孫海峰 呼 吁 鄒 軍

北京航天自動控制研究所，北京100854

一種軟硬件結合的運載火箭推力調節(jié)電機動態(tài)控制方法

孫海峰 呼 吁 鄒 軍

北京航天自動控制研究所，北京100854

介紹了一種運載火箭推力調節(jié)電機速度控制曲線和調節(jié)角度的靈活設置方法，該方法采用了軟硬件相結合的實現(xiàn)方式，不需要改變軟硬件狀態(tài)，充分發(fā)揮了高級語言軟件和FPGA的優(yōu)勢，克服了目前步進電機速度控制實現(xiàn)方法的弊端，是一種更加靈活，實用性更強，實時性和精確度更高的步進電機速度和角度控制方法。

運載火箭；推力調節(jié)；步進電機；速度控制；軟硬件結合

運載火箭推力調節(jié)電機是一種2項混合式步進電機。為實現(xiàn)步進電機的平穩(wěn)控制，避免啟動和停止過程的失步或過沖，需要選擇適合電機運行的速度控制曲線，通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度來實現(xiàn)速度控制[1]。運載火箭推力調節(jié)電機的速度控制曲線和調節(jié)角度有靈活設置需求，一是在型號研制初期，需要對不同的速度控制曲線的負載性能進行摸底試驗，要求速度控制曲線能夠靈活調整；另外，射前推力調節(jié)功能測試、射前推力調節(jié)電機角度初始化以及不同飛行任務中，電機調節(jié)角度都不盡相同，因此，要求推力調節(jié)控制功能能夠靈活地適應不同應用環(huán)境下的不同調節(jié)角度；此外，未來的運載火箭發(fā)展對可變的速度控制曲線有潛在需求。

近幾年的相關文獻中，對于步進電機的速度控制方法論述較多的是查表法，其變頻控制采用軟件延時或者定時器中斷法，文獻[2-6]對查表法及其變頻控制方法進行了論述。

查表法需要事先確定好步進電機的速度控制曲線，然后將階梯頻率和階梯步長固化在ROM中，工作過程中軟件按順序讀取ROM中的數(shù)據(jù)，每次取出一個階梯頻率及其對應的步長，頻率控制采用軟件延時或定時器中斷的方法實現(xiàn)，從而實現(xiàn)步進電機的速度控制。查表法的變頻控制方法原理如下：

1)軟件延時

通過改變相鄰2個頻率控制字之間的延時時間來實現(xiàn)變頻控制，優(yōu)點是程序簡單，不占用硬件資源，缺點是CPU等待時間過長，占用大量時間。

2)定時器中斷

在中斷服務子程序中進行脈沖輸出操作，通過改變定時器的定時常數(shù)實現(xiàn)脈沖頻率的調整。優(yōu)點是占用CPU時間少，容易實現(xiàn)，相對軟件延時更為實用，也是目前應用較多的一種變頻方法。

查表法變頻控制所用的這2種方法雖然都可以實現(xiàn)步進電機的速度控制，但存在以下問題：

1)速度控制曲線是固化的，改變控制曲線需要更改ROM 中的數(shù)據(jù)，即改變軟硬件狀態(tài)，因此，采用查表法的步進電機控制系統(tǒng)速度曲線一旦確定，一般情況下不允許隨便更改；

2)固化在ROM中的速度曲線數(shù)據(jù)包括階梯頻率、階梯步長以及不同頻率脈沖之間的時間間隔等信息，在控制曲線離散化程度較高的情況下，這些信息通常占用較大的存儲空間，增加了控制成本；

3)軟件延時法通過改變相鄰脈沖之間的延時來改變脈沖的輸出頻率，頻率精度依賴于軟件延時的精度，精確度難以保證，且軟件運行時需要完全占用CPU時間， CPU利用率低。定時器中斷法相對軟件延時法雖然占用CPU時間少，但是其精度依然有限。

查表法存在速度曲線固定、靈活性差和變頻控制精度不高的缺點，本文提出了一種軟硬件結合的步進電機速度控制方法，其硬件采用了在波形合成中被廣泛使用的方法：DDS(Direct Digital Frequency Synthesis，直接數(shù)字頻率合成)技術，利用硬件電路波形合成實時性強和精確度高的優(yōu)點，通過FPGA實現(xiàn)的DDS電路，解決了軟件延時和定時器中斷在變頻控制上存在的弊端；同時，利用與高級語言編程簡單、功能強大的優(yōu)點，克服了查表法速度曲線固化，靈活性差的缺點，實現(xiàn)了在不改變軟硬件狀態(tài)下對速度控制曲線的靈活設置。該方法通過軟硬件的合理分工，充分發(fā)揮軟件和硬件的優(yōu)勢，優(yōu)化了系統(tǒng)設計，解決了現(xiàn)有速度控制方法的不足，提供了一種更加靈活、精確度更高且實時性更強的步進電機速度控制方法。

