基于空間矢量控制的坦克炮塔系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

張曉玲，魏宗康，黃 超

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

基于空間矢量控制的坦克炮塔系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

張曉玲，魏宗康，黃 超

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，本文研究了基于空間矢量控制原理的坦克炮塔控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 “炮控系統(tǒng)”）。空間矢量控制方式的實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度和磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。此設(shè)計(jì)是通過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制方法控制永磁同步電機(jī)，提出了炮控系統(tǒng)的組成以及系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件框圖，在實(shí)際的應(yīng)用中提高了炮塔的響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)定性，取得了良好的應(yīng)用效果。

空間矢量脈寬調(diào)制；永磁同步電機(jī)；控制系統(tǒng)

0　引言

炮控系統(tǒng)是坦克火力控制主線末端的執(zhí)行系統(tǒng)，承擔(dān)著驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定坦克炮塔的作用［1］，使坦克高速行進(jìn)時(shí)，即便車身上下左右前后的搖擺幅度很大，炮管也可以保持方位角和水平角度的穩(wěn)定，其性能直接影響炮塔的反應(yīng)速度和控制精度。

隨著坦克電氣系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展和車輛綜合電子系統(tǒng)的應(yīng)用，數(shù)字控制成為坦克炮控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。作為控制系統(tǒng)的核心，采用全數(shù)字化的伺服控制系統(tǒng)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)控制策略，在應(yīng)用中取得良好效果。本文提出了一種基于高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和智能型功率模塊（IPM）及電壓空間矢量控制算法（SVPWM）［2］的交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制方法。

1　系統(tǒng)組成

坦克炮控系統(tǒng)由方位向子系統(tǒng)和俯仰向子系統(tǒng)組成。兩個(gè)子系統(tǒng)由炮塔傳動(dòng)系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器組成。由于方位向子系統(tǒng)和俯仰向子系統(tǒng)組成和控制原理相同，下文不再單獨(dú)分別論述。

伺服驅(qū)動(dòng)器［3-4］是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)炮塔運(yùn)動(dòng)的中樞，負(fù)責(zé)接收火控系統(tǒng)發(fā)出的指令，并采集開(kāi)關(guān)量輸入和電壓、電流測(cè)量值，通過(guò)伺服控制算法，發(fā)出驅(qū)動(dòng)指令，并根據(jù)位置反饋信息，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

坦克炮控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分，硬件部分包括DSP控制［5-7］、信號(hào)采集、PWM控制和數(shù)據(jù)處理等控制部分，以及伺服電機(jī)的三相電機(jī)功率電路兩個(gè)部分；軟件主要包括電壓空間矢量算法和系統(tǒng)電流環(huán)反饋控制。

炮控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　炮控系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of turret control system

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1電機(jī)選型

三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)永磁體產(chǎn)生穩(wěn)定且較強(qiáng)的磁場(chǎng)，獲得較高的加速度；轉(zhuǎn)矩諧波抖動(dòng)小，可以平穩(wěn)調(diào)速；因損耗小和轉(zhuǎn)子發(fā)熱低，極大地提高了電機(jī)的功率因素和效率。因而本文的坦克炮塔系統(tǒng)中選用了三相永磁同步電機(jī)［8］。

2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的控制系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊，圖2所示是控制系統(tǒng)的組成圖。

（1）電源模塊

a）控制模塊電源

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，電源的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。本文電源芯片采用 TI公司的TPS73HD318，它可以通過(guò) 5V穩(wěn)壓電源，提供DSP內(nèi)核工作所需要的1.8V電壓和DSP外設(shè)以及外部存儲(chǔ)器等電路所需要的3.3V電壓?？刂颇K的電源原理圖如圖3所示。

DSP需要雙電壓（1.8V和3.3V）才能啟動(dòng)內(nèi)核和外設(shè)。其中，內(nèi)核需要電壓1.8V，外部設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、閃存FLASH、事件管理器EVA、EVB等需要3.3V的電壓。

