一種數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要： 本文實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)以浮點(diǎn)信號(hào)處理器TMS320F28335作為控制核心， 以磁電編碼器作為舵偏角反饋裝置， 以直流無(wú)刷電機(jī)作為伺服電機(jī)， 以齒輪副和滾珠絲杠副作為減速機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性、 寬帶寬輸出。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)對(duì)于1°， 10 Hz輸入信號(hào)的相位延遲為16.8°， 角速度可到達(dá)580 （°）/s， 系統(tǒng)頻帶可達(dá)到34 Hz。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)； 數(shù)字信號(hào)處理器； 直流無(wú)刷電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)： TJ765文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1673-5048（2018）04-0084-05

0引言

伺服控制系統(tǒng)是導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的組成部分， 其任務(wù)是將來(lái)自控制系統(tǒng)的俯仰、 偏航和滾轉(zhuǎn)信號(hào)， 經(jīng)過(guò)信號(hào)變換和功率放大， 克服氣動(dòng)鉸鏈力矩和彎曲力矩， 驅(qū)動(dòng)舵面按規(guī)定的方向以一定角速度偏轉(zhuǎn)， 形成與控制信號(hào)成比例的舵偏角， 從而改變彈體的飛行姿態(tài)， 因此伺服控制系統(tǒng)的性能將直接影響導(dǎo)彈的快速機(jī)動(dòng)能力和制導(dǎo)精度。

為了提高導(dǎo)彈的快速機(jī)動(dòng)能力， 要求伺服控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性和控制精度。 傳統(tǒng)的以有刷電機(jī)為核心構(gòu)成的舵機(jī)由于受電機(jī)性能的制約， 已無(wú)法滿足這種要求。 無(wú)刷直流電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 1955年， 美國(guó)的Harrison D等人首次申請(qǐng)了用晶體管換相線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專(zhuān)利， 標(biāo)志無(wú)刷直流電機(jī)的誕生。 無(wú)刷電機(jī)由于采用電子換向代替了機(jī)械換向， 因此在同樣體積下可以達(dá)到更大的功率輸出。 另外， 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字控制芯片的運(yùn)算速度越來(lái)越快， 功能更加豐富， 使無(wú)刷直流電機(jī)的控制更加精確和穩(wěn)定。

為滿足制導(dǎo)控制系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)快速性和功率輸出等性能的更高要求， 采用DSP數(shù)字控制芯片， 以無(wú)刷直流電機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)就成為一個(gè)必然的選擇。

1電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 單一位置反饋控制。 舵機(jī)的四個(gè)舵回路獨(dú)立工作， 且工作原理和組成相同。 每個(gè)舵回路由控制電路、 無(wú)刷直流電機(jī)、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、 位置反饋裝置等組成。 系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的控制電路接收飛控組件發(fā)送的舵控制指令信號(hào)， 同時(shí)接收位置反饋信號(hào)， 經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后形成脈寬調(diào)制控制信號(hào)。 脈寬調(diào)制控制信號(hào)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路， 經(jīng)過(guò)功率放大， 驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在無(wú)刷直流電機(jī)的作用下， 驅(qū)動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)并達(dá)到指定的位置。 系統(tǒng)的控制策略框圖如圖2所示。

1.1控制電路

控制電路的主要作用如下：

（1） 控制電路DSP通過(guò)RS-422通信接口電路與飛控組件信息進(jìn)行交互和傳遞（接收舵控指令、 反饋舵偏角信號(hào)、 發(fā)送自檢信息等）；

（2） 通過(guò)控制電路DSP的SSI通信接口采集舵反饋信號(hào)， 并將數(shù)字量送入數(shù)字信號(hào)處理器；

（3） 將舵反饋信號(hào)與舵控指令比較、 綜合， 通過(guò)設(shè)定的控制算法進(jìn)行運(yùn)算， 輸出數(shù)字控制量；

（4） 輸出的數(shù)字控制信號(hào)送入功率放大電路后經(jīng)過(guò)隔離， 并進(jìn)行功率放大后施加到無(wú)刷電機(jī)上， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

控制電路的工作原理框圖如3所示。

1.1.1信號(hào)處理電路

TMS320F28335是TI公司生產(chǎn)的一款高性能浮點(diǎn)處理器， 運(yùn)行主頻達(dá)到150 MHz， 68 K的SARAM， 512 K的ROM片內(nèi)Flash， 16 K的引導(dǎo)ROM， 6個(gè)增強(qiáng)PWM模塊， 18個(gè)PWM輸出， 3個(gè)SCI串行通信接口， 1個(gè)SPI串行設(shè)備接口， 完全可以滿足浮點(diǎn)處理算法和電機(jī)控制的要求， 以適應(yīng)現(xiàn)代控制算法、 自適應(yīng)控制等復(fù)雜實(shí)時(shí)控制算法的應(yīng)用需求， 具有良好的可擴(kuò)展性。

