楊 帆 陳子瑋 白 雷 馮小強 王萬雷 付 士

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基于MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)設計

楊 帆 陳子瑋 白 雷 馮小強 王萬雷 付 士

（湖北三江航天紅峰控制有限公司,孝感 432000）

為滿足伺服系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、負載大、低氣壓環(huán)境的要求，設計了一種基于無刷電機驅(qū)動器MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)。本文從電路設計、結構設計、仿真分析三方面詳細分析闡述，并根據(jù)產(chǎn)品試驗測試論證系統(tǒng)性能完成情況。采用用無刷電機驅(qū)動器和無刷直流電機構成的模擬控制伺服系統(tǒng)滿足設計需求，具有功能完善、結構簡化的特點，產(chǎn)品技術成熟、質(zhì)量可靠應用前景廣。

MSK4310；無刷電機；伺服系統(tǒng)

1 引言

針對系統(tǒng)剛度高、偏轉(zhuǎn)角度精度高、動態(tài)特性好、低氣壓工作環(huán)境的要求，設計一種基于無刷電機驅(qū)動器MSK4310的伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于工作在低氣壓環(huán)境，因此采用無刷直流電機作為控制對象。系統(tǒng)與上位機通信收發(fā)接口均使用模擬信號，為簡化電路機構、保證質(zhì)量可靠性，選用模擬控制方式。系統(tǒng)中控制信號、反饋信號通過有源濾波器處理后參與控制算法實現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂扑惴▽崿F(xiàn)電路輸出量連接無刷電機驅(qū)動器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。

相對于傳統(tǒng)分立元件MOSFET搭建三相橋電路作為功率驅(qū)動電路，選用集成電路無刷電機驅(qū)動器MSK4310具有結構體積較小、外圍電路配置簡單、無需HALL信號解碼回路設計等優(yōu)點，驅(qū)動無刷無刷直流電機搭建的伺服控制系統(tǒng)，集成化高、調(diào)速范圍廣、質(zhì)量體積小、能效比高，在伺服系統(tǒng)領域有良好的推廣應用前景。

2 系統(tǒng)方案

伺服系統(tǒng)由兩個機電做動作、一個控制器及電纜網(wǎng)組成。

控制器接收上位機發(fā)出的模擬控制信號，并將控制信號和舵機反饋信號按照一定的控制規(guī)律生成電壓信號，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，電機通過減速機構帶動輸出軸偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)角度和力矩輸出。采用位置傳感器敏感舵軸位置并轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋至控制器，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)。其系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)方案原理圖

3 電路設計

3.1 控制器電路原理

控制器分為控制部分和驅(qū)動部分?？刂撇糠种饕啥坞娫?、綜合放大器、濾波器組成。根據(jù)輸入和遙測信號進行隔離的要求增加隔離和電源芯片。驅(qū)動部分采用無刷電機驅(qū)動器，設計外圍配置電路?？刂破麟娐吩砜驁D如圖2所示。

3.2 主要電路設計

3.2.1 二次電源電路設計

根據(jù)控制電路需要，將提供的+28V通過電源模塊變換為±15V、±15V1、+5V、±12V等?！?5V、+5V用于運放等供電，±15V1用于信號隔離電路供電，±12V用于角度傳感器供電，原理圖如圖3所示。

圖3 二次電源電路

3.2.2 隔離電路設計

隔離電路主要是將輸入作動器控制信號隔離后用于伺服系統(tǒng)內(nèi)部控制，將作動器反饋信號隔離后提供給上位機。采用隔離芯片ISO120SG對作動器控制信號和反饋信號進行隔離。

3.2.3 濾波器設計

角度傳感器反饋的電壓信號是參與系統(tǒng)控制算法的重要控制量之一，考慮信號通過復雜環(huán)境條件及伺服系統(tǒng)帶寬要求等，對反饋信號設計一個二級低通濾波器。通過設計參數(shù)，濾波器衰減斜率為-40dB/10oct，阻尼系數(shù)為1.73，截止頻率為30Hz，能夠有效慮除反饋信號中的高頻噪聲，確保信號穩(wěn)定有效等要求。

3.2.4 綜合放大器設計

伺服系統(tǒng)采用經(jīng)典PID控制算法，控制電路對控制信號、反饋信號等進行綜合，經(jīng)比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)控制及處理后，最后綜合放大輸出無刷電機驅(qū)動器接收的速度控制信號。

PID控制算法實現(xiàn)，控制信號與反饋信號綜合產(chǎn)生誤差信號，當誤差信號大于零時，驅(qū)動信號隨誤差值增大而增大至飽和，電機調(diào)速至最大速度，轉(zhuǎn)動極性控制信號方向保持一致；當誤差信號小于零時，電機反向制動，降低電機速度，誤差值迅速減小，直至控制信號與反饋信號相同。通過仿真分析、實物對接測試，確定合適參數(shù)值，保證伺服系統(tǒng)性能合格。

3.2.5 驅(qū)動電路設計

控制信號和反饋信號經(jīng)綜合放大器處理生成驅(qū)動模塊接收的速度控制信號，用于控制電機轉(zhuǎn)動方向和速度。根據(jù)伺服系統(tǒng)要求，設計電流調(diào)節(jié)電路及制動電路。驅(qū)動模塊采用MS Kennedy公司的無刷直流電機MSK4310驅(qū)動器，其接受電機反饋的霍爾信號，與輸入驅(qū)動信號比較，實現(xiàn)電機速度閉環(huán)，并具有限電流保護功能和制動控制功能。電機選用直流無刷電機，其工作電壓28V，額定轉(zhuǎn)速5600r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.03N/m。

