但這一點TMS320F2812卻無法完成，它不具備浮點運算功能.近年，對電動舵機控制的研究開始采用TI公司最新推出的TMS320F28335芯片，它不僅繼承了TMS320F2812的各種優(yōu)點，還增加了浮點運算單元，為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了巨大的方便［7］.文獻［8］中還提出了無刷直流電動舵機伺服系統(tǒng)的無位置傳感器控制方案，為數(shù)字化電動舵機的發(fā)展提供又一重要途徑.文獻［9］則針對飛航導(dǎo)彈進行了舵機數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，設(shè)計的各模塊電路對本文具有非常大的借鑒意義，但由于其選用的核心控制芯片性能和外設(shè)優(yōu)勢不明顯，增加了開發(fā)難度，且許多智能控制算法都無法有效應(yīng)用.文中以32位浮點高運算速率DSP（TMS320F28335）作為主控制器核心處理芯片，設(shè)計的一套全數(shù)字化飛行器舵機控制系統(tǒng).在對無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)進行模塊化設(shè)計，包括姿態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)模塊、DSP控制模塊、數(shù)字伺服驅(qū)動器模塊以及相配套的舵機執(zhí)行機構(gòu)、電源模塊等.搭建系統(tǒng)硬件平臺后，對各模塊進行相關(guān)測試，并進行了系統(tǒng)總體調(diào)試和分析，同時對系統(tǒng)后期完善提供可行建議.

1 飛行器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

飛行器控制系統(tǒng)硬件部分是由導(dǎo)航系統(tǒng)、上位機、主控制器、舵面角度偏轉(zhuǎn)傳感器和舵機系統(tǒng)組成.飛行器控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.電源模塊由兩個36V和一個12V的電池構(gòu)成，36 V電源分別為四路舵機供電，12V電源則作為整個控制電路以及導(dǎo)航系統(tǒng)的供電電源.舵機系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，由4路稀土永磁無刷直流電機、4個諧波減速器和4個舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器組成，減速器安裝在電機的轉(zhuǎn)軸上，舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在減速器輸出軸上.

圖1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of hardware control system

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制器

舵機控制系統(tǒng)選取的DSP主控芯片是TI公司的TMS320F28335，它具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，符合飛行器在高速飛行過程中對運算以及處理速度的要求；片上集成256kB的閃存，方便自啟動，無需外部擴展，從而大大減小了控制系統(tǒng)的尺寸；它還包括16通道的12位AD轉(zhuǎn)換器，在實時參數(shù)采集與處理時可以更加精確快速的經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換處理得到大量數(shù)據(jù)；并且內(nèi)含豐富的中斷源，能夠及時處理各種突發(fā)事件，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時也便于以后的升級.與此同時，根據(jù)實際設(shè)計我們需要四路脈沖信號作為舵機的控制信號，而此芯片還具有專門的ePWM（增強型脈沖寬度調(diào)制器）模塊，包括18個PWM輸出，因此完全可以滿足設(shè)計要求.

2.2 導(dǎo)航系統(tǒng)

飛行過程中系統(tǒng)需要檢測飛行器的飛行高度、飛行速度、三維角速率、三維角加速度以及實際姿態(tài)角等信息.文中的導(dǎo)航系統(tǒng)采用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它能夠完成采集飛行器飛行中的實時飛行高度、飛行速度等信息，同時能夠?qū)崟r解算飛行器的航向角、俯仰角、橫滾角等實際姿態(tài)角信息，最終通過RS422接口以數(shù)字量的形式傳輸飛行器的航向和姿態(tài)角，以及三維角速率和三維角加速度等系統(tǒng)需要檢測的信息.

2.3 串行通信接口設(shè)計

DSP控制器的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送可以由串行通信接口（SCI）模塊實現(xiàn)，SCI模塊支持處理器和其他使用標(biāo)準(zhǔn)不歸零格式（NRZ）的異步外圍設(shè)備間的數(shù)字通信，可通過一個16位波特率控制寄存器的編程，配置不同的通信速率.TMS320F28335內(nèi)部有SCIA、SCIB和SCIC三個功能完全相同的串行通信接口模塊，它與導(dǎo)航系統(tǒng)通信使用SCIB，通信接口選用RS－422串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)航儀通過SCIB以中斷方式向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)傳送的波特率設(shè)置為115200bps，具體傳輸數(shù)據(jù)格式為：l位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無奇偶校驗；與上位機通信則使用SCIC，通信接口選用RS－232串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，傳輸數(shù)據(jù)格式和傳送波特率設(shè)置與RS－422相同.