圖2　控制系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of control system

圖3　電源原理圖Fig.3 Principle of power

b）隔離電路電源

為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，對(duì)高速光耦隔離電路提供隔離電源，選用DCP02系列隔離電源芯片，原理圖如圖4所示。

圖4　隔離電源原理圖Fig.4 Principle of isolated power

（2）控制模塊

本系統(tǒng)采用DSP與FPGA［9-10］相結(jié)合，作為控制系統(tǒng)的核心，采用全數(shù)字化的伺服控制系統(tǒng)，數(shù)字化的控制系統(tǒng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)控制策略。

DSP選用 TI公司的 TMS320F2808，主頻為100MHz，可以滿足該控制系統(tǒng)的工作要求。FPGA選用ALTERA公司的芯片EP2C8Q208I8。

DSP主要負(fù)責(zé)完成位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制計(jì)算，根據(jù)位置傳感器、速度傳感器和DSP內(nèi)部集成的AD采集的電機(jī)電流，與接收的火控計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行綜合計(jì)算并輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令PWM信號(hào)。FPGA與DSP之間通過(guò)數(shù)據(jù)地址總線進(jìn)行通信，主要完成位置傳感器數(shù)據(jù)采集、解碼，通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及I/O口擴(kuò)展的功能。控制模塊原理圖如圖5所示。

圖5　控制模塊原理圖Fig.5 Principle of control module

（3）功率驅(qū)動(dòng)模塊

在電機(jī)控制領(lǐng)域，逆變器技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能最有效的方法之一。與帶有額外驅(qū)動(dòng)/保護(hù)電路的分立的離散功率器件相比而言，IPM將所有的離散元件集成到一個(gè)精巧設(shè)計(jì)的封裝中，提供了一種更加全面的高級(jí)解決方案。

功率驅(qū)動(dòng)模塊首先將三相交流電通過(guò)整流橋轉(zhuǎn)換為直流電傳送給IPM模塊，控制模塊輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光耦隔離電路后傳送給IPM的控制端，通過(guò)控制IPM內(nèi)部的三路IGBT驅(qū)動(dòng)芯片的通斷，將直流電壓轉(zhuǎn)換成可控制的三相交流電，控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將電流的采集數(shù)據(jù)和位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送給控制模塊。功率驅(qū)動(dòng)模塊原理圖如圖6所示。

圖6　功率驅(qū)動(dòng)模塊原理圖Fig.6 Principle of power drive module

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是為硬件平臺(tái)服務(wù)的，控制系統(tǒng)程序主要包括DSP系統(tǒng)初始化程序、位置控制程序、電壓空間矢量控制（SVPWM）的生成函數(shù)和電流傳感器的采樣函數(shù)，系統(tǒng)程序流程圖如圖7所示。

圖7　程序流程圖Fig.7 Flow chart of program

軟件編程環(huán)境采用TI公司開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大，操作靈活的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境（Code Compose Studio，CCS）。

（1）DSP系統(tǒng)初始化程序

在DSP系統(tǒng)上電之后到進(jìn)入系統(tǒng)之前，需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行必要的初始化配置，才能夠使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）位置計(jì)算程序

為了保持炮塔位置［11］準(zhǔn)確性，需實(shí)時(shí)計(jì)算位置，并發(fā)送速度指令驅(qū)動(dòng)炮塔運(yùn)動(dòng)。

（3）SVPWM程序

數(shù)字信號(hào)處理器DSP通過(guò)函數(shù)生成電壓空間矢量的波形，調(diào)用系統(tǒng)的事件管理器（EVA）來(lái)生成6個(gè)PWM波形，控制電壓型逆變器工作。

（4）電流傳感器的采樣函數(shù)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的采樣函數(shù)以及數(shù)字濾波子程序，監(jiān)視系統(tǒng)的電流量，形成對(duì)系統(tǒng)的電流環(huán)反饋控制。

