（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的彈體在飛行過程中同時(shí)圍繞彈軸作定速滾轉(zhuǎn)運(yùn)動。根據(jù)陀螺效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)式導(dǎo)彈相比傳統(tǒng)無旋彈在無控飛行時(shí)的彈體穩(wěn)定性大大提升，同時(shí)系統(tǒng)對于安裝誤差和推動力偏心現(xiàn)象的魯棒性得到有效改善[1]。然而為了在彈體旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生某一固定方向的等效控制力，要求舵翼以與彈旋相同的頻率持續(xù)進(jìn)行正弦式往復(fù)擺動。這就對舵機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能和控制精度提出了更高的要求。

伴隨著日益突出的導(dǎo)彈小型化、輕量化、操作簡易化、低成本的需求，彈徑在100 mm以下的小型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈已經(jīng)成為當(dāng)前各國爭相研制的熱點(diǎn)內(nèi)容。與之對應(yīng)的，對于與彈徑相匹配的、響應(yīng)速度與控制精度滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈要求的電動舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究就成為了重中之重。為滿足超小彈徑旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈對于舵控系統(tǒng)動態(tài)性能的需求，本文提出了一種采用C2000系列高性能MCU、集成H橋功率驅(qū)動芯片DRV8872的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對于電路進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)以滿足尺寸限制，并通過引入模糊PID算法顯著改善了舵機(jī)動態(tài)性能。經(jīng)實(shí)物性能測試，本方案有效縮小了系統(tǒng)體積，滿足了動態(tài)特性設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 彈載電動舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)原理

從本質(zhì)上說，舵機(jī)是一種經(jīng)典的位置伺服控制系統(tǒng)[2]。舵機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，舵機(jī)作為被控對象由直流有刷電機(jī)、減速齒輪組、傳動機(jī)構(gòu)、舵翼、角度傳感器等組成，一部直流電機(jī)同時(shí)驅(qū)動兩片舵翼，分別安裝在彈首相對的兩側(cè)。

圖1 舵機(jī)系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Rudder system overall block diagram

針對小型旋轉(zhuǎn)彈彈上工作環(huán)境，本方案采用單通道控制以減小舵系統(tǒng)體積?？刂品绞讲扇≌覕[式控制率，舵機(jī)控制系統(tǒng)采取輸出脈寬調(diào)制（PWM）波形的方式對減速電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。以電位器作為舵片偏轉(zhuǎn)角度檢測元件，核心控制邏輯為基于離散PID算法的位置閉環(huán)反饋控制。舵機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)要求如表1所示。

表1 舵機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)要求Tab.1 Rudder design indicator

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)二次電源轉(zhuǎn)換、串行總線通信、控制信號生成與放大、電位器信號采樣等功能，分為電源、控制和驅(qū)動三部分來實(shí)現(xiàn)。器件選型及電路設(shè)計(jì)以小型化、高精度、低功耗為原則進(jìn)行。

2.1 電源模塊

電源單元由輸入濾波電路、LDO電壓轉(zhuǎn)換電路、輸出濾波電路等部分構(gòu)成。電源實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2 電源實(shí)現(xiàn)方案Fig.2 Power implementation

電源單元將外部輸入的+5 V及+12 V直流電壓作濾波穩(wěn)壓處理，并將+5 V經(jīng)LDO單元降壓穩(wěn)定為+1.8 V及+3.3 V供各數(shù)字芯片使用；將+12 V經(jīng)LDO單元降壓穩(wěn)定為+3.3 V供光耦隔離模塊使用。對于電源穩(wěn)定性及帶載能力具體要求為+5 V、+1.8 V及+3.3 V，電壓精度小于±5%，額定電流大于200 mA，電壓紋波小于50 mV；+12 V電壓精度小于±10%，額定電流大于500 mA，電壓紋波小于80 mV。

在所有電源相關(guān)輸出引腳及輸入引腳均就近放置去耦、旁路電容，另外在+5 V與+12 V輸入端放置大容量鉭電容作為板級去耦。為防止電機(jī)運(yùn)作產(chǎn)生的電磁噪聲經(jīng)電源耦合進(jìn)入控制電路造成干擾，必須對低壓和高壓供電電路的電源線及地線進(jìn)行嚴(yán)格電氣隔離。實(shí)際電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 Power module schematic diagram

