王 亭，徐 波，趙紅超

（1.海軍航空工程學(xué)院七系，山東煙臺264001；2.91467部隊，山東膠州266300）

電動舵系統(tǒng)是飛航式導(dǎo)彈控制系統(tǒng)（自動駕駛儀）的伺服機構(gòu)（伺服執(zhí)行設(shè)備），其作用是根據(jù)控制信號控制導(dǎo)彈的舵面、副翼動作，對導(dǎo)彈進(jìn)行姿態(tài)控制和航向控制[1]，有著體積小、結(jié)構(gòu)簡單、造價低的優(yōu)點，在滿足性能指標(biāo)的前提下，是采用的首選。隨著導(dǎo)彈作戰(zhàn)性能要求的提高，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)也不斷地發(fā)展，要求導(dǎo)彈有更高的穩(wěn)定性和機動性，傳統(tǒng)的模擬式電動舵機的性能由于其控制方式相對落后而難以適應(yīng)導(dǎo)彈性能提高的要求。因此，設(shè)計采用嵌入式處理器，運行先進(jìn)的控制算法的舵機數(shù)字化控制器，已成為相關(guān)工程技術(shù)人員研究的重點[2-5]。

與傳統(tǒng)的模擬控制方式的舵系統(tǒng)相比，數(shù)字化舵機具有控制精度高、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且一個重要的特點是便于控制參數(shù)調(diào)整和控制算法優(yōu)化，以適用于不同的要求和對控制器設(shè)計的改進(jìn)。越來越多的研究人員開始選用各種微處理器與數(shù)字控制模式來設(shè)計電動舵機系統(tǒng)[6-10]。

本文利用先進(jìn)的DSP（TMS320LF2407A）控制技術(shù)，對一套基于單片機的導(dǎo)彈數(shù)字化電動舵機系統(tǒng)（樣機）進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，并深入研究了線性/變結(jié)構(gòu)控制方法在導(dǎo)彈電動舵機系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，這對于研究新型控制方法在電動舵機系統(tǒng)中的應(yīng)用以及提高舵機性能具有重要意義。

1 數(shù)字化舵系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計方案

1.1 原舵機系統(tǒng)簡介

某型數(shù)字電動舵系統(tǒng)是由單片機數(shù)字控制器、H橋式PWM功率放大器、永磁式直流伺服電機、諧波減速器、角度電位計等組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 某型數(shù)字電動舵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of a digital electric rudder system

圖1 中，數(shù)字舵機控制器主要包括：INTEL N80C196-16 單片機、ADC 轉(zhuǎn)換器AD1674、DAC 轉(zhuǎn)換器DAC7545 和其他工作電路；PWM 功率放大器由PWM 脈沖信號發(fā)生器、光—電隔離電路和H 橋式功率放大電路組成；控制對象是帶精密諧波減速器的永磁式直流伺服電動機。

考慮對舵機的快速性和穩(wěn)定性的要求，數(shù)字舵系統(tǒng)控制算法采用了線性/變結(jié)構(gòu)控制復(fù)合控制[11]，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 原數(shù)字化舵機控制原理框圖Fig.2 Original block diagram of digital rudder

其基本控制策略是：在整個控制過程舵機受到u=V1的PD控制；當(dāng)切換函數(shù)σ的值大于設(shè)定的閾值后就在PD控制的基礎(chǔ)上疊加變結(jié)構(gòu)控制量V2，此時，控制器的控制量u=V1+V2。這樣，既提高了舵機的一定響應(yīng)速度，也可消除變結(jié)構(gòu)控制引起的顫振現(xiàn)象。

1.2 存在問題及改進(jìn)設(shè)計方案

實驗分析發(fā)現(xiàn)：通過改進(jìn)控制算法，還能夠進(jìn)一步提高舵機的快速性；另一重要問題是，盡管原有的數(shù)字化舵機的線性/變結(jié)構(gòu)控制復(fù)合控制算法針對舵機負(fù)載變化（相當(dāng)于導(dǎo)彈飛行時空氣動力干擾力矩擾動）帶來的舵機模型中b的變化具有很好魯棒性[2]，但在對系統(tǒng)電源噪聲和數(shù)字電路本身的開關(guān)噪聲比較敏感，在角度給定信號不變的情況下，容易引起舵機軸的脈動和突顫。因此，需要對數(shù)字化舵機控制器進(jìn)行改進(jìn)。

