宋 晗，和 陽，朱紀(jì)洪

(1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.清華大學(xué)，北京 100084)

0 引 言

舵機(jī)是飛行器系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是飛行器控制系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備。按照一定航線運行的飛行器通過舵機(jī)帶動舵面，使其偏擺以調(diào)整飛行姿態(tài),因此舵機(jī)性能的優(yōu)劣直接影響飛行品質(zhì)的高低[1-2]。由無刷直流電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動控制器組成的舵機(jī)驅(qū)動控制硬件平臺，可以輸出要求轉(zhuǎn)矩的同時節(jié)省飛行器空間和負(fù)重。在此基礎(chǔ)上，運用經(jīng)典控制理論與方法可以實現(xiàn)快速、精確、穩(wěn)定的控制。驅(qū)動控制器和伺服控制算法共同組成了飛行器伺服控制系統(tǒng)[3-4]。

本文結(jié)合具體科研項目介紹了一種應(yīng)用于小型無人飛行器的電動系統(tǒng)控制器設(shè)計，驅(qū)動控制器硬件平臺采用DSP和CPLD相結(jié)合的方案，分別負(fù)責(zé)控制算法的執(zhí)行及邏輯控制與保護(hù)。外圍電路包括：基于旋轉(zhuǎn)變壓器的位置與轉(zhuǎn)速的信號采集電路，電流采集電路，驅(qū)動電路和通信電路。在此基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)高精度伺服控制，控制策略采用由電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、位置環(huán)構(gòu)成的3閉環(huán)結(jié)構(gòu)，通過在位置環(huán)引入轉(zhuǎn)速反饋，代替?zhèn)鹘y(tǒng)比例微分控制中的位置誤差微分量，以改善動態(tài)特性的同時，抑制位置反饋中的噪聲。整個伺服系統(tǒng)經(jīng)過通信電路接收指令信號，在主控單元內(nèi)進(jìn)行控制律計算，通過功率模塊驅(qū)動舵機(jī)工作，實現(xiàn)飛行器姿態(tài)控制。

1 控制器結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計方案

伺服控制器硬件部分主要由控制器單元、驅(qū)動單元、反饋檢測單元等構(gòu)成[5]?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)如圖1所示。飛控上位機(jī)發(fā)出的控制指令，通過通信端口傳輸給控制器單元，控制器單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將柵極驅(qū)動信號傳輸給驅(qū)動單元進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)，反饋檢測單元采集電機(jī)運行時的狀態(tài)信息傳輸給控制器單元進(jìn)行閉環(huán)數(shù)據(jù)處理。

圖1 飛行器舵機(jī)控制器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 控制器單元

系統(tǒng)主控制單元由DSP和CPLD構(gòu)成。DSP選用TI公司的TMS320F28069，該芯片不僅擁有豐富的外設(shè)接口，而且支持單精度浮點運算，主要負(fù)責(zé)指令的接收、數(shù)據(jù)采集與處理、控制律的執(zhí)行等功能。

CPLD選用LATTICE公司的LC4128芯片，該芯片具有編程簡單，工作穩(wěn)定等優(yōu)點，且可實現(xiàn)靈活的數(shù)字邏輯處理功能，進(jìn)而簡化外圍電路，主要用于系統(tǒng)保護(hù)信號的處理，分擔(dān)部分DSP運算，處理換向邏輯等。

1.2 驅(qū)動單元

驅(qū)動電路在設(shè)計過程中為節(jié)省空間體積，保證可靠性，選用TI公司的DRV8313全橋驅(qū)動芯片進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動控制。DRV8313芯片內(nèi)部集成三相全橋驅(qū)動電路，最大輸出電流2.5 A，母線支持8 V～60 V供電，最高支持250 kHz的開關(guān)頻率，芯片集成保護(hù)電路，可通過設(shè)計外圍電路設(shè)置過流保護(hù)和低壓保護(hù)等。

1.3 反饋檢測單元

反饋檢測單元主要包括位置與轉(zhuǎn)速檢測單元和電流檢測單元。其中位置與轉(zhuǎn)速的檢測通過旋轉(zhuǎn)變壓器及解調(diào)電路實現(xiàn)，電流檢測通過電流傳感器芯片實現(xiàn)。

位置與轉(zhuǎn)速檢測單元通過旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡稱旋變)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行獲取，具體工作原理如圖2所示。旋變解調(diào)芯片在提供電壓及時鐘后產(chǎn)生差分激勵信號EXC+與EXC-，經(jīng)過電壓調(diào)理后進(jìn)入旋變初級線圈繞組，旋變次級線圈產(chǎn)生2組互差90°的正弦差分信號SIN+與SIN-和COS+與COS-，經(jīng)過調(diào)理電路與隔離運放后返回給解調(diào)芯片[6-7]。本文選用的旋變解調(diào)芯片為ADI公司的AD2S1210芯片，該芯片具有10～16位分辨率，集成正弦振蕩器，可產(chǎn)生一組差分信號，用于激勵旋轉(zhuǎn)變壓器。芯片集成SPI接口，可與DSP進(jìn)行通信，傳輸解調(diào)后的數(shù)據(jù)。

