基于Saber的舵機(jī)采樣處理電路設(shè)計(jì)與仿真分析

徐曉璐 張昆峰

摘 要：針對(duì)舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)高可靠性和高精度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)電位器的舵偏角采樣處理電路，設(shè)計(jì)過(guò)程中利用Saber軟件搭建了所設(shè)計(jì)電路的仿真模型，分析了元器件參數(shù)偏差對(duì)電路性能的影響，進(jìn)而完成了關(guān)鍵元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)功能、時(shí)域性能分析和蒙特卡洛仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的采樣處理電路的可行性、高可靠性和高精度性。

關(guān)鍵詞：采樣處理電路；電位器；Saber軟件

引言

數(shù)字舵機(jī)伺服系統(tǒng)作為一種高精度的機(jī)電一體化裝置，是操縱飛行器機(jī)動(dòng)飛行的重要機(jī)構(gòu)，其工作原理是：控制單元同時(shí)接收來(lái)自上位機(jī)的指令，以及由反饋回路采集的輸出軸位置信息，通過(guò)比較實(shí)際輸出與期望輸出，產(chǎn)生控制指令，驅(qū)動(dòng)輸出軸達(dá)到指定的位置，整個(gè)控制過(guò)程是一個(gè)閉合的回路，可以達(dá)到高精度控制的目的。

在伺服系統(tǒng)中，反饋回路是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的性能將直接影響伺服系統(tǒng)的控制精度。反饋回路主要包括兩部分：機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和采樣處理電路，而影響系統(tǒng)性能的主要因素都在于采樣處理電路中。本文針對(duì)以角位置為輸出量的數(shù)字舵機(jī)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于旋轉(zhuǎn)電位器的采樣處理電路，利用Saber軟件建立了它的仿真分析模型，對(duì)電路進(jìn)行了靈敏度分析，找出了影響性能的關(guān)鍵參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了各元器件的誤差等級(jí)。針對(duì)選用誤差等級(jí)的元器件，分析了電路的輸出特性，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)與元器件選型的可行性，為伺服系統(tǒng)反饋回路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本文利用旋轉(zhuǎn)電位器將系統(tǒng)輸出端的位置信息轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，并對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行濾波，以剔除雜波干擾，濾波后的信號(hào)輸入到跟隨器進(jìn)行電壓跟隨，最后利用A/D轉(zhuǎn)換器將電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，供控制單元計(jì)算使用，即設(shè)計(jì)的采樣處理電路的工作原理如圖1所示。

圖1中，Input表示舵機(jī)系統(tǒng)輸出軸的角位置，Posmeter表示電位器，P15和N15分別表示電位器的正、負(fù)供電電壓，POS表示跟隨器的輸出電壓，該電平信號(hào)傳入A/D轉(zhuǎn)換器并被轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，之后傳入控制單元，供解算控制指令使用。

考慮到舵機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（系統(tǒng)輸出軸的機(jī)械限位為-34°～34°，輸出軸到旋轉(zhuǎn)電位器的傳動(dòng)增速比為4），A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC2574精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（工作區(qū)間為-10V～+10V），旋轉(zhuǎn)電位器選用總阻值為4.7kΩ，有效電行程為300°的精密電位器，電位器供電模塊輸出電壓為+15V和-15V；選用LM148跟隨器進(jìn)行電壓跟隨；為了將跟隨器輸出端Pos的電壓調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器的允許輸入范圍之內(nèi)，需將正負(fù)供電電源各串聯(lián)一個(gè)953Ω的電阻后再接到電位器供電端；低通濾波電路的時(shí)間常數(shù)為0.1ms（電阻值為10kΩ，電容值為0.01μF）。

至此，我們得到了初步設(shè)計(jì)的采樣處理電路。

2系統(tǒng)原理驗(yàn)證

判定設(shè)計(jì)的采樣/處理電路的合理性的最低要求是：元器件參數(shù)值在標(biāo)稱情況下，當(dāng)輸出軸在極限位置時(shí)，控制單元接收的輸出軸位置信息無(wú)失真，即跟隨器的輸出值始終在A/D轉(zhuǎn)換器正常工作范圍之內(nèi)。因此，主要的考察點(diǎn)就是極限位置下跟隨器輸出的電壓值。

給采樣處理電路原理模型分別輸入±34°的信號(hào)，可以得到元器件參數(shù)標(biāo)稱情況下的輸出端POS電壓值：34°對(duì)應(yīng)9.6750V，0°對(duì)應(yīng)0V，-34°對(duì)應(yīng)-9.6737V。

在標(biāo)稱情況下，跟隨器的輸出電壓范圍在-10～10V范圍內(nèi)，該仿真結(jié)果表明采樣/處理電路符合最低設(shè)計(jì)要求，即設(shè)計(jì)的采樣處理電路在原理上是可行的。

在實(shí)際應(yīng)用中，元器件的參數(shù)與設(shè)計(jì)值存在一定的偏差，參數(shù)偏差區(qū)間越小意味著更高的系統(tǒng)精度和更高的成本。因此，選用合適等級(jí)的元器件也是電路設(shè)計(jì)中的重要工作。為此，我們需要對(duì)電路進(jìn)行靈敏度分析，進(jìn)而尋找影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)并確定相應(yīng)的誤差等級(jí)。

