王世濤, 董海迪
(1.中國(guó)人民解放軍31002部隊(duì),北京 100161;2.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院,武漢 430030)
導(dǎo)彈舵機(jī)伺服系統(tǒng)按照功率能源分為電動(dòng)伺服舵機(jī)、氣動(dòng)伺服舵機(jī)和電液伺服舵機(jī)三類(lèi)[1-2]。電動(dòng)伺服舵機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈伺服控制系統(tǒng)中,具有良好的應(yīng)用前景[3]。導(dǎo)彈電動(dòng)伺服舵機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng),屬于典型位置隨動(dòng)系統(tǒng),其控制精度直接影響到導(dǎo)彈制導(dǎo)和姿態(tài)控制精度,從而影響到導(dǎo)彈的命中精度。大力矩、高動(dòng)態(tài)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)一直是制約導(dǎo)彈電動(dòng)伺服舵機(jī)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題[4]。
本文以某型導(dǎo)彈大功率電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為依據(jù),開(kāi)展了控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)、原理樣機(jī)研制與性能實(shí)驗(yàn)等工作。論文結(jié)構(gòu)安排如下:第1節(jié)分析舵機(jī)控制系統(tǒng)組成及工作原理;第2節(jié)提出控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案;第3節(jié)提出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程;第4節(jié)詳細(xì)介紹三閉環(huán)控制算法的具體實(shí)現(xiàn);第5節(jié)通過(guò)原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試控制系統(tǒng)性能;最后是論文的總結(jié)。
舵機(jī)控制系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、主功率驅(qū)動(dòng)電路、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電機(jī)工作電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、噴管偏角等檢測(cè)傳感器組成[5],如圖1所示。
圖1 舵機(jī)控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
導(dǎo)彈電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下,彈上制導(dǎo)計(jì)算機(jī)通過(guò)總線不斷給電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送調(diào)整指令信號(hào),伺服控制器接收到調(diào)整指令信號(hào)后,經(jīng)過(guò)算法處理,控制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)噴管進(jìn)行擺動(dòng),同時(shí)伺服控制器還將調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)際測(cè)量得到的噴管偏角信號(hào)反饋回彈上制導(dǎo)計(jì)算機(jī);而當(dāng)發(fā)生故障時(shí),彈上制導(dǎo)計(jì)算機(jī)給電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送安全控制指令信號(hào),伺服控制器接收到安全控制信號(hào)后,依據(jù)預(yù)先裝訂好的程序工作,配合導(dǎo)彈的安全自毀動(dòng)作。無(wú)刷直流電機(jī)一般采用高速的PWM 控制方式進(jìn)行調(diào)速,通過(guò)輸出頻率一定,占空比可調(diào)節(jié)的PWM信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)輸入端口電壓的控制,進(jìn)而控制其轉(zhuǎn)速,從而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)彈噴管擺動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和軌跡的控制。
考慮到PID控制具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),論文采用PID控制算法設(shè)計(jì)三閉環(huán)控制器。在伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常采用典型I型和典型II型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。
舵機(jī)控制系統(tǒng)采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制策略[7],電流環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)要求是無(wú)靜差,動(dòng)態(tài)要求是迅速跟蹤期望電流變化,且不允許有太大的超調(diào),因此電流環(huán)按照典型Ⅰ型系統(tǒng)校正,電流調(diào)節(jié)器選為PI調(diào)節(jié)器,具體為:
μ(k)=Kp_I*e(k)+Ki_I*error_sum_I
式中,μ(k)為電流環(huán)輸出,Kp_I為比例調(diào)節(jié)系數(shù),Ki_I為積分調(diào)節(jié)系數(shù),e(k)為電流誤差量,error_sum_I為電流累計(jì)誤差。
