一種軟硬件結(jié)合的運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)電機(jī)動(dòng)態(tài)控制方法

孫海峰 呼 吁 鄒 軍

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

一種軟硬件結(jié)合的運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)電機(jī)動(dòng)態(tài)控制方法

孫海峰 呼 吁 鄒 軍

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京100854

介紹了一種運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)電機(jī)速度控制曲線和調(diào)節(jié)角度的靈活設(shè)置方法，該方法采用了軟硬件相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式，不需要改變軟硬件狀態(tài)，充分發(fā)揮了高級(jí)語言軟件和FPGA的優(yōu)勢(shì)，克服了目前步進(jìn)電機(jī)速度控制實(shí)現(xiàn)方法的弊端，是一種更加靈活，實(shí)用性更強(qiáng)，實(shí)時(shí)性和精確度更高的步進(jìn)電機(jī)速度和角度控制方法。

運(yùn)載火箭；推力調(diào)節(jié)；步進(jìn)電機(jī)；速度控制；軟硬件結(jié)合

運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)電機(jī)是一種2項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)控制，避免啟動(dòng)和停止過程的失步或過沖，需要選擇適合電機(jī)運(yùn)行的速度控制曲線，通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度來實(shí)現(xiàn)速度控制[1]。運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)電機(jī)的速度控制曲線和調(diào)節(jié)角度有靈活設(shè)置需求，一是在型號(hào)研制初期，需要對(duì)不同的速度控制曲線的負(fù)載性能進(jìn)行摸底試驗(yàn)，要求速度控制曲線能夠靈活調(diào)整；另外，射前推力調(diào)節(jié)功能測(cè)試、射前推力調(diào)節(jié)電機(jī)角度初始化以及不同飛行任務(wù)中，電機(jī)調(diào)節(jié)角度都不盡相同，因此，要求推力調(diào)節(jié)控制功能能夠靈活地適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境下的不同調(diào)節(jié)角度；此外，未來的運(yùn)載火箭發(fā)展對(duì)可變的速度控制曲線有潛在需求。

近幾年的相關(guān)文獻(xiàn)中，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的速度控制方法論述較多的是查表法，其變頻控制采用軟件延時(shí)或者定時(shí)器中斷法，文獻(xiàn)[2-6]對(duì)查表法及其變頻控制方法進(jìn)行了論述。

查表法需要事先確定好步進(jìn)電機(jī)的速度控制曲線，然后將階梯頻率和階梯步長(zhǎng)固化在ROM中，工作過程中軟件按順序讀取ROM中的數(shù)據(jù)，每次取出一個(gè)階梯頻率及其對(duì)應(yīng)的步長(zhǎng)，頻率控制采用軟件延時(shí)或定時(shí)器中斷的方法實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制。查表法的變頻控制方法原理如下：

1)軟件延時(shí)

通過改變相鄰2個(gè)頻率控制字之間的延時(shí)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)變頻控制，優(yōu)點(diǎn)是程序簡(jiǎn)單，不占用硬件資源，缺點(diǎn)是CPU等待時(shí)間過長(zhǎng)，占用大量時(shí)間。

2)定時(shí)器中斷

在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，通過改變定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖頻率的調(diào)整。優(yōu)點(diǎn)是占用CPU時(shí)間少，容易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)軟件延時(shí)更為實(shí)用，也是目前應(yīng)用較多的一種變頻方法。

查表法變頻控制所用的這2種方法雖然都可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的速度控制，但存在以下問題：

1)速度控制曲線是固化的，改變控制曲線需要更改ROM 中的數(shù)據(jù)，即改變軟硬件狀態(tài)，因此，采用查表法的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)速度曲線一旦確定，一般情況下不允許隨便更改；

2)固化在ROM中的速度曲線數(shù)據(jù)包括階梯頻率、階梯步長(zhǎng)以及不同頻率脈沖之間的時(shí)間間隔等信息，在控制曲線離散化程度較高的情況下，這些信息通常占用較大的存儲(chǔ)空間，增加了控制成本；

