張 翔，馬瑞卿，胡克石

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710129)

0 引 言

目前，隨著飛航導(dǎo)彈射程、速度、飛行高度和機(jī)動(dòng)性的不斷增加，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)正向著輸出力矩大、響應(yīng)速度快、功率大、體積小、集成度高、全數(shù)字化方向發(fā)展。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，已經(jīng)在國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域中得到了較好的應(yīng)用［1－2］。

然而，從目前國(guó)內(nèi)外的使用情況來(lái)看，雖然電動(dòng)舵機(jī)越來(lái)越多地被應(yīng)用在導(dǎo)彈上，并受到日益廣泛的重視，但還存在不少問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)，尤其在大功率方面，電路參數(shù)變化對(duì)伺服回路的特性影響較大、伺服回路可測(cè)試性差、可靠性差、切換保護(hù)邏輯復(fù)雜對(duì)于大型彈道導(dǎo)彈目前的電動(dòng)舵機(jī)一般很難滿足這方面的要求［3］。

本文以大功率無(wú)刷直流電動(dòng)舵機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)一種基于DSP+CPLD的數(shù)字化高精度、高可靠性的控制器。系統(tǒng)框圖如圖1所示，具有高精度控制、多功能保護(hù)等功能，并具有輸入電壓范圍寬，輸出電流大、體積小、易于控制、接口可靠、抗干擾能力強(qiáng)，方便MCU控制等特點(diǎn)，適合于高頻響、大功率、高可靠性伺服系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 航天大功率舵機(jī)的工作特點(diǎn)分析

航天飛行器的控制可以劃分為兩部分:一是實(shí)現(xiàn)特定的飛行彈道;二是必須對(duì)目標(biāo)可能的航向改變作出反應(yīng)。后者取決于對(duì)目標(biāo)位置、速度或加速度信息的適時(shí)修正。由于現(xiàn)階段航天飛行器一般以極高的速度飛行，所以在控制舵機(jī)對(duì)飛行路線進(jìn)行修正上必須要有快速的響應(yīng)和準(zhǔn)確的定位;其次在飛行過(guò)程中，為了避免飛行器處于比較大的波動(dòng)，一個(gè)穩(wěn)定的控制回路至關(guān)重要，在此就要求舵機(jī)系統(tǒng)不但要有快速的響應(yīng)，還必須要有較好的穩(wěn)定性;再次大功率電動(dòng)舵機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其電壓、電流等參數(shù)變化復(fù)雜，要對(duì)各種出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本文將以快速、穩(wěn)定、可靠這三個(gè)方面為主，對(duì)大功率舵機(jī)控制器進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)。

(1)利用DSP運(yùn)算速度快，設(shè)計(jì)三閉環(huán)系統(tǒng)，配合模糊PID算法、并口數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到高精度、響應(yīng)速度快的特點(diǎn);

(2)發(fā)揮CPLD強(qiáng)大的邏輯處理能力，簡(jiǎn)化DSP程序，使得主程序簡(jiǎn)化明了，通過(guò)合理的模擬、數(shù)字雙濾波電路，使得信號(hào)傳輸穩(wěn)定;

(3)分析了大功率無(wú)刷直流舵機(jī)工作時(shí)電壓、電流、上下電、電氣回路的參數(shù)情況，設(shè)計(jì)合理的電路和程序，保證其可靠性。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源供電設(shè)計(jì)

本控制器輸入有兩種直流電源，分別為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的180 V(DC)功率電源和確?？刂破髡９ぷ鞯?4 V(DC)控制電源。其中，180 V直流電源經(jīng)過(guò)上下電開關(guān)電路、濾波電容排、三相全橋逆變器后為電機(jī)三相星形繞組提供方波驅(qū)動(dòng)電流，使電機(jī)的主功率通道;而24 V直流電源為總的控制電源，分別通過(guò)電源模塊轉(zhuǎn)換為1路+5 V和1路±15 V的信號(hào)級(jí)電源、四路隔離的+15 V逆變器驅(qū)動(dòng)電源。