速度環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)要求是無(wú)靜差,動(dòng)態(tài)要求是抗擾動(dòng)性強(qiáng),因此速度環(huán)按照典型Ⅱ型系統(tǒng)校正,速度環(huán)選用PI調(diào)節(jié)器,具體為:
μ(k)=Kp_S*e(k)+Ki_S*error_sum_S
式中,μ(k)為速度環(huán)輸出,Kp_S為比例調(diào)節(jié)系數(shù),Ki_S為積分調(diào)節(jié)系數(shù),e(k)為速度誤差量,error_sum_S為速度累計(jì)誤差。
根據(jù)位置環(huán)響應(yīng)速度快且無(wú)超調(diào)的要求,位置環(huán)應(yīng)該按典型Ⅰ型系統(tǒng)校正,因此位置環(huán)采用P調(diào)節(jié)器,具體為:
μ(k)=Kp_P*e(k)
式中,μ(k)為位置環(huán)輸出,Kp_P為比例調(diào)節(jié)系數(shù),e(k)為位置誤差量。
系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要由電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路和三閉環(huán)反饋回路組成,具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括DSP主控制單元、FPGA邏輯控制單元、功率驅(qū)動(dòng)電路、相電流測(cè)量電路、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、噴管偏角測(cè)量電路、限位等故障保護(hù)電路和1553B總線通訊接口電路等。
圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
其中,DSP作為主控制單元,在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主控制程序和3個(gè)閉環(huán)的控制算法,具體過(guò)程如下:DSP通過(guò)1553B總線與彈上計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行可靠通信,收到彈上計(jì)算機(jī)下達(dá)的噴管轉(zhuǎn)動(dòng)偏角的控制指令;同時(shí)DSP通過(guò)FPGA控制噴管偏角測(cè)量電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路和ADC模塊分別采集得到噴管的實(shí)際偏角、電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和電機(jī)相電流;控制指令和實(shí)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP內(nèi)部的三閉環(huán)控制算法運(yùn)算后輸出PWM信號(hào),驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)噴管偏轉(zhuǎn)。
1553B總線通訊接口設(shè)計(jì)采取通訊協(xié)議芯片方式實(shí)現(xiàn),F(xiàn)PGA與BU-61580的電路連接如圖3所示。BU-61580芯片工作在16位緩沖模式下,芯片在消息傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤或接收到新消息時(shí),通過(guò)INT信號(hào)申請(qǐng)中斷,F(xiàn)PGA通過(guò)查詢READYD信號(hào)來(lái)確定BU-61580芯片的工作狀態(tài),當(dāng)READYD信號(hào)為低電平時(shí)表示BU-61580芯片完成了一次讀/寫(xiě)操作。
圖3 BU-61580與FPGA連接電路
電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要采用7MBP75RJ120型功率驅(qū)動(dòng)模塊,具體電路如圖4所示。通過(guò)DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)控制功率驅(qū)動(dòng)模塊IPM內(nèi)部的IGBT,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制,同時(shí)功率驅(qū)動(dòng)模塊IPM的欠壓、過(guò)熱、過(guò)流故障信號(hào)ALMU、ALMV、ALMW和短路信號(hào)ALM通過(guò)高速光耦芯片TLP521-1傳遞給FPGA,以便發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)及時(shí)處理。
圖4 IPM模塊應(yīng)用電路
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路采用TS2620N21E11型旋轉(zhuǎn)變壓器,解碼芯片為FB9412PB型角位速度數(shù)字轉(zhuǎn)換器,分辨率5.3′,精度±7.8′,最大跟蹤速度1 000 rps,可輸出角度和速度數(shù)據(jù),其中角度輸出為0°~ 360°自然二進(jìn)制碼,速度輸出為跟蹤速度的二進(jìn)制補(bǔ)碼。具體電路如圖5所示。
圖5 FB9412PB連接電路
電流測(cè)量電路原理如圖6所示,將霍爾電流傳感器HMS 20-P的輸出Vout與參考輸出Vref兩者相減可以減小溫度對(duì)LEM影響,差值經(jīng)過(guò)2 V抬升電壓處理,轉(zhuǎn)換為正值,以4:3比例縮小后,實(shí)際輸出范圍為0~3 V,可以直接接入ADC端口。兩個(gè)二極管組成限壓保護(hù)電路,防止傳感器輸出電壓過(guò)大燒壞ADC口。
圖6 A相電流采樣電路
噴管偏角測(cè)量電路選用EQN425型多圈絕對(duì)值編碼器,最大轉(zhuǎn)數(shù)為4 096,每轉(zhuǎn)位置數(shù)為8 192(13 bits),精度為±20″,計(jì)算時(shí)間≤0.5 μs,編碼數(shù)據(jù)類(lèi)型為格雷碼,對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)為同步串行信號(hào)(SSI)。選擇SSI208P芯片作為SSI信號(hào)的接口轉(zhuǎn)并口模塊,該模塊能夠自動(dòng)將SSI數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)更新率大于100 kHz。具體電路原理如圖7所示。