1 DDS技術原理概述

DDS技術是二十世紀末發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法，其采用數(shù)字化技術，從相位角度出發(fā)直接合成所需波形。直接數(shù)字頻率合成技術于二十世紀70年代首次提出，但由于當時的硬件技術和工藝水平有限，DDS 技術僅僅在理論上進行了一些探討研究，而沒有得到足夠的重視。近年來，隨著計算機軟硬件技術和超大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列、復雜可編程器件等技術得到了廣泛應用，加之對DDS 理論的進一步探討，使得DDS技術也得到了飛速發(fā)展。DDS是全數(shù)字化的頻率合成技術，由相位累加器、波形存儲器ROM，D/A轉換器和低通濾波器4部分組成。由于直接數(shù)字頻率合成技術的全數(shù)字化，使其具有其他頻率合成器無法比擬的優(yōu)越性。

DDS 的基本工作原理是：在參考時鐘頻率下，相位累加器以所設定的頻率控制字FCW 為步長進行累加，然后輸出累加的結果在波形查找表中找到相應的幅度量化序列并輸出，通過D/A 轉換得到信號的模擬分量，最后經過低通濾波器濾波之后得到所需要的波形。圖1給出了DDS的基本工作原理示意圖[7-8]。

圖1 DDS工作原理

圖中，相位累加器的長度為N，F(xiàn)CW為頻率控制字，則輸出頻率fout與參考時鐘頻率fc的關系為：

fout=fc×FCW/2N

(1)

相位累加器的位數(shù)N為常數(shù)，所以要改變輸出頻率的大小，只要通過改變頻率控制字的大小就可以得到所需的頻率，并且頻率的分辨率也是由N的值來決定的，N的值越大，分辨率就越高；反之，N的值越小，分辨率就越低。

若已知輸出頻率，利用這一公式可以推導出頻率控制字的轉換公式：

FCW=fout×2N/fc

(2)

假設FPGA的工作頻率為50 MHz，經分頻后為0.25 MHz。相位累加器的長度為N位，即2N。則電機的頻率轉換配置公式為：

(3)

由于直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術的全數(shù)字化結構具有分辨率高、轉換時間短、相位噪聲低和相位變化連續(xù)等優(yōu)點，使得控制脈沖生成過程具有高實時性，合成的頻率脈沖精度高，符合運載火箭推力調節(jié)電機控制的要求。

工業(yè)應用中DDS電路的實現(xiàn)有2種方法：1)采用專用的DDS芯片；2)采用FPGA芯片實現(xiàn)。

與專用DDS芯片相比，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的DDS電路具有如下特點：

1)可定義程度高，專用的DDS芯片控制方式固定，而采用FPGA實現(xiàn)的DDS電路則可以根據(jù)功能需求而方便的添加各種復雜的功能，實用性和便捷性更高；

2)信號質量較高，采用FPGA設計實現(xiàn)的DDS電路與專用DDS芯片一樣可以輸出高質量的信號，信號的精度誤差在允許的范圍之內；

3)成本低，專用的DDS芯片價格較高，而采用FPGA設計實現(xiàn)的DDS電路嵌入到系統(tǒng)中并不會使成本增加很多。

因此，基于FPGA設計的DDS電路具有更高的實用性。

2 方法原理及控制流程

2.1 方法原理

基本原理如下：

1)利用頻率控制字FCW和輸出頻率fout之間相互轉換關系，實現(xiàn)速度控制曲線的靈活設置。

根據(jù)式(1)和(2)可知，在已知參考時鐘頻率fc的前提下，可以根據(jù)頻率控制字FCW得到輸出頻率fout；反之，也可以根據(jù)已知的輸出頻率fout得到頻率控制字FCW。因此，利用式(2)將預輸出的頻率轉換為FCW，再通過FPGA軟件根據(jù)FCW合成頻率為fout的脈沖波形，從而實現(xiàn)頻率的動態(tài)設置。