2.4 舵機控制系統(tǒng)設(shè)計

舵機控制系統(tǒng)包括DSP、稀土永磁無刷直流電機、諧波減速器、驅(qū)動電路和舵面偏轉(zhuǎn)角度傳感器，它作為本系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是制導(dǎo)飛行器整個系統(tǒng)中的重要組成部分.

本設(shè)計中，系統(tǒng)參數(shù)性能指標(biāo)要求舵軸轉(zhuǎn)速范圍0～50r／min，最大輸出轉(zhuǎn)矩20N·m；舵面調(diào)整范圍±10°，調(diào)整誤差小于0.1°.

2.4.1 執(zhí)行電機與減速器

選取了功率120W，輸出轉(zhuǎn)矩為0.5N·m的稀土永磁無刷直流電機，它是一種采用PWM方波控制的新型直流電動機，近年來應(yīng)用廣泛.稀土永磁無刷直流電機正常情況下工作時最大轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r／min，由于在工作時需要輸出較大的力矩才能完成舵面的調(diào)整，因此選用減速比1∶40的諧波齒輪減速器作為該電機配套的減速器增大輸出力矩.由于電機的輸出轉(zhuǎn)矩為0.5N·m，則減速器輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩為20N·m.電機的最大轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r／min，減速器的減速比1∶40，要使電機減速后舵軸輸出轉(zhuǎn)速為50r／min，電機的實際輸出轉(zhuǎn)速為2000r／min.

2.4.2 伺服舵機驅(qū)動電路設(shè)計

電機驅(qū)動器用于執(zhí)行DSP控制器的命令并快速將命令下達(dá)給執(zhí)行機構(gòu)，系統(tǒng)選用全數(shù)字化伺服驅(qū)動器，能夠驅(qū)動電壓50V功率200W以下的伺服電機，與本系統(tǒng)選取的稀土永磁無刷直流電機相匹配.驅(qū)動器的輸入信號由DSP提供，包括電機位置和速度控制脈沖信號和方向信號，位置和速度脈沖信號由ePWM模塊產(chǎn)生，其頻率決定電機轉(zhuǎn)速，50kHz脈沖對應(yīng)3000r／min，因此電機實際輸出轉(zhuǎn)速為2000r／min時，需要輸出最小周期30μs的脈沖.脈沖個數(shù)決定舵軸的轉(zhuǎn)動角度，舵軸轉(zhuǎn)動1°對應(yīng)的脈沖個數(shù)約為111個.

四路方向信號則由DSP內(nèi)部I／O口控制，如圖2所示是其中一路舵機控制原理圖.

圖2 一路舵機控制原理圖Fig.2 Control principle of an actuator

由于電機驅(qū)動器所需輸入高電平為5V，而DSP輸出脈沖信號電壓為3.3V，因此加入了74LV245芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換且增大驅(qū)動能力和輸出電流.

從DSP到74LV245輸出的信號都屬于數(shù)字信號，如果直接將數(shù)字驅(qū)動信號與電機驅(qū)動器共地并作為電機驅(qū)動器的輸入，電機驅(qū)動器將對主控制器工作產(chǎn)生干擾，并降低系統(tǒng)抗干擾能力和安全性.因此采用光耦隔離的方法將主控制器與電機驅(qū)動器隔離.

2.4.3 舵面位置檢測

舵機控制時，通過軟件設(shè)置讓主控制器輸出占空比為50%，最小周期為30μs的脈沖信號，用定時器中斷使電機轉(zhuǎn)動到指定位置，實現(xiàn)對舵面偏轉(zhuǎn)角度的控制，以達(dá)到控制飛行器飛行姿態(tài)的目的.

系統(tǒng)選用抗震性強、反饋靈敏的精密導(dǎo)電塑料電位計作為舵面位置檢測傳感器，將線性電位計的轉(zhuǎn)動孔與舵機減速器的輸出軸連接，一旦舵面位置改變，線性電位計的電阻值隨之線性改變，同時其端電壓也隨之線性改變，輸出的電壓信號通過DSP內(nèi)部的A／D端采樣得到.

由于系統(tǒng)性能指標(biāo)要求舵機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動范圍為±10°，而TMS320F28335的ADC電壓范圍為0～3V，因此必須對A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行標(biāo)度變換，否則DSP只能采集0～3范圍內(nèi)數(shù)字.0～3V電壓對應(yīng)的數(shù)字量為0～4095，輸入模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程為：當(dāng)輸入模擬電壓小于0V時，數(shù)字值＝0；當(dāng)輸入模擬電壓在0～3V之間時，數(shù)字值 ＝（輸入模擬電壓－參考模擬電壓）／3×4095，其中參考模擬電壓為0；當(dāng)輸入模擬電壓大于3V時，數(shù)字值＝4095.

