董峰 張宗鮮 陳映文

摘要：本文主要介紹了某型飛機的方向舵調(diào)整片操縱裝置的研究成果，首先通過數(shù)學(xué)模型的建立對系統(tǒng)特點進行分析，然后采用經(jīng)典的尸舊算法實現(xiàn)位置、速度雙閉環(huán)的控制方式，從而達到用戶要求的功能要求和性能要求。在本文中以多種形式詳細介紹了設(shè)計、實現(xiàn)過程，并通過試驗驗證來說明對技術(shù)指標(biāo)的滿足性。

關(guān)鍵詞：方向舵調(diào)整片操縱裝置;位置閉環(huán);速度閉環(huán);PID

中圖分類號：V24 文獻標(biāo)識碼：A

結(jié)合某型飛機對飛行控制系統(tǒng)中方向舵調(diào)整片操縱裝置的改進，提升方向舵調(diào)整片操縱裝置的控制可靠性、步長控制精度、電磁兼容性等能力，實現(xiàn)了方向舵調(diào)整片操縱裝置在步進式工作方式中對速度和位移量的精準(zhǔn)控制。

1 概述

方向舵一般安裝在垂直尾翼的后部，當(dāng)需要控制飛機的航向時，飛行員就可以通過腳蹬操縱垂直尾翼中的方向舵達到偏航目的。

方向舵調(diào)整片操縱裝置屬于某型飛機飛行控制系統(tǒng)中的方向舵操縱系統(tǒng)，是方向舵操縱系統(tǒng)的配套產(chǎn)品。主要包括控制盒和電動機構(gòu)兩部分，如圖1所示。

方向舵調(diào)整片操縱裝置主要實現(xiàn)的功能為：控制調(diào)整片電動機構(gòu)工作，使方向舵調(diào)整片偏轉(zhuǎn)，卸掉或減小駕駛員的腳蹬力;向飛行控制系統(tǒng)提供方向舵調(diào)整片位置信號;向飛行控制系統(tǒng)提供方向舵調(diào)整片中立位置指示信號。

2 系統(tǒng)分析過程

方向舵調(diào)整片操縱裝置是一個行程、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制指令，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)，使電動機構(gòu)按照規(guī)定的作動方式（步進式）和作動速度作動至相應(yīng)位置，達到行程閉環(huán)控制目的，同時向飛機發(fā)動機指示和機組警告系統(tǒng)（EICAS）提供電動機構(gòu)的行程位置信號，以便指示電動機構(gòu)的當(dāng)前行程位置。當(dāng)電動機構(gòu)在中立位置亮區(qū)時，燃亮中立位置信號燈。

首先對控制系統(tǒng)進行建模，控制模型由式（1）引出：

s=vt，t≤a;當(dāng)t=a時，s=s₁（1）式中：s為電動機構(gòu)行程;v為電動機構(gòu)作動速度;t為作動指令持續(xù)時間，a為最大脈動步長s₁作動所需要的時間。

對于式（1）中祍s、v、t、a4個控制變量，在通過采集輸入作動指令來精確控制變量t和a以外，還通過對無刷電機進行調(diào)速控制（速度環(huán)），精確控制變量v，使無刷電機工作在速度閉環(huán)狀態(tài)，提高電動機構(gòu)工作速度準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，從而使變量s得到較好的結(jié)果。與此同時，在速度閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加外環(huán)控制，通過對電動機構(gòu)行程進行直接閉環(huán)控制（行程環(huán)），最終實現(xiàn)對輸出變量：，即電動機構(gòu)行程的精確控制。

3 設(shè)計過程

根據(jù)模型分析結(jié)果確立系統(tǒng)的控制策略和控制對象。

飛機發(fā)送伸出/收回工作指令給控制盒?？刂坪兄袑⒐ぷ髦噶顝碾x散量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號處理器（DSP）可處理的數(shù)字信號。DSP對信號進行數(shù)據(jù)處理后，DSP按要求（行程和速度）給出電機控制信號，控制電機動作，輸出軸帶動連桿機構(gòu)伸出、收回從而來控制方向舵調(diào)整片的偏轉(zhuǎn)角度。同時，電動機構(gòu)給出位置反饋信號至控制盒，經(jīng)控制盒綜合處理后，再傳送至飛機EICAS系統(tǒng)，完成整個控制過程。此外，當(dāng)電動機構(gòu)作動至中立位置時，燃亮中立位置信號燈。

