□ 楊志杰 □ 侯文國 □ 牛 祿 □ 張 波

1.上海交通大學機械與動力工程學院 上海 200240

2.上海航天動力技術(shù)研究所 上海 201109

1 設(shè)計背景

固體火箭推力矢量控制技術(shù)可以極大提高飛行器的機動性能和突防能力，使飛行器能夠執(zhí)行更復雜的任務。推力矢量控制通過調(diào)節(jié)兩個直線作動器的直線運動，實現(xiàn)擺動噴管角度的擺動。為了提高飛行器的機動性能，推力矢量控制要求直線作動器具有極高的快速響應能力，負載峰值達到2 kN以上。因此，直線作動器要求具有高集成度、快響應、大推力、高精度及強抗擾動性能［1-3］。

近年來，隨著電動伺服技術(shù)的進步，基于電動伺服系統(tǒng)實現(xiàn)推力矢量控制成為了一種可行的選擇［4］。傳統(tǒng)電動伺服系統(tǒng)中，常用絲杠與無刷直流電機通過齒輪等傳動機構(gòu)連接［5-6］。但是，在體積結(jié)構(gòu)空間與高負載等的約束下，并不能滿足要求。為此，筆者設(shè)計了一種高集成度、高功率密度的機電一體化作動器，以滿足推力矢量控制快響應、大推力、高精度的要求。筆者搭建推力矢量控制系統(tǒng)臺架模型，設(shè)計了雙通道無刷直流電機三閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字信號處理器（DSP）與可編程門陣列（FPGA）雙控制芯片，編寫控制程序，研究高速高精度控制算法及擺動噴管半實物仿真，以達到對擺動噴管的推力矢量精密控制。

2 擺動噴管伺服系統(tǒng)

在擺動噴管伺服系統(tǒng)中，兩個機電一體化作動器通過關(guān)節(jié)軸承以相互垂直的方式連接到噴管的支耳上，實現(xiàn)噴管在任意方向上的小范圍擺動，從而實現(xiàn)導彈運動方向的調(diào)節(jié)［4］。

將噴管目標擺動角分為ZOZ'平面擺動角和XOY平面擺動角，經(jīng)過位置換算為兩個機電一體化作動器的參考位移，再通過上位機對兩個作動器發(fā)送信號，驅(qū)動兩個作動器作位置跟隨運動，實現(xiàn)擺動噴管的推力矢量控制。擺動噴管伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 擺動噴管伺服系統(tǒng)

3 機電一體化作動器

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

機電一體化作動器由無刷直流電機、滾珠絲杠、線性霍爾元件、線性可變差動變壓器（LVDT）傳感器等組成，如圖2所示。無刷直流電機具有效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大等特點。滾珠絲杠具有傳動效率高等特點。線性霍爾元件具有線性度好、體積小等特點，適用于對噴管尺寸有要求的環(huán)境。LVDT傳感器具有響應速度快、線性度高、量程寬的特點。

▲圖2 機電一體化作動器

筆者設(shè)計的目標參數(shù)包括最大負載3 kN、運動位移范圍-20～20 mm等?；谝陨蠀?shù)，將滾珠絲杠置于電機轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部，省去了中間的傳動機構(gòu)，減小了系統(tǒng)的慣量，提高了傳動效率。線性霍爾元件貼在電機定子后端，用于反饋電機位置，轉(zhuǎn)子磁鋼貼于電機轉(zhuǎn)子軸表面。由于量程為-20～20 mm，采用的LVDT傳感器尺寸偏大，因此將LVDT傳感器置于電機下端，通過連接桿將滾珠絲杠位移反饋導出，從而實現(xiàn)機電一體化作動器的高集成設(shè)計。

3.2 硬件設(shè)計

在機電一體化作動器中，線性霍爾元件信號經(jīng)過處理與交直流轉(zhuǎn)換器后傳輸至TMS320F28335和EP3C25系列FPGA進行解碼，然后FPGA將位置傳輸至DSP進行速度運算。無刷直流電機的電流信號通過電流采樣電路傳輸至DSP。LVDT傳感器的位置反饋信號經(jīng)過解碼后，通過DSP外部總線接口發(fā)送至DSP。DSP將運算結(jié)果作為占空比發(fā)送至FPGA，輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）脈沖至金屬氧化物半導體場效晶體管（MOSFET）驅(qū)動電路，最終實現(xiàn)機電一體化作動器的位移控制。機電一體化作動器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

▲圖3 機電一體化作動器硬件結(jié)構(gòu)框圖

MOSFET驅(qū)動電路由信號隔離電路、自舉電路和全橋電路組成。DSP器輸出的6路PWM信號經(jīng)過信號隔離電路送入MOSFET驅(qū)動器IR2011芯片，5 V控制信號轉(zhuǎn)換為15 V驅(qū)動信號，再輸出至全橋電路，控制 6個 MOSFET開關(guān)，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動［7］。

線性霍爾元件可用于檢測無刷直流電機的絕對位置［8］，其信號處理電路如圖4所示。線性霍爾元件有4根信號線，分別為 SIN+、SIN-、COS+、COS-，對差分信號進行處理，得到相位差90°的正余弦信號。由于后級的交直流轉(zhuǎn)換器為單點元器件，因此需要將正弦信號與余弦信號進行精密整流，整個周期可以分為8個45°的區(qū)間，且每個區(qū)間內(nèi)正切信號或余切信號與角度的增量可近似為線性關(guān)系。為了使線性霍爾元件的解碼信號為360°線性信號，還需要根據(jù)正弦信號與余弦信號來判斷區(qū)間，然后取正切信號絕對值或余切信號絕對值的采樣值。區(qū)間值決定了解碼數(shù)字位置信號的高三位，將解碼數(shù)字結(jié)合，可以得到完整的數(shù)字位置信號。選用10位交直流轉(zhuǎn)換器，解碼后的電角度分辨率為13位。