電壓輸出使用2個(gè)LDO芯片來實(shí)現(xiàn)。在電源各路輸出端外部均放置由電感、電容組成的“π”型濾波器進(jìn)行二次濾波處理，確保輸出紋波電壓滿足要求[3]。ADC基準(zhǔn)電壓由專門的電壓參考芯片REF3140提供。與ADC相關(guān)的所有零電位均視為模擬地，與數(shù)字地之間通過鐵氧體磁珠電感隔離，起到降低高頻噪聲串?dāng)_的作用。

2.2 控制模塊

控制電路以DSP為處理核心，實(shí)現(xiàn)總線通信、指令判讀與反饋、舵面位置檢測、模糊PID運(yùn)算等功能。控制模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制模塊框圖Fig.4 Control module block diagram

控制單元通過RS422串行總線與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)進(jìn)行異步通信，工作在全雙工狀態(tài)。串行總線收發(fā)器采用MAX3462，通過RS422串行差分總線與上位機(jī)進(jìn)行在線數(shù)據(jù)交換，通信頻率為921600 b/s。差分總線具有良好的抵抗電源干擾的能力。

處理器作為舵控系統(tǒng)的核心，采用德州儀器高性能MCU TMS320F28035，其特點(diǎn)為高達(dá)60 MHz的工作頻率，具有豐富的片上資源，并特別為實(shí)時(shí)控制進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可同時(shí)輸出多達(dá)四路高精度PWM控制信號。出于小型化設(shè)計(jì)要求，選擇了該系列尺寸最小的56引腳VQFN封裝 （超薄無引線四方扁平封裝），平面尺寸僅為6.75 mm×6.75 mm。

為減輕MCU工作壓力，同時(shí)提升反饋信號采樣精度，采用外掛高精度ADC的方式進(jìn)行電位計(jì)模擬信號采集。AD采樣芯片采用德州儀器SAR型精密16位傳感器ADS8319，采樣率高達(dá)500 kS/s，電壓分辨率達(dá)0.06 mV。ADC通過SPI總線與MCU進(jìn)行在線數(shù)據(jù)交換。

控制模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

2.3 驅(qū)動模塊

舵機(jī)驅(qū)動單元接收舵機(jī)控制單元產(chǎn)生的PWM脈寬調(diào)制信號，驅(qū)動功率H橋電路，控制電機(jī)推動舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動。為確保PWM信號由控制單元向驅(qū)動單元的單向傳輸，避免因電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高頻噪聲反向耦合，在兩單元間采用高速光耦進(jìn)行隔離。

調(diào)研報(bào)告用戶畫像顯示，知識付費(fèi)人群與出版社的讀者人群高度重合。移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，正在改變?nèi)祟惖拈喿x習(xí)慣。新的技術(shù)及閱讀習(xí)慣并不會導(dǎo)致書籍的消失，因?yàn)榧夹g(shù)影響了需求，需求也影響了技術(shù)，它們只是相互影響，相互迭代。書籍作為社會和科學(xué)知識傳播基石的地位沒有改變，但是書的形態(tài)在未來會是多樣的，而不再拘泥與紙質(zhì)書。互聯(lián)網(wǎng)知識付費(fèi)產(chǎn)品正在向傳統(tǒng)出版業(yè)發(fā)起沖擊，試圖開拓近700億的圖書市場。因此，傳統(tǒng)出版業(yè)必須積極主動出擊，應(yīng)對這場變革，抓住機(jī)遇，以避免被時(shí)代淘汰。

驅(qū)動電路設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。高速隔離光耦采用東芝TLP2161，隔離電壓為2500 Vrms，共模瞬態(tài)抗擾度20 kV/μs，電平轉(zhuǎn)換速率為15 MBd。

電機(jī)驅(qū)動器采用德州儀器單通道H橋直流電機(jī)驅(qū)動器DRV8872。該驅(qū)動器通過4個(gè)N溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙向控制，運(yùn)行峰值電流高達(dá)3.6 A。在電流衰減模式下，可通過輸入脈寬調(diào)制（PWM）波形的方式調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)兩路輸入均被置為低電平，DRV8872將進(jìn)入休眠模式，有利于減少功耗。DRV8872還具備電流調(diào)節(jié)功能，能夠?qū)⑤敵鲭娏飨拗圃谀骋凰剑鸬浇档凸?、防止電機(jī)燒毀的作用。該驅(qū)動器無需大容量電容來維持電壓穩(wěn)定，對于舵機(jī)這種需要電機(jī)反復(fù)啟動和停止的應(yīng)用場景十分有益。

