楊永亮，吳小役，趙志勤，李 穎

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

為適應(yīng)未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器裝備精確打擊的迫切需求，以火炮、坦克等為發(fā)射平臺(tái)，具有精確制導(dǎo)功能的智能化彈藥成為國(guó)內(nèi)外常規(guī)武器發(fā)展的一個(gè)重要方向[1]。而舵機(jī)是智能彈藥制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)控制、彈道變軌的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響彈丸的打擊精度。電動(dòng)舵機(jī)具有體積小，輸出功率大，控制精度高，維護(hù)使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[2]，在智能彈藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)研制過(guò)程中，建立簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確的仿真模型能夠快速檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整控制方案，提高實(shí)物樣機(jī)的研制效率。本文在MATLAB /Simulink的環(huán)境下，建立了舵機(jī)伺服系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)計(jì)研制了實(shí)物樣機(jī)。仿真模型為實(shí)物研制提供了理論支持，實(shí)物測(cè)試數(shù)據(jù)修正了仿真模型參數(shù)，提高了模型的準(zhǔn)確度。最后通過(guò)試驗(yàn)將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 總體設(shè)計(jì)

舵機(jī)伺服系統(tǒng)主要功能是接受飛行控制指令，根據(jù)舵面位置傳感器反饋信號(hào)，克服外部的氣動(dòng)鉸鏈力矩，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制[3]。本文針對(duì)某制導(dǎo)彈4個(gè)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)，對(duì)1～4號(hào)4個(gè)舵機(jī)同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立控制，并提供了與測(cè)試計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)接口，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于4個(gè)舵機(jī)相互獨(dú)立，與之配套的控制電路也完全相同，本文僅以1號(hào)舵機(jī)為例進(jìn)行分析討論。

2 系統(tǒng)仿真建模

舵機(jī)伺服系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、采樣濾波電路和伺服控制器4個(gè)部分構(gòu)成，其仿真模型如圖2所示。

2.1 伺服電機(jī)仿真模型

本文選用的伺服電機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)動(dòng)方程可由以下4個(gè)方程式表達(dá)[4]：

(1)

式中，U為電樞電壓；La為電樞繞組電感；ia為電樞繞組電流；Ra為電樞電阻；E為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；Ke為反電勢(shì)系數(shù)；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；Kt為電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為電機(jī)及負(fù)載折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為折算到電機(jī)軸上的總粘性摩擦系數(shù)。

對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得到直流伺服電機(jī)仿真模型如圖3所示。其中傳動(dòng)摩擦系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了修正。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型

考慮到舵機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物存在機(jī)械結(jié)構(gòu)間隙，會(huì)在傳動(dòng)鏈產(chǎn)生一定量的空回，根據(jù)物理樣機(jī)實(shí)測(cè)空回?cái)?shù)據(jù)，在仿真模型中加入了非線性環(huán)節(jié)。

2.3 采樣濾波仿真模型

本文位置、電流采樣電路選用無(wú)源RC低通濾波器，時(shí)間常數(shù)分別為2 ms和1 ms，其數(shù)學(xué)模型經(jīng)拉普拉斯變換后，可以得到仿真模型。

2.4 控制算法仿真模型

為提高舵機(jī)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤快速性，同時(shí)便于工程實(shí)現(xiàn)，本文采用位置、速度和電流三閉環(huán)控制算法，其中位置環(huán)和速度環(huán)采用傳統(tǒng)PID控制。電流環(huán)為系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，為提高快速性、保證硬件電路可靠性，本文采用電流截止負(fù)反饋控制[5]對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行限制?？刂埔?guī)律為：

(2)

式中，V為舵機(jī)控制器輸出電壓；VPOS為速度環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓；If為反饋電流值；Ilim為電流限流值；Ki為電流環(huán)比例系數(shù)。

舵機(jī)控制算法仿真模型如圖4所示。

圖中，Ep為舵控指令與舵偏角之差；ωg為速度給定量；ωf為速度反饋值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文以DSP控制單元為核心，設(shè)計(jì)了舵機(jī)伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠接收飛控指令，同時(shí)對(duì)4個(gè)舵機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，并向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中虛線框內(nèi)為1號(hào)舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、采樣電路結(jié)構(gòu)圖，另外3個(gè)舵機(jī)結(jié)構(gòu)與之相同。

舵機(jī)伺服系統(tǒng)硬件電路中，CPU選用TI公司32位浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335，該芯片能夠完成數(shù)據(jù)通訊，控制運(yùn)算，A/D采樣，數(shù)字濾波處理和PWM輸出等功能。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，功率驅(qū)動(dòng)電路選用MSK公司生產(chǎn)的直流電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，該模塊集成度高，封裝形式易于散熱，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。驅(qū)動(dòng)電路與DSP控制單元通過(guò)光耦隔離，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。

本系統(tǒng)選用精密電位計(jì)作為舵面位置傳感器，通過(guò)采樣電阻檢測(cè)電機(jī)電流信號(hào)，二者經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路濾波處理后，由A/D采樣電路送到DSP芯片。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序采用C語(yǔ)言模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括通訊模塊，數(shù)據(jù)采集處理模塊和控制算法模塊。主程序流程圖如圖6所示。

主程序是個(gè)循環(huán)體，主要完成舵面位置和電機(jī)電流數(shù)據(jù)采樣，執(zhí)行位置、速度和電流調(diào)節(jié)算法，并向測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，舵機(jī)速度反饋量由舵面位置求微分計(jì)算得到。位置、速度和電流3個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)鐘標(biāo)識(shí)位置位在CPU定時(shí)器中斷中完成，每執(zhí)行完1次調(diào)節(jié)算法，標(biāo)志位清零。舵機(jī)接收飛控指令在SCI中斷服務(wù)程序中完成。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

舵機(jī)測(cè)試系統(tǒng)將飛控指令數(shù)據(jù)，舵機(jī)模型仿真數(shù)據(jù)和實(shí)物舵機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)在同一個(gè)界面對(duì)比，可以測(cè)試舵機(jī)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確程度。

飛控指令為幅值2°的階躍信號(hào)下，舵機(jī)響應(yīng)曲線如圖7所示，飛控指令為幅值1°，頻率2 Hz的正弦下，舵機(jī)響應(yīng)曲線如圖8所示。

其中，CH1為飛控指令曲線，CH2為舵機(jī)模型仿真曲線，CH3為舵機(jī)實(shí)物響應(yīng)曲線。CH2和CH3正弦仿真曲線存在約60 ms平頂區(qū)域，其原因是仿真模型根據(jù)實(shí)測(cè)舵機(jī)的傳動(dòng)鏈空回，在仿真模型中加入了非線性環(huán)節(jié)造成的。

通過(guò)對(duì)比可以看出，舵機(jī)在階躍和正弦等多種信號(hào)下跟蹤性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果都能夠滿足指標(biāo)要求，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了1套電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的仿真模型，并以模型為參考，設(shè)計(jì)了實(shí)物樣機(jī)。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，依據(jù)仿真模型制定了控制策略，并根據(jù)實(shí)物的測(cè)量數(shù)據(jù)修正了仿真模型中舵機(jī)傳動(dòng)鏈空回、傳動(dòng)摩擦系數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、反饋信號(hào)濾波時(shí)間常數(shù)等參數(shù)，提高了模型準(zhǔn)確度。模型仿真與實(shí)物設(shè)計(jì)相互配合，融入到整個(gè)研制過(guò)程。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該舵機(jī)系統(tǒng)能夠滿足使用要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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