圖5所示為過壓泄放電路。選用HCNR200線性光耦設(shè)計電壓檢測電路，測量直流電源電壓信號。將采樣信號與參考電壓進行比較，如果電壓大于預設(shè)的參考值，那么導通MOSFET，從而釋放電機的反電動勢，實現(xiàn)過壓泄放功能。

PWM脈沖經(jīng)過74LVC245APW芯片放大隔離后傳輸至功率板，74LVC245APW芯片引腳如圖6所示。在未使能時，芯片引腳是高阻態(tài)，確保剛通電時不會誤觸發(fā)逆變橋的功率管。剛通電時，F(xiàn)PGA的引腳處于懸浮狀態(tài)，通過R45上拉電阻使芯片的引腳處于高電平，從而使輸出引腳B端處于高阻態(tài)。設(shè)置下拉電阻，確保通電后所有PWM引腳處于低電平，不會誤觸發(fā)逆變橋的功率管。

4 控制系統(tǒng)模型

機電一體化作動器控制策略采用位置環(huán)-速度環(huán)-電流環(huán)的三閉環(huán)比例積分微分控制，控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。

根據(jù)文獻［9］，機電一體化作動器的參考位移與擺動噴管擺動角度的關(guān)系為：

式中：θ與δ為機構(gòu)擺動角；x1與x2為作動器參考位移；a、b、c、d為擺動噴管臺架中作動器的位置。

根據(jù)給定的轉(zhuǎn)動角度，經(jīng)過位移轉(zhuǎn)換算法得到機電一體化作動器的參考位移，與LVDT傳感器解碼的位置反饋信號作差，進行比例積分微分運算得到參考速度信號。反饋速度信號由線性霍爾元件信號作差所得，經(jīng)過速度環(huán)比例積分微分運算后得到參考電流信號。無刷直流電機有6種通電方式，在硬件電路中采樣電機的兩相電流，因此需要根據(jù)電機當前位置確定通電的相和電流方向，從而得到電流反饋信號，最終得到占空比控制 電機轉(zhuǎn)動［10］。

設(shè)計所采用的控制系統(tǒng)位置環(huán)頻率為 2 kHz，速度環(huán)頻率為4 kHz，電流環(huán)頻率為 20 kHz。上位機通過控制器局域網(wǎng)通信將參考位置發(fā)送至DSP，DSP根據(jù)位置驅(qū)動機電一體化作動器作跟隨運動。DSP端程序采用基于模型的設(shè)計方法［11］，在計算機軟件中搭建三閉環(huán)控制系統(tǒng)，再將模型編譯生成自動代碼直接寫入DSP中。

5 程序編寫

DSP與FPGA之間需要編寫通信程序，DSP將PWM脈沖占空比發(fā)送至FPGA，F(xiàn)PGA則將解碼的線性霍爾元件信號發(fā)送至DSP進行速度運算。硬件方面已經(jīng)將DSP的外部總線接口連接至FPGA的輸入輸出口，通過判斷地址總線上的地址，實現(xiàn)FPGA與DSP的雙向通信。

FPGA在接收到PWM脈沖占空比后，要根據(jù)占空比大小生成對應的12路PWM脈沖驅(qū)動雙通道無刷直流電機。在FPGA上編寫電機驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊采用上下計數(shù)模式，同時添加死區(qū)。將PWM脈沖占空比作為比較數(shù)值，F(xiàn)PGA通過線性霍爾元件判斷電機所在扇區(qū)的位置，確定電流方向。通正電相對應的輸入輸出口，輸出互補的PWM脈沖；通負電相對應的輸入輸出口，強制輸出低電平和高電平。

6 系統(tǒng)測試與分析

在完成機電一體化作動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工裝配后，對機電一體化作動器的性能進行測試。如圖8所示，將機電一體化作動器與力傳感器相連，測試電機推力的大小。

▲圖4 線性霍爾元件信號處理電路

▲圖5 過壓泄放采集電路

▲圖6 74LVC245APW芯片引腳

▲圖7 機電一體化作動器控制系統(tǒng)框圖

被測試電機輸出力曲線如圖9所示，可見最大推力達到3 400 N，滿足要求。

▲圖8 機電一體化作動器性能測試

▲圖9 電機推力曲線

搭建擺動噴管推力矢量控制平臺，將擺動噴管模擬臺架裝配完成，如圖10所示。輸入兩個指定角度，使機電一體化作動器進行點到點運動，實現(xiàn)位置控制。機電一體化作動器控制測試結(jié)果如圖11所示。

7 結(jié)束語

筆者設(shè)計了擺動噴管機電一體化作動器，在滿足推力矢量控制大推力、快響應的前提下，實現(xiàn)小型化、高功率密度等性能要求，能夠應用于較小的空間中。若系統(tǒng)要求行程較短，可以將位置傳感器設(shè)計于滾珠絲杠中，進一步提升一體化程度。通過對機電一體化作動器進行位置控制，可以實現(xiàn)對擺動噴管擺動方向和角度的精確控制。

▲圖10 擺動噴管模擬臺架

▲圖11 機電一體化作動器控制測試結(jié)果