王世濤, 董海迪

(1.中國人民解放軍31002部隊，北京 100161；2.海軍工程大學 兵器工程學院，武漢 430030)

0 引言

導彈舵機伺服系統(tǒng)按照功率能源分為電動伺服舵機、氣動伺服舵機和電液伺服舵機三類[1-2]。電動伺服舵機具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、動態(tài)響應速度快等優(yōu)點，廣泛應用于導彈伺服控制系統(tǒng)中，具有良好的應用前景[3]。導彈電動伺服舵機是一種復雜的機電一體化系統(tǒng)，屬于典型位置隨動系統(tǒng)，其控制精度直接影響到導彈制導和姿態(tài)控制精度，從而影響到導彈的命中精度。大力矩、高動態(tài)的控制系統(tǒng)設(shè)計與工程實現(xiàn)一直是制約導彈電動伺服舵機發(fā)展的瓶頸問題[4]。

本文以某型導彈大功率電動舵機控制系統(tǒng)的設(shè)計指標為依據(jù)，開展了控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計、原理樣機研制與性能實驗等工作。論文結(jié)構(gòu)安排如下：第1節(jié)分析舵機控制系統(tǒng)組成及工作原理；第2節(jié)提出控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案；第3節(jié)提出控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程；第4節(jié)詳細介紹三閉環(huán)控制算法的具體實現(xiàn)；第5節(jié)通過原理樣機實驗測試控制系統(tǒng)性能；最后是論文的總結(jié)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

舵機控制系統(tǒng)主要由伺服電機、主功率驅(qū)動電路、減速傳動機構(gòu)以及電機工作電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、噴管偏角等檢測傳感器組成[5]，如圖1所示。

圖1 舵機控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

導彈電動舵機控制系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，彈上制導計算機通過總線不斷給電動舵機控制系統(tǒng)發(fā)送調(diào)整指令信號，伺服控制器接收到調(diào)整指令信號后，經(jīng)過算法處理，控制無刷直流電機轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動噴管進行擺動，同時伺服控制器還將調(diào)節(jié)過程中實際測量得到的噴管偏角信號反饋回彈上制導計算機；而當發(fā)生故障時，彈上制導計算機給電動舵機控制系統(tǒng)發(fā)送安全控制指令信號，伺服控制器接收到安全控制信號后，依據(jù)預先裝訂好的程序工作，配合導彈的安全自毀動作。無刷直流電機一般采用高速的PWM 控制方式進行調(diào)速，通過輸出頻率一定，占空比可調(diào)節(jié)的PWM信號，實現(xiàn)對無刷直流電機輸入端口電壓的控制，進而控制其轉(zhuǎn)速，從而驅(qū)動導彈噴管擺動，最終實現(xiàn)對導彈的飛行姿態(tài)和軌跡的控制。

1.2 控制器設(shè)計

考慮到PID控制具有算法簡單、魯棒性好、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，論文采用PID控制算法設(shè)計三閉環(huán)控制器。在伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計中通常采用典型I型和典型II型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。

舵機控制系統(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)要求是無靜差，動態(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為電流累計誤差。

速度環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)要求是無靜差，動態(tài)要求是抗擾動性強，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為速度累計誤差。

根據(jù)位置環(huán)響應速度快且無超調(diào)的要求，位置環(huán)應該按典型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。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計主要由電機功率驅(qū)動電路和三閉環(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)動電路、相電流測量電路、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測電路、噴管偏角測量電路、限位等故障保護電路和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)部實現(xiàn)系統(tǒng)主控制程序和3個閉環(huán)的控制算法，具體過程如下：DSP通過1553B總線與彈上計算機之間進行可靠通信，收到彈上計算機下達的噴管轉(zhuǎn)動偏角的控制指令；同時DSP通過FPGA控制噴管偏角測量電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路和ADC模塊分別采集得到噴管的實際偏角、電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度和電機相電流；控制指令和實測信號經(jīng)過DSP內(nèi)部的三閉環(huán)控制算法運算后輸出PWM信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而帶動噴管偏轉(zhuǎn)。

2.1 1553B總線通訊接口電路

1553B總線通訊接口設(shè)計采取通訊協(xié)議芯片方式實現(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)錯誤或接收到新消息時，通過INT信號申請中斷，F(xiàn)PGA通過查詢READYD信號來確定BU-61580芯片的工作狀態(tài)，當READYD信號為低電平時表示BU-61580芯片完成了一次讀/寫操作。

圖3 BU-61580與FPGA連接電路

2.2 電機功率驅(qū)動電路設(shè)計

電機功率驅(qū)動電路設(shè)計主要采用7MBP75RJ120型功率驅(qū)動模塊，具體電路如圖4所示。通過DSP產(chǎn)生PWM信號控制功率驅(qū)動模塊IPM內(nèi)部的IGBT，實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)動控制，同時功率驅(qū)動模塊IPM的欠壓、過熱、過流故障信號ALMU、ALMV、ALMW和短路信號ALM通過高速光耦芯片TLP521-1傳遞給FPGA，以便發(fā)生故障時系統(tǒng)及時處理。

圖4 IPM模塊應用電路

2.3 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用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°自然二進制碼，速度輸出為跟蹤速度的二進制補碼。具體電路如圖5所示。