3.1 控制策略

3.1.1 行程環(huán)

位移傳感器的反饋信息被應(yīng)用于對電動機構(gòu)，進行行程閉環(huán)控制?？刂坪型ㄟ^對行程差進行實時采集，當(dāng)行程差值達到要求最大步長時，對電機進行制動，精確控制電動機構(gòu)最大步長。行程閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖如圖2所示。

3.1.2 速度環(huán)

當(dāng)接收到作動指示時，控制盒根據(jù)作動指令控制電機啟動，同時通過霍爾傳感器對電機運行速度進行實時測量，并對其進行速度調(diào)節(jié)，達到電機運行速度的閉環(huán)精確控制[1]，保證電機運行速度準(zhǔn)確、平穩(wěn)，從而使電動機構(gòu)以一致的運行速度進行作動。當(dāng)作動指令取消，電機也能夠以一致的轉(zhuǎn)速進行制動，從而保證停止的精準(zhǔn)度。根據(jù)方向舵調(diào)整片操縱裝置輸出速率的要求和電動機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，對傳動系統(tǒng)的減速比進行計算，得到電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)的要求值為5800r/min，速度閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖如圖3所示。

3.2 電動機構(gòu)

電動機構(gòu)是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，其內(nèi)部包含了無刷直流電動機（BLDCM）、減速器、輸出軸組件、霍爾傳感器和極限開關(guān)等[2]。無刷直流電動機用于動力輸出，減速器和輸出軸組件用于動力傳輸，將電機的旋轉(zhuǎn)工作方式轉(zhuǎn)換成電動機構(gòu)的直線位移工作方式?；魻杺鞲衅饔糜陔姍C換向和轉(zhuǎn)速采樣、位移傳感器用于位置信息的反饋，極限開關(guān)用于行程限位。電動機構(gòu)的組成及功能圖如4所示。

3.3 控制盒

控制盒以TI公司DSP芯片TMS320 F2812為控制核心，采用C語言作為程序控制語言，控制盒通過DSP控制，采集電機轉(zhuǎn)速和電動機構(gòu)的位移反饋量，閉環(huán)控制電機的轉(zhuǎn)速輸出，驅(qū)動電動機構(gòu)工作。

硬件電路設(shè)計充分考慮電源特性設(shè)計和電磁兼容特性設(shè)計，由控制、驅(qū)動、電源等部件組成?？刂平M件由DSP最小系統(tǒng)、數(shù)模（AD）轉(zhuǎn)換電路、EICAS信號電壓輸出電路、中立位置指示電路等組成;驅(qū)動組件由離散/開關(guān)量輸入輸出電路、光耦隔離電路、無刷電機驅(qū)動電路等組成;電源組件由電源輸入處理電路、二次電源電路等組成。

控制盒通過DSP芯片TMS320F2812的磁帶訪問端口（CAP）捕獲無刷直流電動機上霍爾元件的高速脈沖號頻率，檢測電機的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)轉(zhuǎn)速大小改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號輸出值，以達到速度閉環(huán)的控制目的。

TMS320F2812集成了PWM發(fā)生器端口，可直接通過I/O口輸出PWM波形。PWM波形的參數(shù)設(shè)置根據(jù)事件管理器EVA、EVB的參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)，包含PWM波形的工作方式、頻率、占空比等。定時器控制寄存器的控制字來設(shè)定PWM工作方式和頻率，通過調(diào)整比較寄存器的數(shù)值來改變PWM占空比。

該系統(tǒng)的電機驅(qū)動電路與傳統(tǒng)分立式三相全橋開關(guān)驅(qū)動電路不同，而是采用了WBC02-10電機驅(qū)動模塊，將三相全橋開關(guān)電路封裝在驅(qū)動模塊內(nèi)，如圖5所示?；魻杺鞲衅髦苯优c驅(qū)動模塊連接，實現(xiàn)電機三相全橋開關(guān)電路的換向驅(qū)動，便可增加電機運行的穩(wěn)定性。