3 軟件與算法設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)422總線通訊、AD轉(zhuǎn)換信號讀取、模糊控制算法實(shí)現(xiàn)、PWM信號輸出等功能。軟件工作主流程如圖7所示。

RS422總線通信采用中斷接收、輪詢發(fā)送的方式工作，僅在上位機(jī)指令到達(dá)時(shí)進(jìn)入中斷讀取，避免長時(shí)間占用MCU計(jì)算周期。

AD采樣子程序在每次執(zhí)行PID控制前在線讀取緩存中最新的角度傳感器信號，保證了角度控制的準(zhǔn)確性。

控制算法以離散式模糊PID作為算法核心，結(jié)合旋轉(zhuǎn)彈正弦控制率，將每個(gè)正弦周期等分為60個(gè)位置點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)執(zhí)行次PID運(yùn)算，其中n為導(dǎo)彈自旋轉(zhuǎn)速。通過算法結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將相鄰兩次PID間隔時(shí)間壓縮到500 μs，確保了控制精度及正弦曲線的平滑度。

3.1 舵機(jī)-上位機(jī)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

圖5 控制模塊原理圖Fig.5 Control module schematic diagram

協(xié)議同時(shí)規(guī)定，舵機(jī)在每執(zhí)行一次PID后也會向上位機(jī)回傳執(zhí)行結(jié)果。該回傳數(shù)據(jù)包括舵機(jī)狀態(tài)、控制指令編號、控制相位指令、PID執(zhí)行次數(shù)、AD采樣結(jié)果等內(nèi)容。舵機(jī)測試軟件可以根據(jù)此回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行動、靜態(tài)性能測試，實(shí)際飛行試驗(yàn)中飛控計(jì)算機(jī)將舵機(jī)回傳數(shù)據(jù)另行存儲，從而在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分析還原舵機(jī)實(shí)際執(zhí)行情況。

圖6 驅(qū)動模塊原理圖Fig.6 Drive module schematic diagram

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

3.2 模糊PID控制算法

針對傳統(tǒng)離散型PID單一的特征參數(shù)較難滿足旋轉(zhuǎn)彈轉(zhuǎn)速變化范圍大、動態(tài)響應(yīng)要求迅速，且系統(tǒng)模型不確定的問題，在傳統(tǒng)PID算法基礎(chǔ)上引入了模糊PID智能控制算法[5]。該算法將系統(tǒng)誤差及誤差變化率作為控制量，通過模糊化與去模糊化過程，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工作過程中PID參數(shù)的在線動態(tài)整定。

4 實(shí)物性能測試

舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖8所示?？刂齐娐芳稍谝粔K六層PCB板上，可實(shí)現(xiàn)單通道舵機(jī)的位置反饋與控制驅(qū)動，并能與上位機(jī)通過RS422接口建立異步串行通信。

圖8 電動舵機(jī)控制電路Fig.8 Electric rudder control circuit

利用圖9所示的舵機(jī)動態(tài)性能測試軟件對于舵機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，產(chǎn)生如表2的測試報(bào)告。

圖9 舵機(jī)性能測試軟件Fig.9 Rudder performance test software

表2 舵機(jī)動態(tài)測試報(bào)告Tab.2 Rudder performance test report

測試結(jié)果表明，基于本方案設(shè)計(jì)的舵機(jī)控制系統(tǒng)滿足了系統(tǒng)動、靜態(tài)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)。在表征動態(tài)特性的時(shí)域特性方面，離散型模糊PID算法的加入顯著改善了系統(tǒng)的上升時(shí)間與超調(diào)量[6]，使得本套電動舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案極其適合電機(jī)反復(fù)啟停、正反轉(zhuǎn)連續(xù)切換、伺服跟隨性能要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景。

5 結(jié)語

本文從模塊化設(shè)計(jì)的思路出發(fā)，提出了一種適用于小型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的電動舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過在硬件上選取高性能MCU、AD轉(zhuǎn)換芯片、功率驅(qū)動芯片，在軟件上采用模糊PID智能控制算法、優(yōu)化控制邏輯、降低系統(tǒng)間通信頻率的方式，實(shí)現(xiàn)了小型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈對于舵控系統(tǒng)高動態(tài)特性的設(shè)計(jì)要求。本文的研究成果經(jīng)過靜態(tài)測試、轉(zhuǎn)臺試驗(yàn)的驗(yàn)證，展現(xiàn)出了良好的動態(tài)特性，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。