首先分析上電過(guò)程中的邏輯時(shí)序，處于何種狀態(tài)下的邏輯時(shí)序會(huì)造成功率部分的導(dǎo)通混亂，從而使控制器處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。表1中可以看出，狀態(tài)1、狀態(tài)2，由于芯片供電和邏輯信號(hào)電都為0，不會(huì)造成功率器件的導(dǎo)通;當(dāng)狀態(tài)3、狀態(tài)4、狀態(tài)5時(shí)，由于5 V邏輯電平和DSP、CPLD上電時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)，功率器件可能存在導(dǎo)通無(wú)序的狀態(tài)，要控制好電源上下點(diǎn)時(shí)序，避免狀態(tài)3、4、5的情況出現(xiàn)。

表1 電源供電狀態(tài)表

本控制器在IPM前級(jí)，用MOSFET和三級(jí)管搭建了一個(gè)模擬電路，當(dāng)3.3 V、1.9 V和5 V上電未穩(wěn)定時(shí)，IPM前級(jí)管腳通通被上拉5 V，當(dāng)3.3 V、1.9 V和5 V都滿足穩(wěn)定時(shí)，MOSFET關(guān)斷，IPM的輸出前級(jí)變?yōu)橛蒀PLD控制的輸出信號(hào);當(dāng)系統(tǒng)下電時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到3路信號(hào)電有變化時(shí)，馬上關(guān)斷光耦5 V前級(jí)供電，框圖如圖2所示。

圖2 上下電管理框圖

2.2 主控芯片設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DSP+CPLD的組合控制方式，DSP采用TMS320F2812的32位定點(diǎn)DSP，非常適用于工業(yè)控制、電機(jī)控制等。而CPLD采用epm1270，該芯片供電電壓采用3.3 V，其集成度高、程序并行處理速度快且性能優(yōu)良。兩者結(jié)合優(yōu)勢(shì)明顯，DSP作為控制單元，運(yùn)算速度快、易于高速算法的實(shí)施;而CPLD作為邏輯、保護(hù)處理單元，其并行處理能力強(qiáng)，邏輯時(shí)序功能強(qiáng)大。

2.3 檢測(cè)電路

2.3.1 電壓檢測(cè)

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都存在電壓泵升，通常，電源一般無(wú)法吸收該能量，大多數(shù)存儲(chǔ)在濾波電容上，因此要對(duì)母線電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電壓較高時(shí)，IPM制動(dòng)功率管導(dǎo)通，能量通過(guò)制動(dòng)電阻R釋放掉。

根據(jù)主功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)在電容排的兩端，根據(jù)該電壓值可知道母線電壓的大小、電壓泵升、電容排上有無(wú)電荷等，電壓傳感器選用LEM公司的LV25－P磁平衡式電壓傳感器，其輸出為電流型隔離式，外配電阻進(jìn)行輸出電壓匹配。

2.3.2 電流檢測(cè)

本系統(tǒng)考慮到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)舵機(jī)時(shí)電機(jī)始終處于頻繁正/反轉(zhuǎn)，大電流沖擊頻繁，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的母線電流和三相電流都要進(jìn)行同時(shí)檢測(cè);采用三個(gè)霍尼韋爾公司生產(chǎn)的CSNS 300M－002電流傳感器，額定0～300 A，峰值電流600 A;一個(gè)檢測(cè)母線電流、剩下兩個(gè)檢測(cè)兩路相電流，通過(guò)2路相電流反算出第三路相電流，同樣外配電阻進(jìn)行輸出電壓匹配。

2.3.3 位置檢測(cè)

控制器的位置檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)變壓器和霍爾信號(hào)同時(shí)采樣，將霍爾信號(hào)同時(shí)送入DSP和CPLD，而旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)通過(guò)AD2S1200旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成電路，輸出12位絕對(duì)位置信息和帶符號(hào)的11位速度信息。

2.3.4 溫度檢測(cè)

溫度通過(guò)熱敏電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)電阻分壓比，輸出0～5 V電壓。

2.3.5 硬件濾波電路

大功率電動(dòng)舵機(jī)電磁環(huán)境復(fù)雜，航天系統(tǒng)對(duì)于可靠性要求又比較高，既要保證系統(tǒng)的可靠性，又不能頻繁出現(xiàn)虛警現(xiàn)象，所以濾波采用硬件、軟件雙濾波設(shè)計(jì)。而硬件濾波又分為雙通道，如圖3所示，電壓、電流、溫度模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)二階有源濾波后也分成兩路，一路通過(guò)變比例后輸出電壓信號(hào)給AD采樣，通過(guò)采樣反饋信號(hào)給CPLD，另一路經(jīng)過(guò)與過(guò)流基準(zhǔn)比較，輸出TTL電平信號(hào)給CPLD，進(jìn)行邏輯綜合處理，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。

