朱軍偉，彭科容，劉振永

(中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009)

?

帶有伸縮舵面的電動舵機復(fù)合控制器設(shè)計

朱軍偉，彭科容，劉振永

(中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009)

電動舵機采用伸縮舵可以大幅度減縮機載制導(dǎo)武器的橫向尺寸，有助于提高載彈量并適用于內(nèi)埋發(fā)射方式。提出了一種帶有伸縮舵面的電動舵機復(fù)合控制器方案，設(shè)計了限流電路，限制了電機的最大電流，簡化了控制信號數(shù)量，采用分段PID控制，設(shè)計了基于數(shù)字信號處理器電動舵機舵面偏轉(zhuǎn)與伸縮復(fù)合控制器，并進(jìn)行了實驗，實現(xiàn)了位置給定的準(zhǔn)確跟蹤，結(jié)果表明該系統(tǒng)控制效果良好，方案可行。

電動舵機；伸縮舵面；數(shù)字信號處理器；分段PID

0 引 言

電動舵機因具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大等一系列優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于多種機載制導(dǎo)武器。對于機載制導(dǎo)武器，其橫向尺寸直接影響載機載彈量的大小及是否適用于內(nèi)埋發(fā)射方式，從而影響作戰(zhàn)能力[1-2]。國內(nèi)外已開展了一系列減小機載制導(dǎo)武器橫向尺寸的研究，包括舵面小型化、小彈徑設(shè)計等，小直徑彈體的設(shè)計會減小制導(dǎo)武器內(nèi)部容積，設(shè)計難度大幅度增加，影響作戰(zhàn)效能；舵面小型化雖然可以減少制導(dǎo)武器的橫向尺寸，但在一定程度上損失了系統(tǒng)飛行的穩(wěn)定性和機動能力。由于橫向尺寸中舵面尺寸占有很大的比例，采用伸縮舵可以大幅度減縮制導(dǎo)武器的橫向尺寸，是一種相對理想的解決途徑，因此研究帶有伸縮舵面的電動舵機復(fù)合控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

結(jié)合伸縮舵面的控制需求，以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心，本文提出了一種帶有伸縮舵面的復(fù)合控制器方案，同時對系統(tǒng)硬件、軟件進(jìn)行了設(shè)計，并進(jìn)行了實驗驗證。

1 總體方案設(shè)計

以單通道為例，電動舵機伸縮與偏轉(zhuǎn)復(fù)合控制系統(tǒng)方案框圖如圖1所示，舵面由固定部分和伸縮部分組成，偏轉(zhuǎn)控制采用永磁直流電機驅(qū)動，伸縮控制采用無刷直流電機驅(qū)動，采用同一控制器進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

控制器接收控制指令，根據(jù)偏角位置反饋信號，形成控制量輸出，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)往復(fù)運動，形成偏角位置的閉環(huán)控制系統(tǒng)；接收伸縮指令控制舵面伸開，伸展到位時舵面觸發(fā)到位檢測開關(guān)，停止控制量輸出，舵面需要收回時，手動解除鎖緊裝置，控制舵面收回。

一般情況下舵面只需快速展開，伸展過程中舵面位置不需精確控制，且電機輸出經(jīng)過了減速裝置，因此可通過無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置傳感器估算舵面伸展過程的位置，修正后作為反饋信號，構(gòu)成位置閉環(huán)控制，該方案無需設(shè)計專用的反饋裝置，可大幅度降低設(shè)計難度。電機為4對極無刷直流電機，采用三相霍爾作為位置傳感器，減速機構(gòu)采用二級齒輪，減速比均為1.5，滾珠絲杠導(dǎo)程為3 mm，則霍爾傳感器能夠分辨的最小伸縮量：

(1)

式中：P為滾珠絲杠導(dǎo)程；i1，i2為齒輪減速比；p為無刷直流電動機極對數(shù)；m為霍爾傳感器相數(shù)。

驅(qū)動機構(gòu)以減速機構(gòu)為核心，實現(xiàn)電機旋轉(zhuǎn)運動到舵面直線運動、偏轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換。伸縮控制驅(qū)動機構(gòu)與舵面伸縮部分相連，偏轉(zhuǎn)控制驅(qū)動機構(gòu)與舵面固定部分相連，二者同軸安裝，通過到位開關(guān)檢測舵面是否伸縮到位，并采用鎖緊裝置固定舵面。偏轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)上安裝舵偏角傳感器，檢測偏角信息，形成位置反饋，驅(qū)動機構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動機構(gòu)示意圖

