機(jī)電一體化靈巧舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

李紅燕，和 陽(yáng)，朱紀(jì)洪，和衛(wèi)星

(1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.清華大學(xué)，北京 100084)

機(jī)電一體化靈巧舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

李紅燕1，和 陽(yáng)2，朱紀(jì)洪2，和衛(wèi)星1

(1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.清華大學(xué)，北京 100084)

隨著飛行控制系統(tǒng)多電/全電化的發(fā)展，電動(dòng)伺服系統(tǒng)要求具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)了一種一體化、高可靠的電動(dòng)舵機(jī)控制器，主控單元采用DSP+CPLD為核心控制架構(gòu)，逆變驅(qū)動(dòng)采用集成全橋芯片實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)、故障自檢等機(jī)制增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。通過(guò)對(duì)主電源設(shè)計(jì)兩級(jí)共模、差模濾波，主控信號(hào)數(shù)字隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電動(dòng)舵機(jī)控制器具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠的特點(diǎn)。

電動(dòng)舵機(jī)；集成全橋驅(qū)動(dòng)；一體化；高可靠性

0 引 言

電動(dòng)舵機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能的優(yōu)劣直接決定飛行器的飛行品質(zhì)[1]。隨著功率電傳技術(shù)的快速發(fā)展，要求電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)具有更緊湊的體積結(jié)構(gòu)、更高的可靠性[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)電動(dòng)舵機(jī)的小型化、機(jī)電一體化、高可靠性等方面進(jìn)行了大量研究[3-6]。以色列的Viper導(dǎo)彈以及美國(guó)的JASSM航空智能炸彈采用了由直流伺服電機(jī)和諧波減速傳動(dòng)裝置構(gòu)成的小型電動(dòng)舵機(jī)。美國(guó)雷聲-休斯飛機(jī)制造有限公司對(duì)其生產(chǎn)的AIM-120空空導(dǎo)彈上使用的無(wú)刷直流伺服電機(jī)的可靠性進(jìn)行了深入研究試驗(yàn)[7]。此外，美國(guó)的波音公司、法國(guó)的空客公司也在致力于電動(dòng)舵機(jī)一體化和可靠性的研究[8-9]。國(guó)內(nèi)，許多單位、高校在電動(dòng)舵機(jī)的可靠性研究方面取得了創(chuàng)新性進(jìn)展。航天十八所、航天三十三所、航天八零三所等單位開(kāi)展了基于無(wú)刷直流電機(jī)的小型作動(dòng)系統(tǒng)研究。清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校在舵機(jī)本體可靠性設(shè)計(jì)、舵機(jī)多余度控制器設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入研究[10-11]。本文設(shè)計(jì)了一種高可靠靈巧的電動(dòng)舵機(jī)控制器，采用集成驅(qū)動(dòng)芯片減小了控制器的體積，設(shè)計(jì)了電源濾波、信號(hào)隔離、過(guò)流保護(hù)等電路提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由三相無(wú)刷直流電機(jī)、減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器組成。減速器選用了體積小、重量輕的諧波減速器，其具有高傳動(dòng)精度、高功率密度、高扭轉(zhuǎn)剛度和零背隙的特點(diǎn)，使得舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)更加緊湊，傳動(dòng)效率更高。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在減速器輸出端，直接測(cè)量舵機(jī)搖臂的轉(zhuǎn)速和位置。設(shè)計(jì)要求舵機(jī)額定輸出扭矩為2.6 N·m，最大輸出扭矩為5.8 N·m。工作行程0°～30°。空載運(yùn)行時(shí)，帶寬6 Hz，間隙<0.1°。