3)軟件延時(shí)法通過改變相鄰脈沖之間的延時(shí)來改變脈沖的輸出頻率，頻率精度依賴于軟件延時(shí)的精度，精確度難以保證，且軟件運(yùn)行時(shí)需要完全占用CPU時(shí)間， CPU利用率低。定時(shí)器中斷法相對(duì)軟件延時(shí)法雖然占用CPU時(shí)間少，但是其精度依然有限。

查表法存在速度曲線固定、靈活性差和變頻控制精度不高的缺點(diǎn)，本文提出了一種軟硬件結(jié)合的步進(jìn)電機(jī)速度控制方法，其硬件采用了在波形合成中被廣泛使用的方法：DDS(Direct Digital Frequency Synthesis，直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)，利用硬件電路波形合成實(shí)時(shí)性強(qiáng)和精確度高的優(yōu)點(diǎn)，通過FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS電路，解決了軟件延時(shí)和定時(shí)器中斷在變頻控制上存在的弊端；同時(shí)，利用與高級(jí)語言編程簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，克服了查表法速度曲線固化，靈活性差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在不改變軟硬件狀態(tài)下對(duì)速度控制曲線的靈活設(shè)置。該方法通過軟硬件的合理分工，充分發(fā)揮軟件和硬件的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有速度控制方法的不足，提供了一種更加靈活、精確度更高且實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的步進(jìn)電機(jī)速度控制方法。

1 DDS技術(shù)原理概述

DDS技術(shù)是二十世紀(jì)末發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法，其采用數(shù)字化技術(shù)，從相位角度出發(fā)直接合成所需波形。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)于二十世紀(jì)70年代首次提出，但由于當(dāng)時(shí)的硬件技術(shù)和工藝水平有限，DDS 技術(shù)僅僅在理論上進(jìn)行了一些探討研究，而沒有得到足夠的重視。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、復(fù)雜可編程器件等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，加之對(duì)DDS 理論的進(jìn)一步探討，使得DDS技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。DDS是全數(shù)字化的頻率合成技術(shù)，由相位累加器、波形存儲(chǔ)器ROM，D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器4部分組成。由于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的全數(shù)字化，使其具有其他頻率合成器無法比擬的優(yōu)越性。

DDS 的基本工作原理是：在參考時(shí)鐘頻率下，相位累加器以所設(shè)定的頻率控制字FCW 為步長(zhǎng)進(jìn)行累加，然后輸出累加的結(jié)果在波形查找表中找到相應(yīng)的幅度量化序列并輸出，通過D/A 轉(zhuǎn)換得到信號(hào)的模擬分量，最后經(jīng)過低通濾波器濾波之后得到所需要的波形。圖1給出了DDS的基本工作原理示意圖[7-8]。

圖1 DDS工作原理

圖中，相位累加器的長(zhǎng)度為N，F(xiàn)CW為頻率控制字，則輸出頻率fout與參考時(shí)鐘頻率fc的關(guān)系為：

fout=fc×FCW/2N

(1)

相位累加器的位數(shù)N為常數(shù)，所以要改變輸出頻率的大小，只要通過改變頻率控制字的大小就可以得到所需的頻率，并且頻率的分辨率也是由N的值來決定的，N的值越大，分辨率就越高；反之，N的值越小，分辨率就越低。

若已知輸出頻率，利用這一公式可以推導(dǎo)出頻率控制字的轉(zhuǎn)換公式：

FCW=fout×2N/fc

(2)

假設(shè)FPGA的工作頻率為50 MHz，經(jīng)分頻后為0.25 MHz。相位累加器的長(zhǎng)度為N位，即2N。則電機(jī)的頻率轉(zhuǎn)換配置公式為：

(3)

由于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)的全數(shù)字化結(jié)構(gòu)具有分辨率高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、相位噪聲低和相位變化連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，使得控制脈沖生成過程具有高實(shí)時(shí)性，合成的頻率脈沖精度高，符合運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)電機(jī)控制的要求。