2 控制器設(shè)計與分析

2.1 控制器構(gòu)成

控制器采用模塊化設(shè)計思想，主要由控制電路、伸縮控制功率電路、偏轉(zhuǎn)控制功率電路組成，各部分功能獨立，接口簡單，便于二次集成，實現(xiàn)小型化設(shè)計，控制器構(gòu)成如圖3所示。

圖3 控制器構(gòu)成圖

2.2 控制電路設(shè)計

控制電路以數(shù)字信號處理器TMS320F2812為核心，采用TPS767D318提供3.3V和1.8V數(shù)字電源，利用串行通訊專用芯片MAX3490與上位機進(jìn)行RS-422通訊，提高測試性；各通道偏角信息濾波通過運放LM148轉(zhuǎn)換為-10V～+10V的電壓信號，送至外置14位高精度A/D轉(zhuǎn)換器TLC3578進(jìn)行轉(zhuǎn)換；永磁直流電機采用一路PWM控制，無刷直流電機采用一路PWM和一路方向信號DIR控制，簡化接口數(shù)量，采用同一數(shù)字信號處理器可實現(xiàn)多個通道的控制。

2.3 功率電路設(shè)計

伸縮控制功率電路和偏轉(zhuǎn)控制功率電路主電路采用IRFP260分別構(gòu)成H橋電路和三相逆變電路，最大電流可達(dá)46A，滿足系統(tǒng)需要；功率電路采用IR2103驅(qū)動。采樣電阻采集電機直流母線電流，經(jīng)信號處理后送至比較器LM119與參考電壓進(jìn)行比較，形成過流保護(hù)信號，過流保護(hù)信號參與邏輯運算，實現(xiàn)過流保護(hù)，電路原理如圖4所示。

圖4 過流保護(hù)電路圖

伸縮控制功率電路接收到PWM信號和DIR信號后通過光耦HCPL5231進(jìn)行隔離，并與三相霍爾信號進(jìn)行綜合，無刷直流電機采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)換相邏輯。換相邏輯如表1所示,表中“1”表示邏輯高電平，“0”表示邏輯低電平，“×”表示狀態(tài)不會出現(xiàn)。

根據(jù)無刷電動機換相邏輯真值表，以“OC”表示過流信號，可以得出以下邏輯關(guān)系：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

按照上述邏輯可實現(xiàn)三相逆變電路上橋臂的H_PWM-L_ON控制，電路原理如圖5所示。

圖5 無刷直流電動機換相電路圖

死區(qū)產(chǎn)生原理電路如圖6所示。偏轉(zhuǎn)控制功率電路接收到PWM控制信號后進(jìn)行采用光耦HCPL5231隔離并反相處理，形成兩路互補的PWM，考慮到信號傳輸、邏輯處理存在一定的延時，設(shè)計了由電阻、電容、二極管形成的充放電回路和邏輯電路構(gòu)成的死區(qū)產(chǎn)生電路，死區(qū)時間約為1～2μs,可避免H橋電路直通。

圖6 死區(qū)產(chǎn)生電路原理圖

在Saber軟件中建立仿真模型，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 死區(qū)產(chǎn)生電路仿真結(jié)果

3 軟件設(shè)計

控制器采用數(shù)字控制，控制軟件是控制系統(tǒng)的重要組成部分，將控制器各部分有機地聯(lián)系起來，實現(xiàn)閉環(huán)控制。軟件采用模塊化設(shè)計，主要功能通過中斷實現(xiàn)，流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

系統(tǒng)初始化完成系統(tǒng)配置，設(shè)定工作模式，進(jìn)行系統(tǒng)控制和狀態(tài)寄存器配置、PWM、A/D、SCI初始化，結(jié)束后進(jìn)入循環(huán)等待。

中斷是整個軟件的核心，中斷過程中完成通訊模塊SCI、電路自檢模塊SELF_CHECK，反饋信號采集與處理模塊POSITION_BACK、伸展控制及到位檢測模塊RATR_CONTROL等子程序的調(diào)用，根據(jù)控制指令調(diào)用控制算法PWM_CALCULATE形成控制量輸出，實現(xiàn)偏角的準(zhǔn)確跟蹤。