4 軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計，由主程序、定時中斷服務(wù)程序和捕獲中斷服務(wù)程序組成。主要完成初始化、指令采集、位置采集、轉(zhuǎn)速采集、PID算法及調(diào)速控制、調(diào)節(jié)位置控制、中立位置點燈，機內(nèi)自檢測（BIT）等模塊。程序的主要功能流程如圖6所示。

在軟件的所有功能模塊中，其電機的調(diào)速閉環(huán)控制為核心功能，因此以下主要介紹系統(tǒng)中的電機轉(zhuǎn)速采集、PID算法及調(diào)速控制功能。

4.1 PWM波形設(shè)置

PWM波形的參數(shù)設(shè)置可根據(jù)事件管理器EVA、EVB的參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)，包含PWM波形的工作方式、頻率、占空比等。通過設(shè)定定時器中控制寄存器的控制字來確定PWM工作方式和頻率，通過調(diào)整比較寄存器的數(shù)值來改變PWM占空比，輸出可變的PWM占空比波形，如圖7所示。

圖中定時器T1工作于連續(xù)增計數(shù)模式，通過TlPR設(shè)置PWM周期，一個周期為（T1PR+1）個定時器時鐘時間（定時器的時鐘頻率為TCLK*10⁶Hz）。通過T 1 CMPR設(shè)置高占空比。

根據(jù)PWM產(chǎn)生的原理，可以得出PWM波形的各個參數(shù)：

T=（TIPR+1）/（TCLK×10⁶）s（2）

f=（TCLK×10⁶）/（T1PR+1）Hz（3）

D=（TlPR+1-TICMPR）/（TIPR+1）（4）

該系統(tǒng)設(shè)計時采用的外部晶振為30MHz，高速外設(shè)時鐘HSPCLK頻率設(shè)置與外部晶振相同。定時器T1為設(shè)置連續(xù)增計數(shù)模式，PWM的頻率要求為20kHz。根據(jù)式（3）可計算得知TIPR=1499;再根據(jù)式（3）、式（4）可得到該系統(tǒng)閉環(huán)控制中不同占空比D所對應(yīng)的T1CMPR值。

PWM的初始化所對應(yīng)寄存器設(shè)置如下：

EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2;

//2為連續(xù)增計數(shù)模式

EvaRegs.T1CON.bit.TPS=0;

//TlCLK=HSPCLK/2p（p=0）

EvaRegs.GPTCONA.bit.TlPIN=1;

//設(shè)置低電平有效

EvaRegs.TlPR=1499;

//30M/1500=20KHz，PWM周期為50us

EvaRegs.T1CMPR=500;

//PWM低電平為33.3%，高電平為66.7%

4.2 電機轉(zhuǎn)速采集-霍爾傳感器的捕獲

轉(zhuǎn)速的測量方法很多，根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有測頻法（M法）、測周期法（T法）和頻率周期法（MPT法），由于該系統(tǒng)為步長控制，每次運行的時間最大約為3s，故采用了測頻法（M法）[3]。

由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：

n=60/PT（5）式中：n為電機轉(zhuǎn)速，P為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，T為輸出方波信號周期，根據(jù)公式即可計算出電機的轉(zhuǎn)速。

該系統(tǒng)電機上安裝有三個霍爾傳感器A、B、C，一對磁體，故電機轉(zhuǎn)一圈每個霍爾傳感器只可產(chǎn)生一個脈沖，通過DSP的事件管理器的捕獲單元捕獲霍爾傳感器的A相管腳的電平變化，兩次電平變化的時間差即為電機旋轉(zhuǎn)一圈的時間，通過公式：30×10⁶/32×60/時間差（其中30×10⁶為系統(tǒng)晶振頻率，32為系統(tǒng)分頻，60為秒轉(zhuǎn)化為分鐘），計算出電機轉(zhuǎn)速。