針對(duì)上述控制對(duì)象，控制器采用DSP+CPLD為核心控制架構(gòu)，通過(guò)RS-422通信總線接收主控設(shè)備發(fā)送的給定位置指令，同時(shí)反饋舵機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)。DSP根據(jù)上位機(jī)的給定信號(hào)和傳感器反饋信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，經(jīng)過(guò)CPLD進(jìn)行邏輯擴(kuò)展，輸出實(shí)際所需數(shù)量的控制信號(hào)。轉(zhuǎn)化后的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離電路處理后輸出給集成驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組導(dǎo)通。電機(jī)輸出軸連接減速器帶動(dòng)搖臂向指定位置轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)位置信號(hào)和電機(jī)電樞電流分別由旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾電流傳感器獲得。其中，旋變解調(diào)芯片解算出搖臂當(dāng)前位置、速度信號(hào)通過(guò)SPI端口傳送給控制器?；魻栯娏鱾鞲衅鳈z測(cè)出逆變器漏電流，一路輸入驅(qū)動(dòng)芯片做過(guò)流保護(hù)，一路經(jīng)濾波、A/D采樣輸入DSP做閉環(huán)控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本文設(shè)計(jì)的舵機(jī)控制器實(shí)物如圖2所示，控制器各個(gè)模塊借助定位孔、銅柱、螺絲等固定在舵機(jī)上，協(xié)調(diào)各個(gè)電路板的安裝，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。其體積尺寸為108 mm×34 mm×50 mm。

圖2 舵機(jī)控制器實(shí)物圖

2 控制電路

控制電路主要由主控單元和電源電路組成。

2.1 主控單元

DSP采用TMS320F28069，主要完成串口通信、電流采樣換算、速度讀取、閉環(huán)控制、PWM輸出等任務(wù)。它是一種專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的數(shù)字控制器，具有供電簡(jiǎn)單、功耗低、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

CPLD采用LC4128V-75TN100I，主要完成邏輯擴(kuò)展、電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速方向解算、搖臂行程保護(hù)限制、過(guò)流保護(hù)等任務(wù)。CPLD內(nèi)部組合邏輯的合理應(yīng)用簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，減輕了DSP的工作量，提高了系統(tǒng)的工作效率。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)供電電壓+28 V，采用電源適配器供電。在電源模塊前端加入共模扼流圈，共模噪聲干擾主要由下圖3中7L1，7L2和電容7C3，7C4，7C7，7C8構(gòu)成的對(duì)地對(duì)稱(chēng)的 型濾波器濾除。在共模扼流圈后級(jí)串聯(lián)2個(gè)差模濾波器，構(gòu)成差模增強(qiáng)型濾波電路，濾除差模噪聲。設(shè)計(jì)中，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，一般要低于10 kHz，所以7L1，7L2取47 μH；7C3，7C4，7C7，7C8取6.8 μF；7L3，7L4，7L5，7L6取33 μH；7C9，7C10，7C11，7C12取10 μF。共模、差模濾波器的共同作用，提高了控制器的電磁兼容特性。

圖3 28 V濾波電路圖

系統(tǒng)供電電壓為+28 V，需要設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)片上數(shù)字電源供電。

本設(shè)計(jì)選用的DC/DC隔離電源模塊輸入電壓18～36 V，輸出電壓5 V。該芯片體積小，效率高，且具有短路保護(hù)(自恢復(fù))等功能。電路設(shè)計(jì)如圖4所示，輸入輸出端加入不同數(shù)值的鉭電容和電感，可消除不同頻段的高次諧波，提高電源質(zhì)量。輸入輸出地之間加入電容7C18(1nF/2kV)防止靜電擊穿，保護(hù)電路。

圖4 28 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

DSP,CPLD等需要3.3 V電源供電，TPS73733是一種5 V轉(zhuǎn)3.3 V的低壓差線性恒壓電源芯片。芯片集成度高，內(nèi)部自帶反向電流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等功能。驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，最大輸出電流可達(dá)1 A。電路設(shè)計(jì)如圖5所示，輸入端設(shè)計(jì)了發(fā)光二極管用來(lái)指示電源是否正常。輸出端設(shè)計(jì)了三端濾波器ACH4518、鉭電容和瓷片電容實(shí)現(xiàn)了電源濾波，提高了電源品質(zhì)。

圖5 5V轉(zhuǎn)3.3V電路圖

3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路主要由信號(hào)隔離電路、驅(qū)動(dòng)芯片電路及電流保護(hù)電路組成。