2)利用速度控制曲線的分段規(guī)律和升速減速階段的鏡像關系簡化通信協(xié)議。

步進電機常用的速度控制曲線包括直線型、指數(shù)型曲線等，在應用時通常將曲線進行離散化，形成多個頻點以及相應脈沖數(shù)組成的離散化曲線，然后通過發(fā)送不同頻率的驅動脈沖，實現(xiàn)速度控制。不管是直線型還是指數(shù)型速度曲線，都可以劃分為升速段、勻速段和減速段3個部分。升速段從步進電機的啟動頻率開始，按照曲線頻點逐漸升高頻率至額定工作頻率；減速段則正好相反，為升速段的鏡像曲線，從步進電機的額定工作頻率開始，逐漸降低頻率至啟動頻率，最后停止；中間額定頻率的工作過程為勻速段。圖2是指數(shù)型和直線型速度控制曲線的3個階段以及升減速階段鏡像關系示意圖。

圖2 2種速度曲線

通過對步進電機速度曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，如果僅將速度曲線升速段的頻點和脈沖數(shù)上傳，根據(jù)上述規(guī)律便可以實現(xiàn)整個曲線的繪制，從而簡化通信協(xié)議，提高通信效率。

3)通過合理分工，充分發(fā)揮高級語言軟件和FPGA的優(yōu)勢。

高級語言具有編程簡單、調試方便和可讀性強等優(yōu)點，易實現(xiàn)接口通信交互功能和頻率控制字的轉換工作，因此采用高級語言設計的軟件能非常方便地完成速度控制曲線和電機轉動角度的上傳、解析、分解和裝訂。FPGA芯片具有體積小、改動靈活方便、性能高、功耗低和效率高的優(yōu)點，采用FPGA設計實現(xiàn)的DDS電路靈活性高、信號質量高且成本低，可以方便實現(xiàn)高精度、高實時的脈沖信號合成。同時，采用FPGA實現(xiàn)變頻控制可以分擔高級語言軟件的工作，避免采用高級語言軟件實現(xiàn)頻率控制時的CPU獨占現(xiàn)象，高級語言軟件可以并行完成其他工作，使得CPU利用率高。將高級語言和FPGA相結合，有利于充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，優(yōu)化系統(tǒng)設計。

2.2 控制流程

在工程應用中的具體控制流程如下：

1)將待上傳的速度控制曲線各個頻點的頻率和相應的驅動脈沖數(shù)通過設計好的軟件接口協(xié)議上傳至高級語言實現(xiàn)的軟件中；

2)高級語言軟件將收到的各個頻率按照升減速曲線鏡像對應關系完成整個曲線的擴展，再根據(jù)式(2)生成相應的頻率控制字FCW，然后將各個FCW以及相對應的脈沖數(shù)一同寫入FPGA指定內存中，作為DDS電路的輸入，完成速度控制曲線的上傳和在線裝訂；

3)高級語言軟件啟動FPGA的DDS電路，F(xiàn)PGA內存中的FCW依次輸入至DDS電路，由DDS電路合成頻率為fout、數(shù)量為預設脈沖數(shù)的控制脈沖，直至所有FCW均輸入完畢，從而實現(xiàn)步進電機速度曲線的改變和實時驅動脈沖合成，完成步進電機的可變速度控制。

控制方法流程如圖3所示。

圖3 控制流程圖及軟硬件分工

3 應用舉例及合成效果分析

3.1 應用舉例

推力調節(jié)步進電機為2相8拍混合式步進電動機，電機組件工作頻率參數(shù)如下： 額定工作頻率為3200±200Hz；起動頻率為800 Hz。

本文以某一指數(shù)型曲線為例，說明如何通過在線裝訂實現(xiàn)速度曲線的動態(tài)設定和驅動脈沖的實時合成，其他曲線的設定方法同理，不再贅述。

該指數(shù)型曲線離散化后的曲線如圖4，升速段的頻點和對應脈沖數(shù)見表1。

圖4 離散化的指數(shù)型曲線

表1 升速段曲線頻點及脈沖數(shù)

1)升速段曲線上傳

首先，將升速段的16個頻點和對應脈沖數(shù)(表1)以及總脈沖數(shù)通過預先設定的協(xié)議上傳至高級語言軟件中，由高級語言完成整個曲線的擴展、FCW的轉換和FPGA指定內存的裝訂。

2)曲線擴展

假設本次脈沖總數(shù)為10000，高級語言軟件根據(jù)表1的數(shù)據(jù)得到升速段脈沖總數(shù)為1656，根據(jù)升減速段曲線的鏡像對應關系，減速段的頻點和脈沖數(shù)與升速段相同，減速段脈沖總數(shù)=升速段脈沖總數(shù)=1656，因此，勻速段脈沖總數(shù)=10000-1656*2=6688，進而得到整個曲線的頻點及對應脈沖數(shù)，這里不再列舉。