T2定時器捕獲的初始化設(shè)置如下：

EvaRegs.T2PR=0xFFFF;

//T2計數(shù)周期

EvaRegs.T2CNT=0;

//定時器2計數(shù)寄存器清零

EvaRegs.T2CON.a11=0;

//定時器2控制寄存器初值為0

EvaRegs.T2CON.bit.TMODE=2;

//連續(xù)增模式

EvaRegs.T2CON.bit.TPS=5;

EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE=1;

//使能T2計數(shù)

EvaRegs.CAPCONA.all=0;

//捕獲控制寄存器

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12EN=1;

//使能CAP12捕獲

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAPlEDGE=1;

//刀檢測上升沿

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12TSEL=0;

//CAP1選擇定時器T2

EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIF0=0;

//CAPIFIFO空

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1，

//清CAP1中斷標(biāo)志位

EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1;

//CAP1中斷使能

根據(jù)捕獲程序的初始化設(shè)置，將定時器T2控制寄存器T2CON的TPS的值設(shè)置為5，故T2CLK=HSPCLK/32=30/32MHz。

結(jié)合式（5）可得到電機轉(zhuǎn)速為：

Speed=60*T2CLK*10⁶/k=56250000/k;

//k=CAP_K1-CAP_K2;

T2定時器捕獲中斷程序如下：

interrupt void CAPINT1_ISR（void）

{

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAPlINT=1;

//清CAP1中斷標(biāo)

EvaRegs.T2CNT=0;

//定時器2計數(shù)寄存器清零

CAP_K1=EvaRegs.CAPlFIF0;

CAP_K2=EvaRegs.CAP1FIF0;

//讀寄存器內(nèi)兩次的計數(shù)值

if（CAP_K2>CAP_K1）

{//計算捕獲數(shù)值

k=CAP_K2-CAP_K1;

}

else

{

k=CAP_K2+（OxfffF-CAP_K1）;

}

Speed=56250000/（float）k;

//計算轉(zhuǎn)速

}

4.3 PWM占空比的調(diào)節(jié)-PID調(diào)速算法

該程序中采用的PID算法來調(diào)節(jié)PWM的占空比，進行電機調(diào)速。

根據(jù)PID位置算法公式：式中：凡、凡、戈為比例、微分、積分系數(shù)。通過PID算法PWM波占空比的調(diào)節(jié)使得電機速度保持在要求的5800r/min左右。

具體調(diào)速程序如下：

void Tiaosu（void）

{

ActSpeed=Speed;//速度實際值=Speed

Err=5800-ActSpeed;

//偏差值=5800-速度實際值

PWM_Err-Kp*Err+Kd*（Err-Err_last）;

//PWM偏差值

Err_last=Err;

//偏差值作為上一個偏差值

SetSpeed=PWM-PWM_Err;

//速度設(shè)定值=PWM-PWM偏差值

if（（SetSpeed>=1）&&（SetSpeed<=1499））

//速度設(shè)定值在有效范圍內(nèi)

{

PWM=（int）SetSpeed;

//PWM的值=速度設(shè)定值

}

}

5 試驗驗證

針對產(chǎn)品的技術(shù)要求，在額定工作電壓額定負(fù)載狀態(tài)下對產(chǎn)品電機轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)電流、負(fù)載轉(zhuǎn)矩[4]、行程精度等參數(shù)進行了測量，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。某試驗波形如圖8所示。

通過采用雙閉環(huán)控制以及數(shù)字調(diào)速，實現(xiàn)在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式下，電機在各種負(fù)載、不同供電電壓范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速能夠保持恒定，轉(zhuǎn)速差在100r內(nèi)，行程誤差可小于0.1mm，具有良好的一致性。

6 結(jié)論

通過在系列產(chǎn)品上的改進實施，提高了系統(tǒng)控制精度，保證方向舵調(diào)整片操縱裝置在飛機上復(fù)雜的工作環(huán)境中，當(dāng)供電電源在18～32V電壓大范圍變化時，系統(tǒng)均能穩(wěn)定的保持恒速工作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。

參考文獻

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