3.1 信號(hào)隔離電路

為了提高控制器抗干擾能力，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，對(duì)3路PWM波、3路EN及故障診斷等信號(hào)設(shè)計(jì)了數(shù)字隔離。隔離器采用小尺寸封裝且低功耗的四通道數(shù)字隔離器。每個(gè)隔離通道都有一個(gè)由二氧化硅(SiO2)絕緣隔柵分開(kāi)的邏輯輸入和輸出緩沖器，可防止數(shù)據(jù)總線或者其它電路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地或者干擾或者損壞敏感電路。數(shù)字隔離芯片應(yīng)用電路如圖6所示，在默認(rèn)狀態(tài)下，輸出使能為低，芯片輸出為高阻態(tài)，可以防止上電復(fù)位或控制器故障時(shí)逆變器共態(tài)導(dǎo)通，損壞驅(qū)動(dòng)芯片。在隔離芯片輸出端設(shè)計(jì)下拉電阻，且信號(hào)輸入輸出端都設(shè)計(jì)了RC濾波電路提高系統(tǒng)抗干擾能力。

圖6 數(shù)字隔離芯片電路圖

3.2 驅(qū)動(dòng)芯片電路

本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)器DRV8313，其內(nèi)部集成3個(gè)可獨(dú)立控制的半H橋和1個(gè)通用比較器，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并可實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性；內(nèi)置的3.3 V/10 mA低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，給電流傳感器供電，簡(jiǎn)化了電源轉(zhuǎn)換電路。芯片尺寸為9.8 mm×6.6 mm×1.2 mm，有利于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。芯片輸入電壓范圍8～60 V，工作時(shí)最大功耗為0.06 W。在25°C，24 V時(shí)，每個(gè)半H橋的通道上可提供高達(dá)2.5 A峰值電流或者1.75 A均方根輸出電流。采用該集成芯片作為逆變驅(qū)動(dòng)，減小了控制器體積；自身具有短路、過(guò)溫、欠壓閉鎖等故障自檢機(jī)制，提高了系統(tǒng)的可靠性。

DRV8313驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用電路如圖7所示。利用驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置通用比較器，設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路如圖8所示。圖8中，驅(qū)動(dòng)芯片采用28 V供電方式。PWM[1～3]，EN[1～3]為CPLD邏輯處理后經(jīng)過(guò)隔離芯片輸出的3路PWM波和3路使能信號(hào)。電阻4R11，4R12分壓，設(shè)置閾值電壓2.30 V輸入比較器的COMPN腳。圖8中，霍爾電流傳感器將所測(cè)量的電機(jī)逆變器漏電流信號(hào)輸出至比較器的COMPP腳。 為過(guò)流保護(hù)信號(hào)輸出， 為故障報(bào)警信號(hào)輸出。當(dāng)過(guò)流故障發(fā)生， 被置低，發(fā)光二極管4D1被點(diǎn)亮。當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部故障發(fā)生， 被置低，發(fā)光二極管4D2被點(diǎn)亮。過(guò)流或驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部故障發(fā)生，CPLD將關(guān)斷所有控制信號(hào)的輸出，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)的正常工作。

4 反饋檢驗(yàn)電路

反饋檢測(cè)電路主要由電流檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)速、位置檢測(cè)電路組成。

4.1 電流檢測(cè)電路

為了實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制和過(guò)流保護(hù)，需進(jìn)行電流檢測(cè)?？紤]到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流大小、輸出電壓范圍及工作溫度等因素，選用霍爾電流傳感器ACS722，電路原理如圖8所示。其工作電壓為3.3 V，有效檢測(cè)電流范圍為-5～+5 A，分辨率為264 mV/A。ACS722輸出電壓范圍為0.33～2.97 V，可以直接濾波后輸入TMS320F28069的ADCIN引腳完成電流解算和閉環(huán)控制。ACS722輸入電流與輸出電壓的對(duì)應(yīng)線性關(guān)系可以表示：

Vout=0.264Ip+1.65

(1)

式中：Vout為輸出電壓;Ip為輸入電流。

4.2 轉(zhuǎn)速、位置檢測(cè)電路

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、位置閉環(huán)控制，需實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速、角度信號(hào)。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種可以同時(shí)檢測(cè)到舵機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與角度的傳感器，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、精度高、環(huán)境耐受力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[12]。本系統(tǒng)選用的旋轉(zhuǎn)變壓器，勵(lì)磁繞組輸入的差分激勵(lì)信號(hào)頻率要求為10 kHz，峰值為9.9V。輸出繞組的電壓幅值為Vs×sinωt×sinθ和Vs×sinωt×cosθ，其中，Vs為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅值，θ為轉(zhuǎn)子角度。