3系統(tǒng)靈敏度分析與關(guān)鍵參數(shù)確定

由工作原理圖1可以知道，元器件參數(shù)偏差的綜合作用，可能會(huì)導(dǎo)致跟隨器的輸出電壓波動(dòng)并超出A/D轉(zhuǎn)換器的允許輸入范圍，故以輸出端POS電壓值為目標(biāo)變量，對(duì)其值進(jìn)行靈敏度分析。

利用Saber軟件，搭建包含電位器、供電模塊、分壓電阻和濾波電路的詳細(xì)仿真模型如圖2所示，通過(guò)分析，得到跟隨器輸出端POS的靈敏度分析結(jié)果如表1中所示。

從表1中可以看出，供電模塊的正、負(fù)供電電壓和電位器有效電行程對(duì)跟隨器輸出電壓影響最大，分壓電阻和電位器總阻值的影響次之，低通濾波器的電阻和電容對(duì)其幾乎無(wú)影響。

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，綜合考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)與使用需求，選用如下所述誤差等級(jí)的元器件：

電位器總電阻誤差等級(jí)為±10%，有效電行程誤差等級(jí)為±1%；電位器分壓電阻器誤差精度等級(jí)為：±0.1%；供電模塊+15V輸出誤差精度等級(jí)為±1%，-15V輸出誤差等級(jí)為±2%；低通濾波網(wǎng)絡(luò)的電阻誤差等級(jí)為±2%，電容誤差等級(jí)為±10%。

從表1中可以看出，供電模塊的正、負(fù)供電電壓和電位器有效電行程對(duì)跟隨器輸出電壓影響最大，分壓電阻和電位器總阻值的影響次之，低通濾波器的電阻和電容對(duì)其幾乎無(wú)影響。

根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，綜合考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)與使用需求，選用如下所述誤差等級(jí)的元器件：

電位器總電阻誤差等級(jí)為±10%，有效電行程誤差等級(jí)為±1%；電位器分壓電阻器誤差精度等級(jí)為：±0.1%；供電模塊+15V輸出誤差精度等級(jí)為±1%，-15V輸出誤差等級(jí)為±2%；低通濾波網(wǎng)絡(luò)的電阻誤差等級(jí)為±2%，電容誤差等級(jí)為±10%。

4采樣處理電路蒙特卡羅分析

為了驗(yàn)證選用元器件的合理性，利用蒙特卡羅法對(duì)正、負(fù)極限位置和零位分別進(jìn)行仿真，抽樣仿真次數(shù)各為300次，仿真結(jié)果如圖3所示，由上至下分別為反饋回路輸入指令分別為34°、0°、-34°時(shí)的結(jié)果分布。

由圖3可以看出，當(dāng)舵機(jī)系統(tǒng)輸出軸在34°、0°、-34°位置時(shí)，跟隨器輸出端POS的電壓值以相應(yīng)的標(biāo)稱值為中心散布，散布趨勢(shì)呈正態(tài)分布，輸出電壓散布范圍如表2第3列所示。

由表2可以看出舵機(jī)伺服系統(tǒng)工作在極限位置時(shí)，在元器件參數(shù)偏差的綜合作用下，輸出端POS的值基本都位于±10V以內(nèi)，極小概率會(huì)出現(xiàn)高于10V的情況（高于10V的仿真情形為2次，不到總數(shù)的1%），且超差量也很小，僅有0.012V。

在實(shí)際當(dāng)中，元器件的參數(shù)同時(shí)處于允許誤差的邊界的概率非常低；此外，伺服系統(tǒng)在工作中，上位機(jī)給出的指令信號(hào)都不會(huì)達(dá)到極限工作位置，因此并不會(huì)出現(xiàn)電壓值超出A/D轉(zhuǎn)換器工作區(qū)間的情況，足以保證控制單元接收到線性變化的角位置信息，因此，設(shè)計(jì)的采樣處理電路可以滿足無(wú)失真的反應(yīng)輸出軸的位置信息的需求。

如果要確保在任何情況下，A/D轉(zhuǎn)換器都能保持線性輸出，可以增大電位器兩端的分壓電阻，或者選用更高精度等級(jí)的元器件，減小參數(shù)的離散區(qū)間，從而達(dá)到限制跟隨器輸出電壓幅值的目的。

5結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)伺服系統(tǒng)的使用需求，設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)電位器的位置采樣處理電路，進(jìn)而利用Saber對(duì)電路進(jìn)行靈敏度分析，確定了不同元器件參數(shù)對(duì)電路輸出的影響程度，并以此為依據(jù)選定了合適誤差等級(jí)的元器件。

接著，本文對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了蒙特卡洛仿真，從仿真結(jié)果可以看出，選用誤差等級(jí)的元器件既充分利用了A/D轉(zhuǎn)換器的工作范圍，又避免了在正常工作情況下A/D轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)飽和的情況。因此，設(shè)計(jì)的采樣處理電路可以滿足伺服系統(tǒng)高可靠性、高精度控制的需求。

參考文獻(xiàn)

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