圖2 基于解調(diào)芯片的旋變工作原理

(1)

將VIOUT接口連接到DSP的ADC端口，在DSP中進(jìn)行解算即可得到對應(yīng)電流值。

2 模型搭建與控制策略設(shè)計

為實現(xiàn)高精度伺服控制，本文的控制器采用3閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，即電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)依靠電流傳感器芯片采集電流數(shù)據(jù)，并通過MCU經(jīng)AD解算得到電流值實現(xiàn)閉環(huán)，位置環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)由旋變采集回來的位置及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)構(gòu)成閉環(huán)。通過3閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)位置的快速跟蹤，同時電流及轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)更為迅速，使得系統(tǒng)具有較為優(yōu)異的起停性能。

2.1 無刷直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型搭建

本文的無刷直流電動機(jī)實質(zhì)上是一種特定類型的永磁同步電動機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極采用瓦形磁鋼，其感應(yīng)電動勢為梯形波[8-9]。假設(shè)三相定子繞組采用星形連接方式，同時將磁路中存在的如齒槽效應(yīng)、渦流等損耗、磁路飽和進(jìn)行忽略。根據(jù)電機(jī)運行原理，無刷直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型搭建如圖3所示。

圖3 無刷直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

圖3中，系統(tǒng)輸入量U(s)為電機(jī)電樞兩端的輸入電壓，L為電樞回路中電感，R為電樞回路中電阻。在U(s)作用下產(chǎn)生電樞電流Im(s)，Im(s)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩Te(s)，其中Cm為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。Tl(s)為負(fù)載力矩，J為轉(zhuǎn)動慣量，系統(tǒng)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速ω(s)，同時產(chǎn)生反電動勢，Ce為反電動勢常數(shù)。轉(zhuǎn)動慣量J計算公式：

(2)

式中：Jm為電機(jī)自身轉(zhuǎn)動慣量；Jl為負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量；n為減速比。

2.2 控制策略設(shè)計

根據(jù)多閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，從內(nèi)環(huán)向外環(huán)開始設(shè)計，即首先設(shè)計電流環(huán)。電流環(huán)主要作用是保證電流跟隨給定[10]，提升系統(tǒng)的剛度。電流控制器采用比例控制加滯后校正器進(jìn)行設(shè)計。轉(zhuǎn)速控制器采用比例控制。位置環(huán)用于實現(xiàn)舵機(jī)位置的快速跟蹤，其控制器采用比例控制，并將位置指令進(jìn)行微分處理后，與引入至控制器中的轉(zhuǎn)速作差，最終實現(xiàn)比例微分控制。系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 三閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)指令的輸入量為位置θa(s)，θm(s)為輸出位置，系統(tǒng)通過位置控制器APR后輸出舵機(jī)轉(zhuǎn)速控制指令ωa(s)，與反饋轉(zhuǎn)速ωm(s)的差通過轉(zhuǎn)速控制器ASR后輸出電流控制指令I(lǐng)a(s)，Ia(s)與反饋電流Im(s)的差通過電流控制器ACR后輸出控制電壓U(s)?？刂齐妷狠斎氲教摼€標(biāo)識內(nèi)的無刷直流電動機(jī)模型中，輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)過轉(zhuǎn)速比及積分后得到電機(jī)的輸出位置θm(s)。

電流控制器ACR結(jié)構(gòu)如圖5所示，I*(s)為電流控制器的輸入量，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)、滯后校正器與功率放大模塊后，輸出控制電壓U(s)。其中Ks為功率模塊增益比，Ts為功率模塊開關(guān)頻率。滯后校正器設(shè)計時，根據(jù)電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖進(jìn)行校正。

圖5電流控制器ACR結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速控制器ASR采用比例控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。ωa(s)與ωm(s)作差后輸入至轉(zhuǎn)速控制器，經(jīng)過比例調(diào)節(jié)輸出電流控制指令I(lǐng)a(s)，其中Ksp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)。

位置控制器APR結(jié)構(gòu)如圖4中虛線部分所示，位置指令θa(s)與反饋位置θm(s)作差的結(jié)果經(jīng)過比例調(diào)節(jié)后得到位置誤差調(diào)節(jié)量，θa(s)經(jīng)過微分后與轉(zhuǎn)速反饋ωm(s)作差的結(jié)果經(jīng)過比例控制得到微分量，將微分量與位置誤差調(diào)節(jié)量相加得到舵機(jī)轉(zhuǎn)速控制指令ωa(s)，其中Kpp與Ksp分別為2個比例環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)系數(shù)。