圖9 旋變解調(diào)芯片AD2S1210

圖10 差分激勵(lì)信號(hào)放大電路

(2)

(3)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)采用的無(wú)刷直流電機(jī)主要參數(shù)：額定電壓24 V、額定功率15 W、額定轉(zhuǎn)速2 760 r/min、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比100:1。

圖11 電流保護(hù)信號(hào)測(cè)試波形截圖

通過(guò)對(duì)主電源設(shè)計(jì)兩級(jí)共模、差模濾波電路，提高了控制器的電磁兼容特性。在信號(hào)線上加入多個(gè)旁路、去耦電容，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在帶額定負(fù)載的情況下對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了EMC測(cè)試，依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB4343、GB9254。圖14是0.15～30 MHz頻段的測(cè)試結(jié)果，橫坐標(biāo)表示頻率(單位MHz)，縱坐標(biāo)表示EMC信號(hào)準(zhǔn)峰值(單位dBμV)。圖中上部分為EMC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各頻段標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)峰值界限；圖中下部分為測(cè)量的驅(qū)動(dòng)器上的各頻段的EMC信號(hào)最大準(zhǔn)峰值。測(cè)試結(jié)果表明，在頻率為24.208 35 MHz時(shí)，EMC信號(hào)最大準(zhǔn)峰值為48.603(dBμV)，未超出標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)峰值界限。

圖14 驅(qū)動(dòng)器EMC測(cè)試結(jié)果截圖

實(shí)驗(yàn)對(duì)舵機(jī)的控制性能進(jìn)行了測(cè)試。舵機(jī)工作行程為0°～30°，圖16是位置給定1°的階躍響應(yīng)圖，橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位s)，縱坐標(biāo)為舵機(jī)位置(單位°)。從圖中可知初始位置為4°，給定位置為5°，反饋位置為4.999°，超調(diào)量極小，穩(wěn)態(tài)誤差0.001°。調(diào)節(jié)時(shí)間為0.09 s，響應(yīng)速度快。動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)表明該控制器滿(mǎn)足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。

圖15 舵機(jī)空載時(shí)的位置階躍響應(yīng)截圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的高可靠靈巧電動(dòng)舵機(jī)控制器采用DSP和CPLD作為核心控制器，提高了系統(tǒng)的工作效率；采用集成3個(gè)半H橋的DRV8313作為驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；對(duì)主電源設(shè)計(jì)兩級(jí)共模、差模濾波，主控信號(hào)數(shù)字隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)、故障自檢等機(jī)制增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性；各種集成芯片的使用實(shí)現(xiàn)了控制器的小型化。試驗(yàn)結(jié)果表明該電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈巧、緊湊；工作穩(wěn)定、可靠；滿(mǎn)足各項(xiàng)性能指標(biāo)。

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作者簡(jiǎn)介：李紅燕(1990- )，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

Design of High Integration Smart Electro-Mechanical Actuator Controller

LIHong-yan1，HEYang2，ZHUJi-hong2，HEWei-xing1

(1.Jiangsu University,Zhenjiang 212013;2.Tsinghua University,Beijing 100084, China)

With the development of more-/all-electric flight control system, compact structure and high reliability are required for actuation systems. A high-reliable electromechanical actuator controller with integrated structure was introduced. In this control system, DSP and CPLD were adopted as the core architecture while integrated full-bridge chip was implemented as the inverter structure. Mechanisms such as over-current protection and internal shutdown for self-check were designed to enhance the system reliability. Two-stage of common mode, differential mode filter of the main power supply and digital isolation of main control signals were designed to improve the anti-interference ability of the system. Experimental results show that the designed controller of electro-mechanical actuator has compact structure and reliability.

electric actuator; full-bridge driver; integration; high reliability

2016-01-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60974142)

鄭彬(1991-)，男，碩士。

TM383.4

A

1004-7018(2016)12-0072-05