航空兵器2018年第4期付克亞： 一種數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)DSP的外圍電路通常由時(shí)鐘電路、 JTAG接口電路、 復(fù)位電路等組成。 時(shí)鐘電路使用20 MHz晶振， 采用DSP內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行倍頻， 可得到100 MHz的工作頻率。 JTAG接口用于DSP的在線仿真與程序?qū)懭耄?DSP的上電復(fù)位信號(hào)由電源變換芯片TPS70351PWP提供。

DSP輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)SNJ54LS240總線驅(qū)動(dòng)器， 以提高DSP輸出控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。 控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

1.1.2通信接口電路

舵機(jī)控制器采用RS-422異步全雙工通訊模式與飛控組件和遙測(cè)組件進(jìn)行信息交換。 采用具有增強(qiáng)抗靜電能力的專(zhuān)用RS-422通信芯片MAX3490EESA實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。 DSP內(nèi)部使用通訊模塊SCIA和SCIB， 通過(guò)軟件可對(duì)波特率、 中斷模式、 消息塊的數(shù)據(jù)字格式等進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置。 通信電路原理見(jiàn)圖5。

1.1.3位置反饋電路

位置反饋電路主要是采集舵面角位移， 并把采集到的位移信息輸出到DSP中參與位置環(huán)運(yùn)算。 磁電編碼器是一種非接觸式角位移傳感器， 基于磁電效應(yīng)感應(yīng)角度信息， 當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 磁鋼跟隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)， 由磁鋼產(chǎn)生的磁力線分布也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)， 通過(guò)磁感應(yīng)芯片內(nèi)部的霍爾陣列檢測(cè)出旋轉(zhuǎn)磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布， 并從中解析出角位移信息。 磁電編碼器構(gòu)成部件少， 結(jié)構(gòu)緊湊， 易于實(shí)現(xiàn)小型化、 高精度、 高分辨率， 具有抗振動(dòng)、 抗沖擊特性， 同時(shí)可以直接輸出數(shù)字量， 提高了抗干擾能力， 不需要額外的AD變換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 大大提高了伺服控制的數(shù)字化程度。

磁電編碼器的角度輸出為絕對(duì)值串行輸出信號(hào)， 采用SSI接口DA+、 DA-、 CLK+、 CLK-低壓差分信號(hào)傳遞。 絕對(duì)位置在控制器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖的控制下， 從高有效位（MSB）開(kāi)始同步傳輸； 當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線均為高電平。 在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)上升沿， 編碼器的當(dāng)前位置被送出。

在DSP芯片內(nèi)設(shè)計(jì)SSI通信協(xié)議， 采用DSP的普通IO口產(chǎn)生SSI時(shí)鐘CLK， 并使用普通IO口接收編碼器輸出的串行數(shù)據(jù)； 利用4通道RS-422總線驅(qū)動(dòng)芯片和總線接收芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換； 驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自DSP的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)， 將其轉(zhuǎn)換為低壓差分信號(hào)輸出， 以驅(qū)動(dòng)編碼器； 接收器接收來(lái)自編碼器輸出的差分串行數(shù)據(jù)， 并將其變換為單端信號(hào)， 輸入到DSP內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)、 處理， 如圖6所示。

1.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接收數(shù)字信號(hào)處理器輸出的調(diào)速和方向控制信號(hào)， 同時(shí)接收電機(jī)霍爾信號(hào)， 經(jīng)過(guò)邏輯綜合處理后， 控制三相逆變器中的功率開(kāi)關(guān)管按一定的相序?qū)ê完P(guān)斷， 實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)定子U， V， W三相繞組交替通電， 產(chǎn)生持續(xù)力矩， 驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 驅(qū)動(dòng)電路的原理框圖如圖7所示。

1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用目前比較成熟的滾珠絲杠減速機(jī)構(gòu)， 其中滾珠絲桿副具有控制精度高、 傳動(dòng)效率高、 結(jié)構(gòu)緊湊、 體積小等優(yōu)點(diǎn)， 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖如圖8所示。 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 帶動(dòng)減速齒輪使絲杠旋轉(zhuǎn)， 螺母根據(jù)絲杠的旋轉(zhuǎn)左右移動(dòng)， 帶動(dòng)搖臂偏轉(zhuǎn)， 使舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成舵偏角。

1.3控制算法

本文采用的伺服控制算法為分段PID算法。 分段PID算法是PID算法的改進(jìn)， 其核心思想就是以系統(tǒng)給定誤差為分界線劃分不同的控制區(qū)間， 在這些不同區(qū)間中設(shè)置不同的比例、 微分、 積分系數(shù)來(lái)進(jìn)行PID控制。 在系統(tǒng)給定誤差較大時(shí)， 比例系數(shù)Kp較大， 積分、 微分系數(shù)為零， 系統(tǒng)滿控制量輸出， 提高系統(tǒng)的快速性； 系統(tǒng)給定誤差進(jìn)入分段區(qū)間時(shí)， 采用PID控制， 保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性滿足要求； 系統(tǒng)誤差接近零時(shí)， 采用較為保守的PID參數(shù)， 減小Kp， 增大微分系數(shù)Kd， 消除系統(tǒng)超調(diào)， 增大積分系數(shù)Ki， 減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。