本文在3 個方面進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計：一是對控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，增加了系統(tǒng)分段PID的控制方法；二是對舵系統(tǒng)偏差e進(jìn)行數(shù)字濾波后再進(jìn)入控制算法的計算；由于進(jìn)行了上述改進(jìn)，增加了數(shù)字控制器的計算量，通過實驗測定，單片機N80C196-16 在實時計算1個周期需要1.66 ms，大于設(shè)定的1 ms控制周期，在不能延長控制周期的前提下，進(jìn)行了第3個改進(jìn)設(shè)計，即采用運行速度大大快于單片機的DSP 作為控制器的CPU，對原舵機數(shù)字控制器電路進(jìn)行升級改造，利用DSP擴展ADC、DAC轉(zhuǎn)換電路，完成基于DSP的數(shù)字化舵系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計，如圖3所示。

圖3 DSP數(shù)字化舵系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Principle diagram of DSP digital rudder system

改進(jìn)設(shè)計的數(shù)字化舵機系統(tǒng)由于采用了比單片機更加先進(jìn)的DSP（TMS320LF2407）控制技術(shù)，提高了控制算法計算能力，既保持了原有的線性/變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制帶來的控制精度高、響應(yīng)超調(diào)小、系統(tǒng)魯棒性好的優(yōu)點，還提高了其響應(yīng)快速性，更好地解決了因電源噪聲和數(shù)字電路開關(guān)信號帶來的干擾問題，大大改善了數(shù)字舵系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)。

2 控制算法的改進(jìn)

2.1 舵機誤差信號的數(shù)字濾波

在舵機誤差信號e進(jìn)入控制算法計算前，DSP 控制器連續(xù)采集N次數(shù)據(jù)，計算其平均值然后進(jìn)行非值數(shù)據(jù)剔出。將采集的數(shù)據(jù)絕對值逐個與kxep（kx是范圍放大比例系數(shù)，本應(yīng)用實驗確定為1.5）的絕對值進(jìn)行比較，若：||ei＞||kxep，則確定ei為非值，應(yīng)剔出。剔出的非值大多是供電電源等強噪聲的毛刺和尖峰引起的。

剔出非值數(shù)據(jù)后，將剩下的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均即可得到舵機偏差信號的有效數(shù)據(jù)：

式（1）中：N為采集的數(shù)據(jù)個數(shù)；X為剔出的非值個數(shù)；ep2為有效數(shù)據(jù)的平均值，即可進(jìn)入控制算法的計算。

此濾波算法簡單有效，易于工程實現(xiàn)，濾掉了舵機偏差信號中不確定的尖峰和毛刺，消除了其對控制器的影響，從而顯著提高了數(shù)字舵系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 分段PID控制算法

分段PID控制是針對電動舵機這一類特定控制對象提出的一種控制方法。數(shù)字控制器的輸出信號的控制對象是包括PWM功率放大器、永磁直流電動機、諧波減速器的電動舵機，其模型一般可以簡化為一個二階環(huán)節(jié)[1-2]。

任何系統(tǒng)都要受到功率的限制，沒有無限大功率的系統(tǒng)存在。由于PWM控制器和直流伺服電動機都具有飽和特性，所以舵機存在一個最大轉(zhuǎn)速，進(jìn)入飽和區(qū)時，舵機的轉(zhuǎn)速最快，系統(tǒng)響應(yīng)也最快，為了使舵機迅速轉(zhuǎn)到規(guī)定的位置，應(yīng)使舵機最大限度的工作在最大轉(zhuǎn)速，即所謂的飽和區(qū)。當(dāng)舵機進(jìn)入線性區(qū)后就要考慮使其具有良好的動態(tài)響應(yīng)效果，鑒于單一的PID 控制很難保證舵機在復(fù)雜情況下的動態(tài)性能，提出了一種分段PID控制的方法，如圖4所示。