3.1系統(tǒng)初始化程序

在系統(tǒng)經(jīng)過(guò)上電引導(dǎo)程序之后，進(jìn)入各個(gè)系統(tǒng)模塊的初始化操作。包括看門(mén)狗設(shè)置、鎖相環(huán)PLL選擇、外設(shè)中斷PIE的設(shè)置、Flash存儲(chǔ)器的設(shè)置，以及需要用到的事件管理器EVA和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的設(shè)置等。系統(tǒng)初始化程序流程圖如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)初始化程序流程圖Fig.8 Flow chart of system initialization

3.2位置計(jì)算程序

接收火控計(jì)算機(jī)發(fā)送的位置指令，并根據(jù)位置傳感器實(shí)時(shí)計(jì)算，發(fā)送速度指令給電壓空間矢量控制程序。位置計(jì)算程序流程圖如圖9所示。

圖9　位置計(jì)算程序流程圖Fig.9 Flow chart of position calculation

3.3SVPWM程序

SVPWM算法的目的是通過(guò)不同矢量的組合合成新矢量，來(lái)逼近基準(zhǔn)圓，從而在電機(jī)線圈上生成圓形磁場(chǎng)。SVPWM算法的作用是通過(guò)控制DSP控制模塊的PWM輸出波形，來(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)模式，以達(dá)到產(chǎn)生有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓形磁場(chǎng)的目的。

一個(gè)完整的磁鏈圓被分為6個(gè)主要的矢量空間。如圖10所示，描述了產(chǎn)生第一矢量空間的PWM波形圖。

圖10　第一矢量空間波形圖Fig.10 Waveform of the first vector space

首先采樣Ia和Ib的電流反饋信號(hào)值，判斷定子電流空間矢量是否與d軸正交。然后進(jìn)入電流矢量變換控制環(huán)，即d-q軸電流PI調(diào)節(jié)器。然后進(jìn)行坐標(biāo)逆變換，進(jìn)行SVPWM計(jì)算，完成一次中斷處理。SVPWM程序流程圖如圖11所示。

在SVPWM程序的軟件設(shè)計(jì)中，將電機(jī)的兩個(gè)重要的屬性，電機(jī)的轉(zhuǎn)距（torque）和轉(zhuǎn)速（speed）作為形式參數(shù)帶入函數(shù)中。矢量有兩個(gè)重要的參數(shù)，分別是模和角度。矢量的模對(duì)應(yīng)了轉(zhuǎn)距，矢量的角度變化快慢對(duì)應(yīng)了電機(jī)的速度。

圖11　SVPWM程序流程圖Fig.11 Flow chart of SVPWM

3.4電流采樣程序

在實(shí)際的SVPWM生成過(guò)程中，還需要不斷地采樣電流值以防止過(guò)電流或短路情況的出現(xiàn)。而且要根據(jù)采樣的電流值，判斷定子電流空間矢量是否與d軸正交。電流采樣程序流程圖如圖12所示。

圖12　電流采樣程序流程圖Fig.12 Flow chart of current sampling

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)炮控系統(tǒng)的要求，對(duì)本系統(tǒng)的響應(yīng)速度及精度進(jìn)行了測(cè)試。將伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)安裝到炮塔模擬工裝上，分別給系統(tǒng)發(fā)送20°的階躍指令和180°的正弦波指令，測(cè)試曲線圖如圖13和圖14所示。

通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，炮控系統(tǒng)最大運(yùn)轉(zhuǎn)角速度為42（°）/s，穩(wěn)態(tài)精度小于0.01°，完全滿足坦克炮塔系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