控制算法采用分段PID控制，根據(jù)誤差量Δθ絕對值大小而采用不同的控制規(guī)律：

E，F(xiàn)，G表示不同的常數(shù)，P1，P2表示控制算法，根據(jù)上述思路設(shè)計控制算法如下：

4 實驗研究

試驗采用的直流電機電感約為1.5mH，無刷直流電動機為無槽電機，電感約為0.35mH，給定系統(tǒng)伸展控制指令和舵偏角階躍指令，測試電機起動時的電流波形，分別如圖9、圖10所示。從試驗結(jié)果可以看出，直流電機起動時電流最大約為18.9A，無刷直流電機最大電流約為11A，最大電流得到有效限制，限流時控制器維持電流最大輸出，可保證系統(tǒng)不間斷控制，無槽電機電感小，限流頻率高，電流波形較平。

圖9 無刷直流電機起動時電流波形(截圖)

圖10 直流電機起動時電流波形(截圖)

通過上位機給控制器發(fā)送偏轉(zhuǎn)控制指令，圖11為給定10Hz典型正弦給定時位置響應(yīng)曲線，系統(tǒng)實現(xiàn)了位置正弦給定的較好跟蹤，相移約18.5°，動態(tài)特性好；圖12為給定階躍信號時的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)位置給定，超調(diào)約6.8%，超調(diào)小。

圖11 正弦給定時位置響應(yīng)曲線

圖12 階躍給定時位置響應(yīng)曲線

5 結(jié) 語

本文提出了一種電動舵機舵面伸縮、偏轉(zhuǎn)控制的復(fù)合控制器方案，采用死區(qū)產(chǎn)生電路設(shè)置死區(qū)，有效防止H橋電路直通，無刷直流電機采用一路PWM和一路方向信號DIR控制，直流電機采用一路PWM控制，簡化了控制信號數(shù)量，使舵機各個通道的伸縮與偏轉(zhuǎn)控制可采用一只數(shù)字信號處理器實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)動態(tài)特性好，響應(yīng)快，對后續(xù)伸縮舵的研究具有一定的參考意義。

[1] 吳繼飛，羅新福，徐來武,等.內(nèi)埋武器分離特性及其改進(jìn)方法研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,2014，32(6):814-818.

[2] 劉浩，張士衛(wèi).空空導(dǎo)彈新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)探析[J].四川兵工學(xué)報,2013,34(9):28-31.

[3] 龐佑兵，呂果，馬朝驥.脈寬調(diào)制放大器死區(qū)技術(shù)研究[J].微電子學(xué),2015，44(4):459-462.

[4] 趙志剛，林輝，張慶超,等.電動舵機伺服控制器的設(shè)計與研究[J].微特電機,2013，41(9):44-46.

[5] 任永春，孫建永，羅玉香.一種新型低功耗采樣電阻短路保護(hù)電路設(shè)計[J].微電子學(xué),2015，45(3):331-334.

[6] HEMATI N,LEU M C.A complete model characterization of brushless DC motors[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1992,28(1):172-180.

[7] OVERMARS A H,TONCICH D J. Application of DSP technology to closed-position-loop servo drive systems[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,1996,11(1):27-33.

The Hybrid Servo Controller Design of Electromechanical Actuator with Retractile Control Surfaces

ZHUJun-wei,PENGKe-rong,LIUZhen-yong

(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

The sectional dimension of a airborne guided weapons can be greatly reduced by using retractable rudders, it is also useful in improving the load of bombs and suitable for buried transmission mode. A hybrid servo controller used in electromechanical actuator was given forth in this paper. A current limit protection circuit was designed to limit the maximum current of the motors. The hybrid servo controller was carried out based on a digital signal processor by reducing the number of control signals which can track the given position exactly. The results of experiments show that this scheme is effective and practical.

electromechanical actuator； retractile control surfaces； DSP； segment-PID

2016-03-21

TM33

A

1004-7018(2016)08-0109-04

朱軍偉(1983-)，男，碩士，工程師，研究方向為永磁電機控制、機電一體化。