4 結構設計

4.1 機電作動器組成及工作原理

機電作動器由直流無刷電機、齒輪組、滾珠絲杠副、搖臂輸出軸、角度傳感器組成。

機電作動器工作原理：機電作動器配電后，電機通過齒輪組減速后驅(qū)動滾珠絲杠副運動，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線運動，螺母推動搖臂動作，即當電機在控制系統(tǒng)作用下正反向運動時，經(jīng)過齒輪組、滾珠絲杠副、搖臂的減速，實現(xiàn)輸出軸的正反角度偏轉(zhuǎn)及力矩輸出，而與輸出軸同軸安裝的角度傳感器可即時敏感并反饋輸出角度的變化。機電作動器工作原理如圖4所示。

圖4 機電作動器工作原理示意圖

4.2 傳動機構設計

機電作動器傳動機構主要由殼體、減速機構、輸出軸等組成，實現(xiàn)與上級機械接口對接、力矩及速度的傳遞、電機和角度傳感器的對接等。

5 仿真分析

建立伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型如圖5所示，模型由位置環(huán)、位置經(jīng)濾波、微分后的速度環(huán)、內(nèi)部電流環(huán)組成。

圖5 伺服系統(tǒng)模型

5.1 伺服機構時域特性分析

通過仿真分析，在空載條件下，給伺服機構施加2°階躍信號時，機電作動器的響應曲線如圖6所示，上升時間為70ms，滿足系統(tǒng)要求的125ms要求。

圖6 2°時域特性圖

5.2 伺服機構頻域特性分析

圖7 2°、3Hz頻率特性圖

在1N.m/o彈性負載下，給伺服機構施加2°/3Hz、偏置10°的正弦波信號，響應情況仿真結果見圖7，幅頻值-0.6dB、相頻值-36.2°，滿足系統(tǒng)要求。

6 實物測試

伺服系統(tǒng)按要求裝配完成后，通過電纜網(wǎng)連接測試儀，進行系統(tǒng)性能測試。伺服機構單項性能測試包括零位測試、位置測試、時域特性、頻域特性及死區(qū)特性等，檢測系統(tǒng)動態(tài)特性及系統(tǒng)剛度是否滿足要求。

6.1 時域特性測試

在空載帶模擬慣量條件下，分別對±1.33V（2°）時域特性進行了測試，測試結果如圖8所示。

圖8 帶慣量±1.33V時域特性曲線

通過上圖可以看出，伺服機構在±1.33V、階躍響應達到90%的上升時間分別為53/51(ms)。伺服機構試驗結果均滿足上升時間不大于125ms的設計要求。機電作動器帶配重慣量模擬實際工作狀況，由于慣量是重量6.4kg，直徑為100mm的圓柱體，質(zhì)量大、質(zhì)心高、慣量矩大，階躍環(huán)節(jié)對系統(tǒng)工作造成一定影響，對伺服系統(tǒng)剛度提出很高的要求。

6.2 頻域性能測試

圖9 帶慣量時2°、3Hz響應曲線

伺服機構在帶模擬機慣量條件下，2°、3Hz頻率特性測試，反饋曲線較好跟隨控制曲線，其結果為（-0.575dB，-19.414°）。滿足帶寬2°、3Hz帶寬要求，試驗結果見圖9。

6.3 死區(qū)測試

在空載條件下，施加信號為+0.1°方波，作動器反饋信號測試曲線如圖10所示，結果表明系統(tǒng)死區(qū)小于0.1°。測試結果表明，伺服系統(tǒng)各項測試滿足要求，系統(tǒng)動態(tài)特性及系統(tǒng)剛度符合技術需求。

圖10 死區(qū)測試響應曲線

7 結束語

根據(jù)技術要求，設計了一種基于無刷電機驅(qū)動器MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)，經(jīng)實物測試檢驗，證明系統(tǒng)性能符合設計需求。伺服系統(tǒng)對空間要求較嚴、體積小，且機電作動器的負載慣量相對較大，因此要求系統(tǒng)具有良好的剛度，最終通過調(diào)整控制環(huán)節(jié)參數(shù)與機電作動器的可控參數(shù)實現(xiàn)。此系統(tǒng)采用模擬控制方式，選用無刷直流電機驅(qū)動器和直流無刷電機構成，相對于傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)驅(qū)動有刷電機，系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、效率高、適用低氣壓環(huán)境、壽命長等，且產(chǎn)品技術成熟，在伺服領域具有良好的推廣應用前景。

1 陳佰時．電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2003

2 敖榮慶．袁坤．伺服系統(tǒng)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社,2006

3 郁有文．常?。汤^紅．傳感器原理及工程應用[M]. 西安：西安電子科技大學出版社, 2009

4 魏林．無人機載光電任務設備升降機構的控制器設計[J]. 微電機,2015，23(14)：46～48

Design of Analog Control Servo System Based on MSK4310

Yang Fan Cheng Ziwei Bai Lei Feng Xiaoqiang Wang Wanlei Fu Shi

(Hubei Sanjiang Space Hongfeng control Co,Ltd., Xiaogan 432000)

In order to meet the requirements of small size, light weight, large load and low pressure environment of servo system, an analog control servo system based on brushless motor driver MSK4310 is designed. The performance of the system is demonstrated according to the product test and is analyzed from the circuit design, the structural design, and the simulation analysis. The analog servo system composed of brushless motor driver and brushless motor has the characteristics of perfect function and simplified structure. The product is mature in technology, reliable in quality and promising in application.

MSK4310；brushless motor；servo system

楊帆(1987),碩士，控制理論與控制工程專業(yè)；研究方向：伺服系統(tǒng)設計。

2017-08-24