4 仿真與測試

4.1 控制策略仿真

實際設(shè)計中選用的電機(jī)為Maxon公司生產(chǎn)的EC-32 flat電機(jī)(267121)，根據(jù)電機(jī)使用手冊可以查閱到電機(jī)相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

根據(jù)系統(tǒng)框圖與控制器為模型，通過Simulink進(jìn)行仿真。階躍響應(yīng)仿真如圖6所示，控制策略的調(diào)節(jié)時間約為0.04 s，系統(tǒng)沒有超調(diào)，達(dá)到穩(wěn)定后沒有穩(wěn)態(tài)誤差，說明該控制策略提高了系統(tǒng)阻尼，降低了系統(tǒng)超調(diào)，具有良好的穩(wěn)態(tài)特性。圖7為輸入6 Hz正弦指令信號的仿真結(jié)果。從圖7中可以看到，控制策略幅值衰減至0.77，而相位滯后控制指令30.2°，說明該控制策略較好地跟隨了指令信號，具有良好的動態(tài)特性。綜合2種仿真測試，說明本文控制策略的動態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性均良好，一定程度提高了系統(tǒng)帶寬，保證了系統(tǒng)的性能。

表1 EC-32 flat(267121)電機(jī)參數(shù)

圖6 階躍響應(yīng)

圖7 6 Hz正弦信號響應(yīng)

該控制器等效于比例微分控制，增加了系統(tǒng)阻尼，但相對于比例微分控制，沒有進(jìn)行位置差分運算，可在一定程度上抑制位置反饋中的噪聲帶來的影響。圖8、圖9為通過高斯噪聲模塊在位置反饋中加入噪聲后的仿真對比圖。為方便觀察噪聲影響，虛線為本文控制策略，實線為位置環(huán)采用比例微分控制的策略，其內(nèi)環(huán)增益相同。圖8與圖9分別為1Hz正弦響應(yīng)與階躍響應(yīng)時位置反饋引入噪聲的對比圖。從圖8可以看到，位置環(huán)采用比例微分控制的策略在跟隨指令時出現(xiàn)抖動。圖9中，位置環(huán)比例微分控制策略在階躍響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定時存在抖動。而本文控制策略抑制噪聲效果明顯，更好地跟隨指令。

圖8 1 Hz正弦響應(yīng)時位置反饋引入噪聲對比

圖9 階躍響應(yīng)時位置反饋引入噪聲對比

4.2 系統(tǒng)性能測試

為驗證控制器及控制策略的性能，采用基于LabVIEW制作的上位機(jī)對所研制的電動舵機(jī)進(jìn)行實驗測試。實驗測試平臺如圖10所示，LabVIEW上位機(jī)通過驅(qū)動控制器上預(yù)留的SCI串口通信接口發(fā)送控制指令，測試不同程度的階躍響應(yīng)以及連續(xù)變化信號的響應(yīng)。

圖10 實驗測試平臺

圖11為基于LabVIEW制作的上位機(jī)測試界面，右側(cè)窗口反映出控制指令及舵機(jī)反饋位置，橫軸表示時間，縱軸表示經(jīng)過減速器后機(jī)械軸轉(zhuǎn)動角度?？梢钥吹蕉鏅C(jī)在階躍響應(yīng)時調(diào)節(jié)時間小于0.1s，而1Hz響應(yīng)下相位滯后小于0.1°。實驗結(jié)果表明，本文的控制器控制效果理想，動態(tài)響應(yīng)迅速且穩(wěn)定，靜態(tài)響應(yīng)無靜差及超調(diào)，實現(xiàn)了舵機(jī)的高性能控制。

圖11 控制律性能測試

5 結(jié) 語

本文介紹了采用DSP作為核心控制器，旋變及電流傳感器作為反饋檢測單元，運用3閉環(huán)控制策略設(shè)計的一種伺服控制器。通過對電機(jī)模型的分析與搭建，各個閉環(huán)控制器的設(shè)計，實現(xiàn)了系統(tǒng)位置控制，并在位置環(huán)控制器設(shè)計中，引入轉(zhuǎn)速反饋代替?zhèn)鹘y(tǒng)位置環(huán)PD控制中的微分量，起到抑制超調(diào)及噪聲的作用。仿真及實驗測試表明，系統(tǒng)設(shè)計簡單、性能穩(wěn)定、控制效果理想，能夠?qū)崿F(xiàn)高動態(tài)、高精度控制的同時，抑制位置反饋中的噪聲。

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