圖4 分段PID控制原理框圖Fig.4 Principle diagram of the segmenting PID control

圖4中，X軸表示時間，Y軸表示舵機轉(zhuǎn)角，X軸和Y軸的交點表示期望的舵機轉(zhuǎn)角；曲線Ⅰ表示舵面正向期望值偏轉(zhuǎn)，此時，舵面誤差為正；同樣，曲線Ⅱ表示舵面誤差為負(fù)。+Δ 和-Δ 表示設(shè)定的線性控制區(qū)域。

當(dāng)系統(tǒng)軌跡處于A區(qū)時，表示舵面未進(jìn)入線性控制區(qū)域，此時控制信號為最大值，使功率放大器輸出電壓最大，舵面偏轉(zhuǎn)速度最快。當(dāng)系統(tǒng)軌跡進(jìn)入B區(qū)時，表示舵面進(jìn)入線性控制區(qū)域，開始使用PD 控制。由于舵機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的性質(zhì)略有不同，所以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)使用不同的PD 參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)軌跡進(jìn)入C 區(qū)后，離期望值越來越近，此時，不再追求速度，而要追求其動態(tài)性能，所以，在這一區(qū)域，再選擇不同的PD參數(shù)，使其具有良好的動態(tài)響應(yīng)過程。同樣，要根據(jù)誤差的正負(fù)，選擇不同的PD參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)軌跡進(jìn)入D區(qū)后，不論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都取同樣的PD 參數(shù)，而此時的PD 控制器作為系統(tǒng)響應(yīng)的精調(diào)，已不需太大的輸出能量，所以，此時的比例和微分系數(shù)都比較小。此時，系統(tǒng)以較好的運動性能進(jìn)入E區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)軌跡進(jìn)入E區(qū)后，已接近系統(tǒng)允許的誤差帶，不再要求快速性，應(yīng)注重精度控制和穩(wěn)態(tài)控制，因此在此區(qū)域采用PI 控制。

由于舵機是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，存在很多不確定性，所以分段PID參數(shù)均在實際調(diào)試實驗過程中，根據(jù)響應(yīng)曲線的結(jié)果，經(jīng)多次分析后調(diào)整確定，使系統(tǒng)有一個好的動態(tài)響應(yīng)效果。

2.3 分段PID/變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制

在圖4 中，E 區(qū)就是設(shè)定的變結(jié)構(gòu)控制閾值。在系統(tǒng)軌跡進(jìn)入E 區(qū)前，采用復(fù)合控制量（V1和V2）；進(jìn)入E 區(qū)后，采用V1控制（PI 控制），整個控制原理框圖如圖5所示。

圖5 分段PID/變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制原理圖Fig.5 Principle diagram of the segmenting PID/variable structure combining control

這樣，既保留了變結(jié)構(gòu)控制強魯棒性、快速性的優(yōu)點，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和噪聲干擾都不敏感，消除系統(tǒng)毛刺、尖峰干擾帶來的影響，又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)快速性[12-13]。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

圖6 DSP控制舵機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structural diagram of rudder system with DSP controller

完整的DSP 數(shù)字化舵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6 所示。角度位置傳感器采用電位計敏感舵偏角信號，數(shù)字控制器通過A/D采集系統(tǒng)誤差信號，進(jìn)行濾波后經(jīng)控制算法解算出控制量，通過D/A 輸出到PWM 功率放大器，驅(qū)動電動機負(fù)載舵面轉(zhuǎn)動，達(dá)到控制的目的。

圖6 中，通用計算機用來對舵系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時角度給定控制和性能指標(biāo)的測試。DSP 控制器由DSP工作電路、存儲器擴展電路、ADC、DAC 擴展、偏差信號調(diào)整等部分組成。