圖7 SSI208P連接電路
舵機(jī)控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)主要由兩部分組成:DSP內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的主控制程序和FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的時(shí)序控制邏輯。其中,DSP主控制程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě),在CCS 3.0環(huán)境下編譯;FPGA硬線邏輯采用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě),在QuartusⅡ 9.1環(huán)境下編譯。系統(tǒng)整體軟件流程如圖8~9所示。
圖8 控制系統(tǒng)軟件流程 圖9 系統(tǒng)初始化流程
主控制程序首先進(jìn)行上電初始化和通訊自檢,初始化流程如圖9所示,主要完成DSP的基本配置,涉及到相關(guān)寄存器的讀寫(xiě)操作;1553B功能芯片子地址設(shè)置和工作模式選擇;FPGA程序從EPCS4芯片配置到主體芯片;轉(zhuǎn)子初始定位和偏角測(cè)量電路零位標(biāo)定。在開(kāi)始工作前,控制系統(tǒng)需要與制導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊自檢,保證通訊通道暢通。
控制系統(tǒng)接收到制導(dǎo)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令后,經(jīng)過(guò)FPGA指令譯碼,轉(zhuǎn)換成DSP可識(shí)別的控制信號(hào),中斷通知DSP,同時(shí)開(kāi)啟DSP的ADC采樣和轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和噴管偏角測(cè)量。DSP響應(yīng)中斷,從FPGA讀取控制指令信號(hào)和實(shí)際測(cè)量的噴管偏角及轉(zhuǎn)速信號(hào),結(jié)合ADC采樣到的相電流信號(hào),通過(guò)數(shù)字濾波處理和三閉環(huán)PID算法運(yùn)算,輸出調(diào)制PWM到FPGA。FPGA結(jié)合檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),經(jīng)過(guò)換相邏輯處理,控制六路PWM輸出,直接作用于功率驅(qū)動(dòng)模塊,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
控制器的電流、速度和位置三閉環(huán)控制算法是在DSP的XINT1外部中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的[8-9],程序流程如圖10所示。當(dāng)ADC采樣相電流結(jié)束后,就開(kāi)始執(zhí)行電流環(huán)調(diào)節(jié)程序,將上次速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流期望值計(jì)算偏差量,經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出給PWM產(chǎn)生模塊。同時(shí)Timer 1進(jìn)行計(jì)數(shù)操作,當(dāng)達(dá)到速度環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間時(shí),中斷執(zhí)行速度調(diào)節(jié)程序產(chǎn)生新的電流期望值(S_I)。圖11為電流環(huán)程序流程,其中,cnt_I表示Timer計(jì)數(shù)值,e(k)為誤差量,error_sum_I為誤差累加,u(k)為電流環(huán)輸出。
圖10 外部中斷服務(wù)程序
圖11 電流環(huán)調(diào)節(jié)程序
速度環(huán)的工作頻率是電流環(huán)頻率的十分之一,采用PI控制算法[10]。速度環(huán)調(diào)節(jié)程序運(yùn)行的同時(shí),就開(kāi)始Timer 2計(jì)數(shù)操作,如果達(dá)到位置環(huán)的調(diào)節(jié)時(shí)間,中斷執(zhí)行位置環(huán)調(diào)節(jié)程序,如果沒(méi)有達(dá)到,繼續(xù)執(zhí)行速度計(jì)算函數(shù)。算法過(guò)程為:將上次位置調(diào)節(jié)器輸出作為當(dāng)前速度期望值,計(jì)算當(dāng)前速度偏差量e(k),經(jīng)過(guò)PI算法調(diào)節(jié)后輸出更新電流環(huán)輸入。速度環(huán)程序流程如圖12所示,圖中,cnt_S表示Timer 2計(jì)數(shù)值,u(k)為速度環(huán)輸出。
圖12 速度環(huán)調(diào)節(jié)程序
位置環(huán)處于最外環(huán),計(jì)算頻率最低[11]。當(dāng)執(zhí)行位置環(huán)調(diào)節(jié)程序時(shí),DSP直接讀取FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)的調(diào)整信號(hào)和實(shí)際測(cè)量的偏角,經(jīng)比例P調(diào)節(jié)后輸出,更新速度環(huán)期望值。位置環(huán)程序流程如圖13所示。
圖13 位置環(huán)調(diào)節(jié)程序