2.5 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的電源模塊有36V和12V兩種電壓.36V為舵機系統(tǒng)供電，12V為控制系統(tǒng)供電.TMS320F28335內(nèi)核電壓為1.9V，I／O引腳電壓為3.3V，主控制器外圍電路還需要5V的電源電壓，因此需要電源管理芯片將12V電源電壓轉(zhuǎn)換為主控制器所需電壓.如圖3所示，在主控制器外圍電壓轉(zhuǎn)換電路中，5V的供電電壓由12V通過LM7805電源管理芯片轉(zhuǎn)換得到，LM7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，其輸出電流可達(dá)到1A，滿足主控制系統(tǒng)的需要.其中C8和C9是穩(wěn)壓集成電路所要求的，用于穩(wěn)定LM7805內(nèi)部放大器的工作狀態(tài)，C9還起到改善電壓調(diào)整過度響應(yīng)的作用.

圖3 主控制器外圍電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.3 The conversion circuit of peripheral voltage of main controller

如圖4所示，在DSP引腳電壓轉(zhuǎn)換電路中，3.3V電壓由5V通過AMS1117芯片轉(zhuǎn)換得到，AMS1117是一個低漏失電壓調(diào)整器，片內(nèi)提供過載和過熱保護.它具有可調(diào)節(jié)和固定兩種版本，本設(shè)計選取輸出固定版本，輸出電壓3.3V.輸出連接一個10μF的鉭電容能夠確保AMS1117的穩(wěn)定性.

圖4 DSP引腳電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4 The conversion circuit of pin voltage of DSP

DSP內(nèi)核電壓轉(zhuǎn)換電路中，1.9V電壓由5V通過AMS1585芯片轉(zhuǎn)換得到，如圖5所示，AMS1585是一個高性能固定電壓調(diào)節(jié)器，能夠過短保護且熱關(guān)閉，輸出連接鉭電容可保證電路的穩(wěn)定性，也可給電路一部分頻率補償.

圖5 DSP內(nèi)核電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.5 The conversion circuit of core voltage of DSP

3 實驗測試及分析

3.1 轉(zhuǎn)速測試

控制過程中通過數(shù)字PID控制提高了電機的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量，轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定.如圖6所示，穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)速v0為2000r／min，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間t0小于0.1s，因此在實際設(shè)計的過程中可以快速調(diào)整舵機的轉(zhuǎn)速.

在測試過程中，通過軟件設(shè)置使主控制器產(chǎn)生周期為30μs的脈沖信號，用示波器檢測峰－峰值達(dá)5.12V，周期30.04μs，滿足設(shè)計要求.然后通過轉(zhuǎn)速表檢測電機的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過多次試驗最后測得電機轉(zhuǎn)速的平均值為2000.6r／min，經(jīng)減速器減速后舵軸轉(zhuǎn)速范圍0～50r／min，滿足系統(tǒng)參數(shù)性能指標(biāo)要求，使舵機在飛行器高速飛行的狀態(tài)下依然能夠快速調(diào)整舵面，同時還可以為舵軸提供足夠的輸出力矩，確保舵面在較高的空氣阻力作用下能夠準(zhǔn)確的偏轉(zhuǎn)到指定位置.

圖6 電機啟動過程中的速度特性曲線Fig.6 The speed characteristic curve of motor starting procedure

3.2 轉(zhuǎn)動角度測試

舵軸轉(zhuǎn)動1°對應(yīng)的脈沖個數(shù)約為111個，一個脈沖信號周期為30μs，因此舵軸轉(zhuǎn)動10°所需時間為33.3ms，將DSP的定時器設(shè)置為33.3ms.設(shè)置完成后啟動電機，通過舵軸上為測試安裝的刻度表查看舵軸轉(zhuǎn)動的實際角度，經(jīng)過多次測試，舵軸轉(zhuǎn)動范圍都能預(yù)期達(dá)到參數(shù)要求的±10°，并且調(diào)整誤差小于0.1°.

3.3 功率測試

在電機軸上加20N·m的負(fù)載，使用電流表串接在電機驅(qū)動器電源回路上，測試得到電機驅(qū)動器的最大電流小于3A，滿足負(fù)載輸出力矩要求.