工業(yè)應(yīng)用中DDS電路的實(shí)現(xiàn)有2種方法：1)采用專用的DDS芯片；2)采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)。

與專用DDS芯片相比，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的DDS電路具有如下特點(diǎn)：

1)可定義程度高，專用的DDS芯片控制方式固定，而采用FPGA實(shí)現(xiàn)的DDS電路則可以根據(jù)功能需求而方便的添加各種復(fù)雜的功能，實(shí)用性和便捷性更高；

2)信號(hào)質(zhì)量較高，采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的DDS電路與專用DDS芯片一樣可以輸出高質(zhì)量的信號(hào)，信號(hào)的精度誤差在允許的范圍之內(nèi)；

3)成本低，專用的DDS芯片價(jià)格較高，而采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的DDS電路嵌入到系統(tǒng)中并不會(huì)使成本增加很多。

因此，基于FPGA設(shè)計(jì)的DDS電路具有更高的實(shí)用性。

2 方法原理及控制流程

2.1 方法原理

基本原理如下：

1)利用頻率控制字FCW和輸出頻率fout之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，實(shí)現(xiàn)速度控制曲線的靈活設(shè)置。

根據(jù)式(1)和(2)可知，在已知參考時(shí)鐘頻率fc的前提下，可以根據(jù)頻率控制字FCW得到輸出頻率fout；反之，也可以根據(jù)已知的輸出頻率fout得到頻率控制字FCW。因此，利用式(2)將預(yù)輸出的頻率轉(zhuǎn)換為FCW，再通過FPGA軟件根據(jù)FCW合成頻率為fout的脈沖波形，從而實(shí)現(xiàn)頻率的動(dòng)態(tài)設(shè)置。

2)利用速度控制曲線的分段規(guī)律和升速減速階段的鏡像關(guān)系簡(jiǎn)化通信協(xié)議。

步進(jìn)電機(jī)常用的速度控制曲線包括直線型、指數(shù)型曲線等，在應(yīng)用時(shí)通常將曲線進(jìn)行離散化，形成多個(gè)頻點(diǎn)以及相應(yīng)脈沖數(shù)組成的離散化曲線，然后通過發(fā)送不同頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)速度控制。不管是直線型還是指數(shù)型速度曲線，都可以劃分為升速段、勻速段和減速段3個(gè)部分。升速段從步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率開始，按照曲線頻點(diǎn)逐漸升高頻率至額定工作頻率；減速段則正好相反，為升速段的鏡像曲線，從步進(jìn)電機(jī)的額定工作頻率開始，逐漸降低頻率至啟動(dòng)頻率，最后停止；中間額定頻率的工作過程為勻速段。圖2是指數(shù)型和直線型速度控制曲線的3個(gè)階段以及升減速階段鏡像關(guān)系示意圖。

圖2 2種速度曲線

通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)速度曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，如果僅將速度曲線升速段的頻點(diǎn)和脈沖數(shù)上傳，根據(jù)上述規(guī)律便可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)曲線的繪制，從而簡(jiǎn)化通信協(xié)議，提高通信效率。

3)通過合理分工，充分發(fā)揮高級(jí)語言軟件和FPGA的優(yōu)勢(shì)。

高級(jí)語言具有編程簡(jiǎn)單、調(diào)試方便和可讀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)接口通信交互功能和頻率控制字的轉(zhuǎn)換工作，因此采用高級(jí)語言設(shè)計(jì)的軟件能非常方便地完成速度控制曲線和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的上傳、解析、分解和裝訂。FPGA芯片具有體積小、改動(dòng)靈活方便、性能高、功耗低和效率高的優(yōu)點(diǎn)，采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的DDS電路靈活性高、信號(hào)質(zhì)量高且成本低，可以方便實(shí)現(xiàn)高精度、高實(shí)時(shí)的脈沖信號(hào)合成。同時(shí)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)變頻控制可以分擔(dān)高級(jí)語言軟件的工作，避免采用高級(jí)語言軟件實(shí)現(xiàn)頻率控制時(shí)的CPU獨(dú)占現(xiàn)象，高級(jí)語言軟件可以并行完成其他工作，使得CPU利用率高。將高級(jí)語言和FPGA相結(jié)合，有利于充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 控制流程