3.1 DSP工作電路設(shè)計

選用TI 公司的控制DSP TMS320LF2407A 作為舵系統(tǒng)數(shù)字控制器的處理器。此DSP控制功能強，運算速度很快，30 MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33 ns。從而縮短了控制器的實時時間，有助于在一定控制周期內(nèi)提高了運行復(fù)雜控制算法和有效濾波算法的計算能力。

DSP 要正常工作，必須完善基本的工作電路：時鐘電路、復(fù)位電路、存儲器擴展電路，以及DSP擴展其他電路需要的三類總線：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線[14]。

3.2 片外存儲器擴展設(shè)計

盡管TMS320LF2407A內(nèi)部有32 kB的FLASH程序存儲器，1.5 kB的數(shù)據(jù)/程序RAM，54 B的DARAM和2 kB 的SARAM，已足夠系統(tǒng)應(yīng)用，但是為了便于方便實驗樣機的軟件調(diào)試，設(shè)計了DSP 外部存儲器RAM：CY7C1021BV33，可尋址64 kB，由DSP 的/DS和/PS邏輯與后作為其片選信號。

通過跳線設(shè)置DSP 的MP/MC=1，則DSP 復(fù)位工作在微處理器方式，程序從擴展的片外存儲器RAM的0000H開始執(zhí)行。在此方式下，可采用DSP仿真器通過JTAG 接口將用戶程序代碼下載到片外RAM 存儲器，并對舵機控制軟件進(jìn)行實時仿真。

當(dāng)控制程序調(diào)試完畢，可用DSP 仿真器通過JTAG接口將程序編譯代碼在線固化在DSP片內(nèi)程序存儲器（FLASH EEPROM）。設(shè)置DSP 的MP/MC=0，則DSP復(fù)位工作在微控制器方式，程序從片內(nèi)程序存儲器（FLASH EEPROM）的0000H 開始執(zhí)行固化的用戶程序。

3.3 ADC數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

TMS320LF2407A 本機具有帶內(nèi)置采樣/保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊，但是其分辨率和單極性的輸入范圍不能滿足本系統(tǒng)的要求，需擴展一片12BIT 的ADC轉(zhuǎn)換器AD1674JN。

AD1674JN是美國模擬器件公司用來替代AD574的ADC轉(zhuǎn)換芯片，封裝、功能完全兼容，但是其轉(zhuǎn)換時間由25 μs 減少到了10 μs 以內(nèi)，且增加了內(nèi)置采樣保持器。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸出具有三態(tài)輸出緩沖器，因而AD1674JN 的12 位的數(shù)據(jù)總線D0-D11 可直接和DSP的數(shù)據(jù)總線D0-D11連接。

轉(zhuǎn)換的模擬信號連接到芯片的14 管腳（20VSPAN），進(jìn)行雙極性輸入變換，模擬輸入信號電壓范圍為-10 V～+10V。

舵機本身的轉(zhuǎn)角范圍-20°～+20°，舵系統(tǒng)傳遞系數(shù)為2°/V。必須將舵機精度位置傳感器輸出的±15 V電壓通過尺度比例轉(zhuǎn)換為±10 V 范圍，且對應(yīng)角度范圍為±20°。

3.4 DAC數(shù)據(jù)輸出電路設(shè)計

TMS320LF2407A 無DAC 轉(zhuǎn)換功能模塊，要將DSP 控制器算法解算的數(shù)字量控制結(jié)果轉(zhuǎn)換輸出模擬量，控制PWM功率放大器驅(qū)動伺服電機動作，DSP必須擴展12位的DAC轉(zhuǎn)換器。DAC轉(zhuǎn)換芯片采用美國B-B公司的12BIT轉(zhuǎn)換器DAC7545。

由于DAC7545輸入的數(shù)據(jù)總線為帶鎖存的12位數(shù)據(jù)總線，其數(shù)據(jù)總線D0-D11 可直接掛在DSP 的12位數(shù)據(jù)總線上；另外設(shè)計了信號調(diào)制電路，使模擬輸出電壓控制在雙極性±10 V 范圍內(nèi)，調(diào)整電路中的基準(zhǔn)電壓參考VREF采用AD1674JN的REFOUT輸出的基準(zhǔn)電壓10.000 V。

