李紅燕，和 陽，蔡 鵬，姜春燕，徐 信

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學院，鎮(zhèn)江 212134；2.清華大學，北京 100084)

0 引 言

無人機依靠電動舵機來控制左右副翼、方向舵、升降舵和油門的定位，從而維持飛行姿態(tài)的穩(wěn)定。隨著無人機的應(yīng)用越來越廣泛，對電動舵機的結(jié)構(gòu)及性能要求也越來越高，因此研究輕量化、性能可靠的電動舵機系統(tǒng)具有重要意義。

國外，很多機構(gòu)為了實現(xiàn)無人機用電動舵機的微型化、高功率密度、高可靠性，開展了大量的試驗研究[1-3]。Futaba公司研制了一系列用于無人機舵面控制的小功率舵機[4]。Parker宇航開發(fā)出具有抗干擾容錯，可耐受高溫苛刻環(huán)境的飛行機電作動器。此外，美國空軍、海軍和NASA研制的電動作動器，結(jié)構(gòu)緊湊，在F/A-18B系列飛機上進行了測試。國內(nèi)許多高校和研究院對電動舵機的余度控制[5]、容錯設(shè)計[6]、故障診斷[7-8]等方面進行了深入研究。

本文從舵機機械結(jié)構(gòu)分析、硬件結(jié)構(gòu)搭建、控制算法和邏輯設(shè)計出發(fā)，旨在設(shè)計出滿足高功率密度、高可靠性要求的電動舵機控制系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計方案

電動舵機系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)主要包括電機、減速器、聯(lián)軸器、位置傳感器以及搖臂。電機選用盤式無刷直流電動機，體積小、質(zhì)量輕；減速器采用諧波減速器，可提高系統(tǒng)的功率密度、傳動精度以及扭轉(zhuǎn)剛度；位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡稱旋變)，配合旋變解調(diào)芯片完成舵機當前搖臂位置信號的測量與傳遞，可應(yīng)對無人操作及復雜的工作環(huán)境。電動舵機機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，其體積尺寸為110 mm×33 mm×50 mm，舵機與控制器集成于一體的布局，有效地利用了空間，提高了系統(tǒng)的集成度。

圖1 舵機機械結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計中，要實現(xiàn)電動舵機的額定扭矩為2.6N·m，最大扭矩5.8 N·m；行程范圍0～30°。階躍響應(yīng)時間短，無超調(diào)和振蕩。動態(tài)響應(yīng)速度快，輸入±3°，5 Hz的正弦信號時幅值衰減小于3 dB，相位滯后小于90°。

根據(jù)上述功能指標要求，控制器采用DSP+CPLD設(shè)計架構(gòu)，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2所示。DSP主要實現(xiàn)SCI/SPI通信、信號采集、控制律設(shè)計、輸出PWM波等功能，具有低功耗、高可靠、浮點運算速度快和電源供電簡單等優(yōu)勢。CPLD主要用于控制6個開關(guān)管的通斷，解算電機方向，限制舵機搖臂工作范圍，故障保護等。CPLD的合理應(yīng)用很大程度上減輕了DSP的工作量，簡化了外圍電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的工作效率。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 硬件電路設(shè)計

舵機控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括控制電路、 驅(qū)動電路和保護電路。

2.1 控制電路

控制電路框圖如圖3所示，控制系統(tǒng)的核心芯片為32位浮點型DSP(TMS320F28069)，是專用于電機控制的數(shù)字控制器。DSP通過RS-422通信總線接收給定位置指令，結(jié)合電流、位置采樣信號進行閉環(huán)控制，控制律的輸出通過改變PWM波的占空比實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)的輔助芯片為CPLD(LC4128)，該芯片根據(jù)PWM波，結(jié)合Hall信號完成PWM邏輯擴展，同時結(jié)合上一次Hall信號計算出電機轉(zhuǎn)速信號和方向信號用于閉環(huán)控制。

圖3 控制電路框圖

2.2 驅(qū)動電路

2.3 保護電路

系統(tǒng)擁有三層保護，分別是軟件過流保護、硬件電路保護以及IPM自帶的電路保護。圖4為過流保護框圖。DSP將電流傳感器測得的電壓值進行濾波、A/D采樣，換算成電機當前等效相電流，與設(shè)置的閾值電流進行比較。當出現(xiàn)過流時， DSP關(guān)斷PWM信號的輸出，同時給CPLD發(fā)送指令使其打開邏輯保護，實現(xiàn)軟件過流保護。

圖4 過流保護框圖

IPM自帶的電路保護是指其能夠根據(jù)內(nèi)置比較器輸出的過流信號關(guān)閉芯片驅(qū)動信號的輸出。

3 軟件設(shè)計

軟件主要由兩部分組成，一部分是在DSP內(nèi)部實現(xiàn)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的PI控制算法；另一部分是在CPLD內(nèi)部實現(xiàn)的換相、位置保護和電流保護邏輯。

3.1 DSP軟件設(shè)計

圖5是DSP軟件設(shè)計流程。首先初始化各模塊寄存器，然后開中斷，執(zhí)行各功能模塊。上位機通過RS-422總線給DSP發(fā)送給定位置指令，程序運行2 ms時間到達時，DSP給上位機發(fā)送舵機當前位

圖5 DSP軟件流程圖

置信息。DSP內(nèi)部定時器生成一個50 μs時間周期，在50 μs時間內(nèi)實時接收幀數(shù)據(jù)，當時間到達時，先對給定位置指令進行濾波去抖，再讀取當前位置、轉(zhuǎn)速、電流信號進行濾波和閉環(huán)控制律處理，通過控制律的輸出調(diào)整控制量的輸入。其中，舵機當前位置、轉(zhuǎn)速信息由旋變解調(diào)芯片測得，電機母線電流由電流傳感器測得，電機相電流由電機母線和PWM占空比解算得出。