2.4 通訊電路

根據(jù)圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在本控制器的組合中，DSP主要用來(lái)做速度、電流、位置三閉環(huán)的算法;而CPLD作為邏輯時(shí)序電路的主控單元，它承擔(dān)逆變器管子的邏輯開通，電壓、電流、位置信號(hào)的檢測(cè)，以及各種故障信號(hào)和使能信號(hào)的檢測(cè);還有過(guò)AD2S1200旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器單片集成電路。他們之間采用并口傳送數(shù)據(jù)，電壓、電流、溫度等信號(hào)通過(guò)AD采樣送入CPLD，旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號(hào)通AD2S1200并口傳送給CPLD，最后在CPLD中通過(guò)VHDL語(yǔ)言編寫一個(gè)通訊協(xié)議，依次將三相電流、母線電流、母線電壓、速度信號(hào)、旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號(hào)等在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)并口連接將數(shù)據(jù)送入DSP。

圖3 信號(hào)濾波電路

2.5 主功率及驅(qū)動(dòng)電路

圖4為逆變器主功率電路圖。從圖中看出180 V主功率電壓(直流母線電壓)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)功率電阻和大功率MOSFET并聯(lián)的上電開關(guān)電路，其中功率電阻R1用于對(duì)后級(jí)濾波電容排上電電流進(jìn)行限制，當(dāng)電容排上的電壓達(dá)到預(yù)定值時(shí)，功率MOSFET導(dǎo)通，功率電阻被短路，在驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)電流一直從該MOSFET上流過(guò)。當(dāng)電機(jī)剎車時(shí)，由CPLD控制斬波信號(hào)，這是母線電容電壓泵升，母線電壓超過(guò)260 V時(shí)，經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生過(guò)壓信號(hào)，G7開通。如果過(guò)壓信號(hào)消失，G7導(dǎo)通50 μs后關(guān)斷?？紤]到本舵機(jī)系統(tǒng)額定電流60 A，峰值電流220 A，逆變器采用采用7管組成的 IPM模塊PM300RL A060，額定300 A，峰值600 A，為了吸收直流母線上的電壓電流尖峰，在IPM的P、N兩個(gè)引腳就近安裝高頻無(wú)感電容。

圖4 逆變器主功率電路

驅(qū)動(dòng)信號(hào)部分，CPLD發(fā)出PWM信號(hào)，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入U(xiǎn)LN2003復(fù)合晶體管陣列，再將ULN2003后極驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入高速光耦HCPL4504，通過(guò)模擬上下電管理電路之后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)送入IPM模塊。

3 軟件設(shè)計(jì)及時(shí)序圖

3.1 DSP 軟件

DSP是控制閉環(huán)的核心部分，DSP的軟件是控制系統(tǒng)的靈魂，對(duì)于控制系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)有著關(guān)鍵性的作用。本程序采用C語(yǔ)言編寫，通過(guò)CCS3.3進(jìn)行編譯。

控制方式為三閉環(huán)系統(tǒng)。位置、速度為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，其中速度環(huán)采用模糊 PID的控制，CPLD將采來(lái)的電壓、電流、位置、速度、溫度信號(hào)通過(guò)并口協(xié)議傳送給DSP作為參考根據(jù)，再和DSP中位置環(huán)和速度環(huán)的給定進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)速度環(huán)的模糊PID調(diào)節(jié)，產(chǎn)生輸出，這個(gè)輸出再作為電流環(huán)的輸入，對(duì)CPLD傳回的電流值和自身采集到的霍爾信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的空間矢量換算，然后將換算后的電流反饋進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)三閉環(huán)后，改變DSP輸出PWM占空比，將新的PWM占空比信號(hào)發(fā)送給CPLD。

圖5是DSP程序流程框圖。DSP程序包括主程序和子程序。主程序包括初始化一些寄存器配置、I/O口配置、模塊的配置和中斷配置、變量的初始化等等以及讀取CPLD中電機(jī)和控制器的信號(hào);而子程序是對(duì)讀取信號(hào)進(jìn)行換算，并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