舵系統(tǒng)DSP數(shù)字控制器電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 DSP數(shù)字控制器電路圖Fig.7 Circuit diagram of DSP digital controller

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

舵機DSP控制器軟件調(diào)試采用DSP仿真器進(jìn)行，調(diào)試環(huán)境為CCStudio V3.3，并根據(jù)硬件存儲器結(jié)構(gòu)配置了連接命令CMD 文件，考慮到C 和匯編語言各自的特點，控制器軟件采用ANSI C 和DSP 匯編語言混合編寫。

控制器的總體程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序組成。主程序主要完成了DSP工作方式、內(nèi)部特殊功能寄存器、中斷管理的配置，系統(tǒng)的初始化和各項應(yīng)用設(shè)置，以及通過進(jìn)行ADC、DAC轉(zhuǎn)換初始電壓的設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)零位的設(shè)定。由于數(shù)字舵系統(tǒng)選用1 ms控制周期，通過利用DSP內(nèi)部通用定時器功能模塊和輸入時鐘預(yù)定標(biāo)系數(shù)設(shè)定，使其工作為1 ms定時中斷工作方式。

在DSP的中斷服務(wù)程序里完成數(shù)據(jù)采集、信號濾波算法計算，根據(jù)得到的系統(tǒng)誤差信號有效值，進(jìn)行分段PID控制/變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制算法的計算，并將計算的控制量通過DAC輸出，控制PWM功率放大器驅(qū)動伺服電動機動作，以完成一個控制周期的控制工作。退出中斷服務(wù)程序后，回到主程序，等待下一個1 ms定時中斷。

5 實驗結(jié)果

根據(jù)舵機模型及設(shè)計的分段PID 控制/變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制器，對系統(tǒng)進(jìn)行了計算機仿真（加階躍輸入信號，分析階躍輸出響應(yīng)）。同時，通過DSP數(shù)字化舵系統(tǒng)實際運行得到了實驗曲線（給定階躍輸入信號，測得實際階躍輸出響應(yīng)），仿真結(jié)果和實驗調(diào)試結(jié)果的響應(yīng)曲線的對比圖如圖8（角度給定輸入信號為1 V階躍信號）和圖9（角度給定輸入信號為10 V 階躍信號）所示，圖中虛線為仿真結(jié)果，實線為實驗結(jié)果。通頻帶測試是頻率域的一項重要指標(biāo)，通過對改進(jìn)的DSP數(shù)字舵系統(tǒng)的通頻帶測試，其帶寬已經(jīng)達(dá)到了10 Hz，系統(tǒng)的10 Hz的正弦信號跟蹤曲線如圖10所示。

圖8 1 V 階躍響應(yīng)曲線對比圖Fig.8 Comparison diagram of 1 V step response curves

圖9 10 V 階躍響應(yīng)曲線對比圖Fig.9 Comparison diagram of 10 V step response curves

圖10 舵系統(tǒng)10 Hz 正弦跟蹤曲線Fig.10 10 Hz Sinusoidal tracking curve of rudder system

可見，實驗響應(yīng)曲線和仿真響應(yīng)曲線比較趨近，不但減少了上升時間，提高了響應(yīng)速度，對小信號時抗干擾性能也大大增強，消除了靜態(tài)脈動和振顫，說明設(shè)計的舵機DSP控制器很有效。

6 結(jié)束語

本文進(jìn)行了數(shù)字舵機DSP 控制器的軟、硬件設(shè)計，設(shè)計的重點是應(yīng)用分段PID控制/變結(jié)構(gòu)復(fù)合控制實現(xiàn)了基于DSP 數(shù)字化舵系統(tǒng)的控制。從實驗和仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，抗干擾能力大大增強。同時，由于DSP 計算速度快，在不改變系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，1 ms的控制周期內(nèi)還有足夠的時間余量來進(jìn)行其他先進(jìn)算法的研究和實驗。

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