3.2 控制策略設(shè)計

圖6是控制律設(shè)計框圖，由內(nèi)到外分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)設(shè)計。系統(tǒng)加入反饋控制來抵制外界干擾、降低建模誤差帶來的影響。為了使系統(tǒng)準確，快速地跟蹤位置指令，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差為零，位置控制器采用比例積分設(shè)計。式(1)為位置環(huán)控制律設(shè)計：

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

ωg=Kpp(θg-θf)+Kpiθerror

(1)

式中：θg為上位機發(fā)送的給定位置；θf為反饋位置；Kpp為比例參數(shù)；Kpi為誤差積分系數(shù)；θerror為誤差積分量；ωg為位置環(huán)的輸出，用作轉(zhuǎn)速環(huán)的輸入。轉(zhuǎn)速控制器采用比例算法，其控制律如式(2)所示：

ig=Kω(ωg-ωf)

(2)

式中：ωg是轉(zhuǎn)速輸入；ωf是轉(zhuǎn)速反饋；Kω是比例增益參數(shù)，ig為轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出，用作電流環(huán)的輸入。系統(tǒng)通過設(shè)計電流環(huán)來提高系統(tǒng)的剛度，采用比例算法，其控制律如式(3)所示：

Vout=Ki(ig-if)+Rig

(3)

式中：ig為電流輸入；if是電流反饋；Ki是比例參數(shù)；R是電樞繞組阻值；Vout是電機電樞電壓。

3.3 CPLD軟件設(shè)計

利用CPLD強大的邏輯編輯功能，在其內(nèi)部分別實現(xiàn)了換相邏輯、位置保護邏輯和過流保護邏輯功能。

3.2.1 換相邏輯設(shè)計

CPLD根據(jù)電機內(nèi)置霍爾傳感器測得的信號狀態(tài)，結(jié)合PWM占空比的輸出，來決定6個全橋功率管的開關(guān)，實現(xiàn)電機電子換相，其邏輯表述如下：

Q1=(PWM &&((DIR && HA &&!HB)||

(!DIR &&!HA && HB)));

Q2=((HA &&!HB)||(!HA && HB));

Q3=(PWM &&((DIR && HB &&!HC)||

(!DIR &&!HB && HC)));

Q4=((HB &&!HC)||(!HB && HC));

Q5=(PWM &&((DIR && HC &&!HA)||

(!DIR &&!HC && HA)));

Q6=((HC &&!HA)||(!HC && HA))

其中：Q1～Q6表示6個MOSFET開關(guān)管的通斷。為了減小開關(guān)管的損耗，增加系統(tǒng)可靠性，系統(tǒng)設(shè)計采用單極性PWM波調(diào)制方式。DIR是電機正反轉(zhuǎn)方向信號，DIR=1時，電機正轉(zhuǎn)。HA～HC是無刷直流電機內(nèi)部霍爾傳感器狀態(tài)信號。

3.2.2 位置保護邏輯設(shè)計

舵機工作行程范圍是0～30°，需要設(shè)計行程限制來保護被控舵面等負載。圖7為邏輯功能圖。圖7中POS1和POS2是旋變解調(diào)芯片輸出的舵機位置信號，DIR_cmd是舵機轉(zhuǎn)動方向信號。當舵機響應(yīng)超出工作行程范圍時，POS1和POS2輸出低電平，經(jīng)邏輯處理，輸出高電平給控制器開啟多層保護模式并報警。

圖7 行程限制邏輯圖

3.2.3 電流保護邏輯設(shè)計

設(shè)備工作過程中，電流過大會損壞電機，因此設(shè)計了電流保護邏輯，如圖8所示。當過流時，LIM_IA為0，PWM_out為0，CPLD關(guān)斷PWM波的輸出，電機停止運轉(zhuǎn)。當電流降至安全范圍內(nèi)時，為了防止尖峰脈沖引起控制電壓驟變，PWM_out輸出在下一次PWM上升沿來臨時才恢復正常。

圖8 過流保護邏輯圖

4 實驗結(jié)果與分析

設(shè)計中，試驗樣機選用Maxon公司生產(chǎn)的EC32電機，扁平式Φ32 mm，無刷，15 W，帶霍爾傳感器，查閱相關(guān)使用手冊可知，主要參數(shù)如表1所示，選用減速比為100∶1的減速器。

表1 試驗樣機參數(shù)

舵機空載時，通過上位機給舵機發(fā)送30°滿量程階躍輸入，實驗結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯A躍響應(yīng)延遲時間小于1 s，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，滿足空載條件下滿量程范圍內(nèi)階躍響應(yīng)要求。

圖9 30°滿量程階躍響應(yīng)圖

通過電動舵機對正弦輸入的跟蹤響應(yīng)情況來驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能。帶額定負載時，通過上位機給舵機發(fā)送頻率5 Hz、幅值±3°的正弦周期指令信號，圖10為響應(yīng)結(jié)果。實驗得出，響應(yīng)幅值達到±2.6°，幅值衰減1.24 dB，低于系統(tǒng)設(shè)計要求的3 dB；相位滯后小于90°，滿足設(shè)計要求。

圖10 5 Hz正弦響應(yīng)結(jié)果

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種無人機用機電一體化電動舵機控制系統(tǒng)。通過優(yōu)化舵機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了集成化設(shè)計；控制器以DSP+CPLD為核心，采用PI控制算法，提高了系統(tǒng)的可靠性，結(jié)合IPM驅(qū)動器，簡化了外圍電路設(shè)計。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)性能可靠，集成度高，適用于無人機系統(tǒng)。