在電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)硬件電路綜合調(diào)試和軟件控制程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建原理樣機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)舵機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進(jìn)行測(cè)試[12-14],以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。論文所搭建的樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示,主要由舵機(jī)控制器、噴管仿真實(shí)物、模擬制導(dǎo)計(jì)算機(jī)、1553B通訊總線、直流穩(wěn)壓電源、示波器和頻率信號(hào)發(fā)生器組成。
圖14 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
具體實(shí)驗(yàn)步驟為:1)采用28 V/50 A和5 V/12 A直流穩(wěn)壓電源給舵機(jī)系統(tǒng)供電;2)用頻率信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)和正弦信號(hào),分別測(cè)試舵機(jī)控制系統(tǒng)3個(gè)閉環(huán)回路是否正常工作;3)將1553B通訊板設(shè)置為總線控制工作模式,模擬制導(dǎo)計(jì)算機(jī),通過(guò)雙屏蔽電纜和總線耦合器與舵機(jī)控制系統(tǒng)的通訊接口連接,直接使用通訊板卡自帶的驅(qū)動(dòng)程序給舵機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令,同時(shí)接收系統(tǒng)反饋的實(shí)測(cè)偏角信號(hào),程序截圖如圖15所示。
圖15 1553B總線通訊實(shí)驗(yàn)程序截圖
為了測(cè)試舵機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)精度,通過(guò)1553B總線控制器給舵機(jī)系統(tǒng)發(fā)送幅值大小為±10°的階躍激勵(lì)信號(hào)[15-17],同時(shí)接收舵機(jī)系統(tǒng)在調(diào)整過(guò)程中實(shí)際測(cè)量得到的噴管偏角信號(hào),通過(guò)Matlab繪制輸入輸出信號(hào)曲線,所得結(jié)果如圖16所示。
圖16 階躍信號(hào)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線
從圖16中可以得到,系統(tǒng)在+10°階躍信號(hào)激勵(lì)下的上升時(shí)間為46 ms,調(diào)節(jié)時(shí)間為65 ms,超調(diào)量為5.2%;-10°階躍信號(hào)激勵(lì)下的上升時(shí)間為47 ms,調(diào)節(jié)時(shí)間為67 ms,超調(diào)量為5.1%,完全達(dá)到了舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)要求。
為了測(cè)試舵機(jī)控制系統(tǒng)的跟蹤性能,給系統(tǒng)施加不同頻率、幅值的正弦信號(hào)[18-20]。首先利用Matlab分別將幅值為2°和5°,頻率為1 Hz、2 Hz和5 Hz的正弦信號(hào)進(jìn)行離散化處理,通過(guò)1553B總線控制器給系統(tǒng)發(fā)送離散的正弦波激勵(lì)信號(hào),同時(shí)接收控制系統(tǒng)測(cè)量得到的噴管實(shí)際偏角輸出。系統(tǒng)在不同激勵(lì)下輸出響應(yīng)幅值、相移、最大跟蹤誤差,如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出,隨著激勵(lì)信號(hào)頻率增大,系統(tǒng)響應(yīng)輸出幅值減小、相移增大、跟蹤誤差增大;隨著激勵(lì)信號(hào)幅值增大,系統(tǒng)相移增大、跟蹤誤差增大。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。
表1 跟隨性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表
圖17 5 Hz 5°正弦激勵(lì)信號(hào)下位置跟蹤實(shí)驗(yàn)曲線
論文研究提出了一種以大功率無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象的舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,該方案采用了電流、速度、位置三閉環(huán)反饋控制設(shè)計(jì),具有輸出力矩大、響應(yīng)速度快、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)和可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)方面,提出了一種DSP和FPGA組合設(shè)計(jì)電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案,其中DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法和實(shí)時(shí)控制程序,F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制邏輯。軟件設(shè)計(jì)方面,DSP主控制程序完成系統(tǒng)初始化、三閉環(huán)控制算法和產(chǎn)生PWM信號(hào)等功能;FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能電路的時(shí)序邏輯控制。舵機(jī)控制系統(tǒng)原理樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后,依據(jù)現(xiàn)有武器系統(tǒng)測(cè)試要求,構(gòu)建了由模擬制導(dǎo)計(jì)算機(jī)、1553B總線通訊網(wǎng)絡(luò)和舵機(jī)控制系統(tǒng)組成的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的三閉環(huán)電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行,各項(xiàng)控制性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。