在工程應(yīng)用中的具體控制流程如下：

1)將待上傳的速度控制曲線各個(gè)頻點(diǎn)的頻率和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)通過設(shè)計(jì)好的軟件接口協(xié)議上傳至高級(jí)語言實(shí)現(xiàn)的軟件中；

2)高級(jí)語言軟件將收到的各個(gè)頻率按照升減速曲線鏡像對(duì)應(yīng)關(guān)系完成整個(gè)曲線的擴(kuò)展，再根據(jù)式(2)生成相應(yīng)的頻率控制字FCW，然后將各個(gè)FCW以及相對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)一同寫入FPGA指定內(nèi)存中，作為DDS電路的輸入，完成速度控制曲線的上傳和在線裝訂；

3)高級(jí)語言軟件啟動(dòng)FPGA的DDS電路，F(xiàn)PGA內(nèi)存中的FCW依次輸入至DDS電路，由DDS電路合成頻率為fout、數(shù)量為預(yù)設(shè)脈沖數(shù)的控制脈沖，直至所有FCW均輸入完畢，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)速度曲線的改變和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)脈沖合成，完成步進(jìn)電機(jī)的可變速度控制。

控制方法流程如圖3所示。

圖3 控制流程圖及軟硬件分工

3 應(yīng)用舉例及合成效果分析

3.1 應(yīng)用舉例

推力調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)為2相8拍混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)組件工作頻率參數(shù)如下： 額定工作頻率為3200±200Hz；起動(dòng)頻率為800 Hz。

本文以某一指數(shù)型曲線為例，說明如何通過在線裝訂實(shí)現(xiàn)速度曲線的動(dòng)態(tài)設(shè)定和驅(qū)動(dòng)脈沖的實(shí)時(shí)合成，其他曲線的設(shè)定方法同理，不再贅述。

該指數(shù)型曲線離散化后的曲線如圖4，升速段的頻點(diǎn)和對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)見表1。

圖4 離散化的指數(shù)型曲線

表1 升速段曲線頻點(diǎn)及脈沖數(shù)

1)升速段曲線上傳

首先，將升速段的16個(gè)頻點(diǎn)和對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)(表1)以及總脈沖數(shù)通過預(yù)先設(shè)定的協(xié)議上傳至高級(jí)語言軟件中，由高級(jí)語言完成整個(gè)曲線的擴(kuò)展、FCW的轉(zhuǎn)換和FPGA指定內(nèi)存的裝訂。

2)曲線擴(kuò)展

假設(shè)本次脈沖總數(shù)為10000，高級(jí)語言軟件根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得到升速段脈沖總數(shù)為1656，根據(jù)升減速段曲線的鏡像對(duì)應(yīng)關(guān)系，減速段的頻點(diǎn)和脈沖數(shù)與升速段相同，減速段脈沖總數(shù)=升速段脈沖總數(shù)=1656，因此，勻速段脈沖總數(shù)=10000-1656*2=6688，進(jìn)而得到整個(gè)曲線的頻點(diǎn)及對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)，這里不再列舉。

3)FCW轉(zhuǎn)換和FPGA裝訂

假設(shè)本例中FPGA的工作頻率為50 MHz，經(jīng)分頻后為0.25 MHz。相位累加器的長(zhǎng)度為15位，按照拓展后整個(gè)曲線的頻點(diǎn)，根據(jù)式(2)計(jì)算得每個(gè)頻點(diǎn)的頻率控制字FCW，并寫入指定FPGA內(nèi)存空間。

以2000Hz為例，說明FCW的轉(zhuǎn)換過程：

4)啟動(dòng)波形合成

高級(jí)軟件收到啟動(dòng)指令后，啟動(dòng)FPGA軟件DDS電路，DDS電路根據(jù)輸入的FCW合成指定頻率和數(shù)量控制脈沖，直至完成所有FCW輸入，從而根據(jù)裝訂的曲線實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和角度控制。