另外， 控制軟件通過(guò)SSI通信口采集舵面角位移。 SSI通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單， 只需要SSI串行時(shí)鐘CLK發(fā)送、 串行數(shù)據(jù)DA接收兩個(gè)數(shù)據(jù)端口即可完成數(shù)據(jù)的通信。 DSP采集舵反饋時(shí)， 可以通過(guò)通用IO輸出串行時(shí)鐘CLK， 并通過(guò)通用IO口接收編碼器的輸出數(shù)據(jù)DA； DSP不采集舵反饋時(shí)， 只需將串行時(shí)鐘CLK置高。

2試驗(yàn)測(cè)試

為對(duì)電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證， 對(duì)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)輸入舵控信號(hào)為1°， 10 Hz信號(hào)， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖10所示。 經(jīng)過(guò)計(jì)算， 系統(tǒng)相位延遲為16.8°。

當(dāng)輸入指令為幅值30°、 周期為1 Hz的方波信號(hào)時(shí)， 系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線如圖11所示。 經(jīng)過(guò)計(jì)算， 系統(tǒng)角速度為585 （°）/s。

系統(tǒng)的幅頻特性曲線如圖12所示。 可以看到， 系統(tǒng)帶寬約為34 Hz。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試， 可以看到系統(tǒng)具有高快速性、 寬頻帶等特性。

3結(jié)論

本文完成了一種數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 該系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心， 可以適應(yīng)復(fù)雜實(shí)時(shí)控制算法的應(yīng)用需求， 具有良好的可擴(kuò)展性。 位置傳感器采用磁電編碼器， 伺服電機(jī)選用無(wú)刷直流電機(jī)， 并采用結(jié)構(gòu)緊湊的滾珠絲杠副作為減速機(jī)構(gòu)， 分別完成了控制電路、 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制算法的詳細(xì)設(shè)計(jì)， 并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。 試驗(yàn)結(jié)果表明， 系統(tǒng)具有控制精度高、 可靠性高、 實(shí)時(shí)性高、 功率輸出密度高、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 大幅提升了伺服控制系統(tǒng)的整體性能， 對(duì)提升導(dǎo)彈的快速機(jī)動(dòng)能力具有一定意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王慧， 劉曉利， 王文文.含有死區(qū)與間隙電動(dòng)舵機(jī)的反演控制[J].航空兵器， 2016（5）： 29-33.

Wang Hui， Liu Xiaoli， Wang Wenwen. Backstepping Control of Electromechanical Actuator with Dead Zone and Gap[J]. Aero Weaponry， 2016（5）： 29-33.（in Chinese）

[2] 陳墨， 胡昌華， 張偉， 等. 新型無(wú)刷直流電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用， 2015， 42（5）： 6-10， 16.

Chen Mo， Hu Changhua， Zhang Wei， et al. Design and Analysis of a New BLDCM Servomechanism[J]. Electric Machines & Control Application， 2015， 42（5）： 6-10， 16.（in Chinese）

[3] 楊同杰. 基于DSP的直流伺服電機(jī)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京： 南京理工大學(xué)， 2009.

Yang Tongjie. The Design of BLDC Motor Motion Control System Based on DSP[D].Nanjing： Nanjiang University of Science and Technology， 2009.（in Chinese）

[4] 蔡敬海. 機(jī)載光電穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤伺服系統(tǒng)研究[D]. 長(zhǎng)春： 長(zhǎng)春理工大學(xué)， 2009.

Cai Jinghai.Research on Tracking Servo System of Airborne ElectroOptical Stabilized Platform[D]. Changchun： Changchun University of Science and Technology，2009.（in Chinese）

[5] 侯曉松. 基于DSP的彈上舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2008.

Hou Xiaosong. Design of the Steering Engine Control System for Missile Based on DSP[D].Xian： Xidian University， 2008.（in Chinese）

[6] 謝濤， 楊碩， 曹軍明.數(shù)字無(wú)刷電動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)角測(cè)試技術(shù)研究[J].航空兵器， 2012（3）： 18-21.

Xie Tao， Yang Shuo， Cao Junming. A Research for Rudder Angle Test Technology of Digital Brushless Electric Actuator[J]. Aero Weaponry， 2012（3）： 18-21.（in Chinese）

[7] 郭棟， 李朝富.反操縱負(fù)載力矩對(duì)電動(dòng)舵機(jī)性能的影響分析[J].航空兵器， 2014（2）： 9-11.

Guo Dong， Li Chaofu. Influence of Reverse Operating Torque on Electromechanical Actuator Performance[J]. Aero Weaponry， 2014（2）： 9-11.（in Chinese）

Abstract： A digital brushless electric actuator system is designed. The control system adopts a floatingpoint digital signal processor TMS320F28335 as control core of control circuit， uses the magnetoelectric encoder as the angle measuring device， uses the brushless DC motor as the actuator， uses the ball screw and gear pair as the retarding mechanism to realize high realtime and wideband output of system.The experimental results show that the phase delay is 16.8° at 1°， 10 Hz sinusoidal signal， the system angular velocity comes up to 580 （°）/s， and the system bandwidth achieves to about 34 Hz.

Key words： digital brushless electric actuator； digital signal processor； brushless DC motor