圖5 DSP程序流程圖

這里重點(diǎn)對(duì)速度環(huán)中模糊控制流程，以及參數(shù)匹配進(jìn)行重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)。根據(jù)舵機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際需要，采用二維模糊控制方法，根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差e和轉(zhuǎn)速變化率ec變化范圍設(shè)定二維模糊規(guī)則表，并且通過(guò) e、ec和二維模糊規(guī)則表查，對(duì) KP、KI、KD進(jìn)行修正:

最后將修正的值送入轉(zhuǎn)速環(huán)PID計(jì)算，通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)的PID計(jì)算，得出轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，最后將輸出送入電流環(huán)，其具體控制流程如圖6所示。

3.2 CPLD 軟件

CPLD是邏輯和驅(qū)動(dòng)部分的核心，實(shí)現(xiàn)邏輯合成、故障保護(hù)、斬波控制、信號(hào)接收處理、PWM量化和與外部通信等功能。

CPLD接收電流、電壓、旋轉(zhuǎn)變壓器位置、溫度等信號(hào)，并通過(guò)并口通訊協(xié)議，將其實(shí)時(shí)送入DSP中，并和Hall、PWM等模擬電平信號(hào)進(jìn)行綜合邏輯處理，具體流程如圖7所示。

圖6 模糊控制流程圖

圖7 CPLD流程圖

雖然對(duì)于關(guān)鍵信號(hào)都進(jìn)行了硬件濾波，但是考慮到控制器對(duì)于高穩(wěn)定性的需要，為了增強(qiáng)控制器的魯棒性，防止虛警現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)于故障信號(hào)還要在CPLD中進(jìn)行數(shù)字濾波，如圖8所示，對(duì)于長(zhǎng)度小于1 μs的信號(hào)不予處理，超過(guò)20 μs的故障信號(hào)進(jìn)行保護(hù)處理，當(dāng)處理信號(hào)消失時(shí)延遲30 μs，取消保護(hù)信號(hào)。

圖8 CPLD保護(hù)信號(hào)濾波圖

4 實(shí)驗(yàn)波形與結(jié)果

該航天用大功率無(wú)刷電動(dòng)機(jī)額定電壓180 V(DC)，額定電流60 A，額定功率9 kW，額定轉(zhuǎn)速7 000 r/min;對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試，由于位置信號(hào)由總系統(tǒng)給出，這里僅對(duì)速度和電流閉環(huán)進(jìn)行測(cè)試。

圖9為7 000 r/min時(shí)正反轉(zhuǎn)階躍信號(hào)波形。從圖9中我們可以看出，給定一個(gè)從－7 100～7 100 r/min的階躍信號(hào)，系統(tǒng)迅速跟隨，響應(yīng)時(shí)間在40 ms左右，超調(diào)500 r/min左右，超調(diào)量≤4%。圖10為7 000 r/min正反轉(zhuǎn)階躍信號(hào)電流波形。通道1、2為相電流波形，通道3為給定階躍信號(hào)，通道1、2為50 A/V。從圖10可以看出，控制器保護(hù)功能良好，在正反轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)于電流可以有效地保護(hù)在200 A以下。實(shí)驗(yàn)證明采用該控制器對(duì)大功率無(wú)刷舵機(jī)可以進(jìn)行良好的控制，響應(yīng)速度快、精度高、正反轉(zhuǎn)電流控制理想。

圖9 7 000 r/min正反轉(zhuǎn)階躍信號(hào)給定、跟隨波形

圖10 7 000 r/min正反轉(zhuǎn)階躍信號(hào)電流波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套航天用大功率無(wú)刷直流電動(dòng)舵機(jī)的控制器，以DSP+CPLD作為核心控制器件，設(shè)計(jì)了集上下電管理、綜合邏輯處理、模糊PID控制、信號(hào)采集處理于一體，其精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、保護(hù)功能強(qiáng)大。該控制方法成功應(yīng)用于某型號(hào)電力作動(dòng)系統(tǒng)中，在多種情況下都能可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，減小了大功率舵機(jī)系統(tǒng)的體積，取得了較好的應(yīng)用效果。

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