3)FCW轉換和FPGA裝訂

假設本例中FPGA的工作頻率為50 MHz，經分頻后為0.25 MHz。相位累加器的長度為15位，按照拓展后整個曲線的頻點，根據(jù)式(2)計算得每個頻點的頻率控制字FCW，并寫入指定FPGA內存空間。

以2000Hz為例，說明FCW的轉換過程：

4)啟動波形合成

高級軟件收到啟動指令后，啟動FPGA軟件DDS電路，DDS電路根據(jù)輸入的FCW合成指定頻率和數(shù)量控制脈沖，直至完成所有FCW輸入，從而根據(jù)裝訂的曲線實現(xiàn)電機的速度和角度控制。

此外，對試驗中的脈沖波形進行記錄，對DDS脈沖合成效果進行驗證，這里從試驗記錄波形中隨意選取了800Hz，2000Hz,3200Hz三個頻點的脈沖波形，分別如圖5～ 7所示。

圖5 800Hz脈沖波形圖

圖6 2000Hz脈沖波形圖

圖7 3200Hz脈沖波形圖

3.2 合成效果分析

1)頻率分辨率高。合成頻率的分辨率由相位累加器的長度N決定，運載火箭推力調節(jié)DDS電路的相位累加器長度為15，滿足飛行控制所需要的精度；

2)頻率轉換時間短。DDS的頻率轉換時間由FCW的傳輸時間和以低通濾波器為主的頻率響應時間2部分組成，頻率轉換時間可以達到納秒級。頻率轉換時間決定了脈沖合成的實時性，這一點在運載火箭推力調節(jié)脈沖合成控制上非常關鍵，運載火箭發(fā)動機推力調節(jié)具有高實時性，發(fā)動機推力在指定的時間內必須調節(jié)至預定目標，這就要求波形合成的實時性必須符合設計要求，否則影響飛行的成敗，DDS的高實時性適合實時性要求非常高的航天應用領域；

3)相位噪聲和頻率漂移低。運載火箭推力調節(jié)控制器的DDS電路采用固定的晶振來產生基準頻率，可以保證優(yōu)異的相位噪聲和漂移特性；

4)相位變化連續(xù)。DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，當一個轉換頻率的指令加在DDS的數(shù)據(jù)輸入端時，會迅速合成所要求的頻率信號，相位是連續(xù)變化的，從而保證了頻率跳變過程中信號相位的連續(xù)，避免了因為相位消息的丟失造成脈沖丟失，導致步進電機調節(jié)角度不到位，致使發(fā)動機推力的調節(jié)達不到預定目標。

4 結論

本文的推力調節(jié)電機控制方法引入了軟硬件結合的設計思想，通過軟硬件的合理分工，優(yōu)化系統(tǒng)設計，充分發(fā)揮軟硬件各自的優(yōu)勢，解決了現(xiàn)有步進電機速度控制常用的查表法速度曲線固化、頻率精度低、CPU獨占以及存儲空間需求高等缺點。

軟硬件相結合的系統(tǒng)設計思想在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，采用軟件實現(xiàn)降低硬件設計的復雜度，通過硬件分擔軟件工作的負擔，彌補軟件控制的不足，通過二者的合理分工，優(yōu)化系統(tǒng)設計，發(fā)揮系統(tǒng)最大潛能，該設計思想為未來的系統(tǒng)設計提供了一個新的思路。

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ADynamicControlMethodforThrustMotorsofLaunchVehicleBasedonSoftwareandHardwareCombination

Sun Haifeng, Hu Yu, Zou Jun

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Inthispaper,akindofflexiblespeedcontrolcurveandanglesetmethodforthrustregulationmotoroflaunchvehiclebasedonsoftwareandhardwarecombinationispresented,whichismoreflexible,practical,realtime,accuratethanothersteppingmotorspeedcontrolmethodsduetoitsfeaturesofnon-requiredchanginghardwareandsoftwarestatusandgivingfullplaytothestrengthsofadvancedlanguagesoftandFPGAandovercomsthedrawbacksofcurrentothercontrolmethodsofsteppingmotor.

Launchvehicle;Thrustregulation;Steppingmotor;Speedcontrol;Softwareandhardwarecombination

TP273+.5

A

1006-3242(2017)04-0052-05

2017-03-13

孫海峰(1976-)，男，河北人，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天控制系統(tǒng)綜合設計與可靠性理論；呼吁(1982-)，女，北京人，碩士，工程師，主要研究方向為航天控制系統(tǒng)電氣產品設計；鄒軍(1974-)，男，湖北人，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設計。