圖13　階躍曲線圖Fig.13 Step curve

圖14　正弦波曲線圖Fig.14 Sine curve

5　結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了坦克炮控系統(tǒng)的組成、工作原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件程序結(jié)構(gòu)。充分利用了三相永磁同步電機(jī)和空間矢量控制的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)、重量輕、體積小、損耗少、效率高、節(jié)電效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了坦克炮控系統(tǒng)中炮塔的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性、可靠性及測(cè)試的數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確性。這不僅為坦克炮控系統(tǒng)提供了有力保證，而且在坦克炮控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中取得了良好的效果。隨著電機(jī)制造與控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，基于空間矢量控制的交流永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)將有著很好的應(yīng)用前景。

［1］ 劉偉，郭保全，潘玉田，楊棟.新型坦克炮控交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略［J］.火力與指揮控，2011，36（2）：141-143. LIU Wei，GUO Bao-quan，PAN Yu-tian，YANG Dong.A new strategy of the AC regulating system for tank gun control［J］.Fire Control&Command Control，2011，36（2）：141-143.

［2］ 吳恒，王淦泉，陳桂林.一種混合矢量SVPWM在PMSM控制器中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（5）：1156-1162. WU Heng，WANG Gan-quan，CHEN Gui-lin.The application of PMSM controller based on a mixed vector SVPWM ［J］.Science Technology and Engineering，2010，10（5）：1156-1162.

［3］ 余景銘，王軍政，劉治鋼.交流永磁同步電機(jī)全數(shù)字驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（3）：39-41. YU Jing-ming，WANG Jun-zheng，LIU Zhi-gang.Design and realization of full-digital driver for permanent magnet synchronous motor［J］.Power Electronics，2009，43（3）：39-41.

［4］ 潘策.全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（9）：70-71. PAN Ce.The design of high-performance digital AC spindle servo drive system［J］.Modular Machine Tool& Automatic Manufacturing Technique，2012（9）：70-71.

［5］ SHI Rong-shen，SU Dong-hai.The design of control system of servo turrent based on DSP［J］.Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique，2006（3）：64-65.

［6］ YANG Jian-guo，JIN Jian-jun.Design of AC servo controller for X-Y table based on single DSP［J］.Journal of Engineering Design，2007，14（1）：35-38.

［7］ ZHANG Xing-guo，DANG You-yun.Design of PMSM AC servo control system based on DSP［J］.Journal of Xi'an Polytechnic University，2009（6）：115-119.

［8］ 樊東，周國(guó)榮.永磁同步伺服電機(jī)智能控制器的研制與開(kāi)發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（3）：324-326. FAN Dong，ZHOU Guo-rong.Development of PM synchronous servo motor drive intelligent controller［J］.Computer Measurement&Control，2006，14（3）：324-326.

［9］ Pang Hai-yan，Xie Yun，Xiao Shan-shan，Chen Bingcheng.DesignandimplementationofSVPWMservo control system based on FPGA［J］.Computational Intelligence and Industrial Applications，2009（2）：333-336.

［10］ CHEN Bing-cheng，XIE Yun，CAI Shu-ting.Design of AC motor servo control system based on FPGA［J］.Informationization，2009，28（16）：26-29+33.

［11］ YIN Hong-mei，WANG Mu-lan，HE Chuan.Researching on control strategy of PMSLM position servo system based on SVPWM［J］.Machine Design&Research，2014，30 （1）：72-74.

Design of a Servo Driver for the Tank Turret Control System Based on SVPWM

ZHANG Xiao-ling，WEI Zong-kang，HUANG Chao
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Space vector pulse width modulation（SVPWM）has been widely applied in the field of motion control，this paper studies the tank turret control system based on SVPWM.The essence of SVPWM of AC motor is equivalent to a DC motor，respectively independent control of the speed and magnetic field.This paper presents that a permanent magnet synchronous motor is controlled by choosing SVPWM.System composition，hardware design and software block diagram are introduced.In practice，the system can obtain good effects in many aspects such as improving the response time and stability of turret.

space vector pulse width modulation（SVPWM）；permanent magnet synchronous motor；control system

U666.1

A

1674-5558（2016）03-01086

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.015

2015-03-12

張曉玲，女，博士，工程師，研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。