此外，對(duì)試驗(yàn)中的脈沖波形進(jìn)行記錄，對(duì)DDS脈沖合成效果進(jìn)行驗(yàn)證，這里從試驗(yàn)記錄波形中隨意選取了800Hz，2000Hz,3200Hz三個(gè)頻點(diǎn)的脈沖波形，分別如圖5～ 7所示。

圖5 800Hz脈沖波形圖

圖6 2000Hz脈沖波形圖

圖7 3200Hz脈沖波形圖

3.2 合成效果分析

1)頻率分辨率高。合成頻率的分辨率由相位累加器的長(zhǎng)度N決定，運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)DDS電路的相位累加器長(zhǎng)度為15，滿足飛行控制所需要的精度；

2)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間由FCW的傳輸時(shí)間和以低通濾波器為主的頻率響應(yīng)時(shí)間2部分組成，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間決定了脈沖合成的實(shí)時(shí)性，這一點(diǎn)在運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)脈沖合成控制上非常關(guān)鍵，運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)具有高實(shí)時(shí)性，發(fā)動(dòng)機(jī)推力在指定的時(shí)間內(nèi)必須調(diào)節(jié)至預(yù)定目標(biāo)，這就要求波形合成的實(shí)時(shí)性必須符合設(shè)計(jì)要求，否則影響飛行的成敗，DDS的高實(shí)時(shí)性適合實(shí)時(shí)性要求非常高的航天應(yīng)用領(lǐng)域；

3)相位噪聲和頻率漂移低。運(yùn)載火箭推力調(diào)節(jié)控制器的DDS電路采用固定的晶振來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，可以保證優(yōu)異的相位噪聲和漂移特性；

4)相位變化連續(xù)。DDS是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換頻率的指令加在DDS的數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，會(huì)迅速合成所要求的頻率信號(hào)，相位是連續(xù)變化的，從而保證了頻率跳變過程中信號(hào)相位的連續(xù)，避免了因?yàn)橄辔幌⒌膩G失造成脈沖丟失，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)角度不到位，致使發(fā)動(dòng)機(jī)推力的調(diào)節(jié)達(dá)不到預(yù)定目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文的推力調(diào)節(jié)電機(jī)控制方法引入了軟硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，通過軟硬件的合理分工，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮軟硬件各自的優(yōu)勢(shì)，解決了現(xiàn)有步進(jìn)電機(jī)速度控制常用的查表法速度曲線固化、頻率精度低、CPU獨(dú)占以及存儲(chǔ)空間需求高等缺點(diǎn)。

軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，采用軟件實(shí)現(xiàn)降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，通過硬件分擔(dān)軟件工作的負(fù)擔(dān)，彌補(bǔ)軟件控制的不足，通過二者的合理分工，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)揮系統(tǒng)最大潛能，該設(shè)計(jì)思想為未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。

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ADynamicControlMethodforThrustMotorsofLaunchVehicleBasedonSoftwareandHardwareCombination

Sun Haifeng, Hu Yu, Zou Jun

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Inthispaper,akindofflexiblespeedcontrolcurveandanglesetmethodforthrustregulationmotoroflaunchvehiclebasedonsoftwareandhardwarecombinationispresented,whichismoreflexible,practical,realtime,accuratethanothersteppingmotorspeedcontrolmethodsduetoitsfeaturesofnon-requiredchanginghardwareandsoftwarestatusandgivingfullplaytothestrengthsofadvancedlanguagesoftandFPGAandovercomsthedrawbacksofcurrentothercontrolmethodsofsteppingmotor.

Launchvehicle;Thrustregulation;Steppingmotor;Speedcontrol;Softwareandhardwarecombination

TP273+.5

A

1006-3242(2017)04-0052-05

2017-03-13

孫海峰(1976-)，男，河北人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炜刂葡到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì)與可靠性理論；呼吁(1982-)，女，北京人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教炜刂葡到y(tǒng)電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)；鄒軍(1974-)，男，湖北人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炜刂葡到y(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。