3.4 總體性能測試

系統(tǒng)上電后由上位機發(fā)送自檢指令，對整個系統(tǒng)進行自檢，自檢結(jié)束后把自檢結(jié)果反饋回上位機，待系統(tǒng)各項指標(biāo)都正常后，再由上位機設(shè)定預(yù)定軌跡姿態(tài)信息，通過RS232傳送至主控制器.在飛行過程中導(dǎo)航儀檢測飛行器的實際姿態(tài)信息并通過RS422連續(xù)傳送至主控制器，同時主控制器AD端對舵機轉(zhuǎn)軸上角度傳感器反饋的舵面實時位置信息連續(xù)采樣.三組反饋回的數(shù)據(jù)通過主控制器相關(guān)控制算法處理后得到4路脈沖信號，輸出到4路驅(qū)動器后控制4路舵面的偏轉(zhuǎn)，從而達(dá)到對飛行器姿態(tài)的調(diào)整，經(jīng)測試系統(tǒng)功能達(dá)到設(shè)計要求.

3.5 系統(tǒng)分析

飛行器舵機控制系統(tǒng)是高精度的位置隨動系統(tǒng)，內(nèi)部相互干擾主要是DSP控制器和電機驅(qū)動器，設(shè)計中采用光耦隔離的方式進行連接，但仍存在一些輻射干擾.因此，將DSP控制器放入金屬屏蔽盒中屏蔽很好解決了外界電磁干擾問題.

系統(tǒng)采用單DSP處理器實現(xiàn)對四路舵機的控制，DSP既要完成大量的數(shù)據(jù)運算和復(fù)雜的算法處理，還要進行信號采集、控制信號輸出等，無法有效的縮短控制周期.因此在后期的工作過程中，可以考慮采用雙核DSP處理器實現(xiàn)對四路舵機的控制，一塊主要用于完成浮點運算和算法處理，另一塊主要用來完成控制信號輸出，這樣控制周期便得到大幅縮短.

4 結(jié)論

文中設(shè)計的是以TMS320F28335處理器為控制核心，使用SCI串口進行通信，采用獨立增強型脈沖寬度調(diào)制器（ePWM）輸出四路脈沖信號，運用12位AD采集舵面位置信號的控制系統(tǒng)，充分利用了芯片的外設(shè)功能，使系統(tǒng)具有更大的靈活性、更高的集成度以及更強的穩(wěn)定性.

整個硬件設(shè)計的過程中實現(xiàn)了主控制器的小型化、集成化，并且注重系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，滿足了飛行器控制系統(tǒng)對硬件功能的要求.

［1］秦文甫.基于DSP的數(shù)字化舵機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京：清華大學(xué)，2004.QIN Wen－fu.The Design ＆Implementation of Actuator Based on DSP［D］.Beijing：Tsinghua University，2004.（in Chinese）

［2］林忠萬，符強.基于DSP的導(dǎo)彈舵機控制系統(tǒng)的研究［J］.航天控制，2004（2）：22.LIN Zhong－wan，F(xiàn)U Qiang.Study on Missile Actuation System Based on DSP［J］.Aerospace Control，2004（2）：22.（in Chinese）

［3］MODHUSUDHANRAO G，SANKERRAM B V，SMAPAYH B，et al.Speed Control of BLDC Motor Using DSP［J］.International Journal of Engineering Science and Technology，2010，2（3）：143.

［4］胡林.高精度舵機控制器的研制［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.HU Lin.The Development of the High Precision Servo Controller ［D］.Xi’an：Northwestern Polytechnical University，2006.（in Chinese）

［5］鮑文亮.聯(lián)合直接攻擊炸彈（JDAM）電動舵機控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.BAO Wen－liang.Design of Electromechanical Actuator Control System of Joint Direct Attack Munitions［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2006.（in Chinese）

［6］候小松.基于DSP的彈上舵機控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2008.HOU Xiao－song.Design of the Steering Engine Control System for Missiles Based on DSP［D］.Xi’an：Xidian University，2008.（in Chinese）

［7］CHEN S，WANG L，XU Y F.A High－precision Control System of DC Motor Based on DSP ［J］.China Procedia Engineering ，2011，15：573.

［8］陳長春.基于無位置傳感器無刷直流電機的舵機伺服系統(tǒng)的研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.CHEN Chang－chun.Reasearch on Sensorless Control of Brushless DC Motor in Rudder Servo System［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012.（in Chinese）

［9］畢曄.飛航導(dǎo)彈舵機數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.BI Ye.The Development and Design of the Maneuverable Missile Digital Servo Control System［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2012.（in Chinese）