圖5 FB9412PB連接電路

2.4 電流測量電路

電流測量電路原理如圖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LEM影響，差值經(jīng)過2 V抬升電壓處理，轉(zhuǎn)換為正值，以4:3比例縮小后，實際輸出范圍為0～3 V，可以直接接入ADC端口。兩個二極管組成限壓保護電路，防止傳感器輸出電壓過大燒壞ADC口。

圖6 A相電流采樣電路

2.5 噴管偏角測量電路

噴管偏角測量電路選用EQN425型多圈絕對值編碼器，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″，計算時間≤0.5 μs，編碼數(shù)據(jù)類型為格雷碼，對應輸出信號為同步串行信號(SSI)。選擇SSI208P芯片作為SSI信號的接口轉(zhuǎn)并口模塊，該模塊能夠自動將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

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件控制流程

舵機控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計主要由兩部分組成：DSP內(nèi)部實現(xiàn)的主控制程序和FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的時序控制邏輯。其中，DSP主控制程序采用C語言編寫，在CCS 3.0環(huán)境下編譯；FPGA硬線邏輯采用Verilog語言編寫，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量電路零位標定。在開始工作前，控制系統(tǒng)需要與制導計算機進行通訊自檢，保證通訊通道暢通。

控制系統(tǒng)接收到制導計算機發(fā)送的指令后，經(jīng)過FPGA指令譯碼，轉(zhuǎn)換成DSP可識別的控制信號，中斷通知DSP，同時開啟DSP的ADC采樣和轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和噴管偏角測量。DSP響應中斷，從FPGA讀取控制指令信號和實際測量的噴管偏角及轉(zhuǎn)速信號，結(jié)合ADC采樣到的相電流信號，通過數(shù)字濾波處理和三閉環(huán)PID算法運算，輸出調(diào)制PWM到FPGA。FPGA結(jié)合檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號，經(jīng)過換相邏輯處理，控制六路PWM輸出，直接作用于功率驅(qū)動模塊，控制電機轉(zhuǎn)動。

3.2 三閉環(huán)控制算法實現(xiàn)

控制器的電流、速度和位置三閉環(huán)控制算法是在DSP的XINT1外部中斷服務程序中實現(xiàn)的[8-9]，程序流程如圖10所示。當ADC采樣相電流結(jié)束后，就開始執(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算偏差量，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出給PWM產(chǎn)生模塊。同時Timer 1進行計數(shù)操作，當達到速度環(huán)調(diào)節(jié)時間時，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)程序運行的同時，就開始Timer 2計數(shù)操作，如果達到位置環(huán)的調(diào)節(jié)時間，中斷執(zhí)行位置環(huán)調(diào)節(jié)程序，如果沒有達到，繼續(xù)執(zhí)行速度計算函數(shù)。算法過程為：將上次位置調(diào)節(jié)器輸出作為當前速度期望值，計算當前速度偏差量e(k)，經(jīng)過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)，計算頻率最低[11]。當執(zhí)行位置環(huán)調(diào)節(jié)程序時，DSP直接讀取FPGA內(nèi)部存儲的調(diào)整信號和實際測量的偏角，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

4 實驗結(jié)果與分析

在電動舵機系統(tǒng)硬件電路綜合調(diào)試和軟件控制程序設(shè)計的基礎(chǔ)上，構(gòu)建原理樣機性能測試實驗平臺對舵機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度進行測試[12-14]，以驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。論文所搭建的樣機試驗平臺如圖14所示，主要由舵機控制器、噴管仿真實物、模擬制導計算機、1553B通訊總線、直流穩(wěn)壓電源、示波器和頻率信號發(fā)生器組成。

圖14 樣機實驗平臺

具體實驗步驟為：1)采用28 V/50 A和5 V/12 A直流穩(wěn)壓電源給舵機系統(tǒng)供電；2)用頻率信號發(fā)生器產(chǎn)生標準的脈沖信號和正弦信號，分別測試舵機控制系統(tǒng)3個閉環(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，模擬制導計算機，通過雙屏蔽電纜和總線耦合器與舵機控制系統(tǒng)的通訊接口連接，直接使用通訊板卡自帶的驅(qū)動程序給舵機控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，同時接收系統(tǒng)反饋的實測偏角信號，程序截圖如圖15所示。

圖15 1553B總線通訊實驗程序截圖

4.1 系統(tǒng)快速性能測試

為了測試舵機控制系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和穩(wěn)態(tài)精度，通過1553B總線控制器給舵機系統(tǒng)發(fā)送幅值大小為±10°的階躍激勵信號[15-17]，同時接收舵機系統(tǒng)在調(diào)整過程中實際測量得到的噴管偏角信號，通過Matlab繪制輸入輸出信號曲線，所得結(jié)果如圖16所示。

圖16 階躍信號響應實驗曲線

從圖16中可以得到，系統(tǒng)在+10°階躍信號激勵下的上升時間為46 ms，調(diào)節(jié)時間為65 ms，超調(diào)量為5.2%；-10°階躍信號激勵下的上升時間為47 ms，調(diào)節(jié)時間為67 ms，超調(diào)量為5.1%，完全達到了舵機控制系統(tǒng)設(shè)計的動態(tài)響應性能指標要求。

4.2 系統(tǒng)跟蹤性能測試

為了測試舵機控制系統(tǒng)的跟蹤性能，給系統(tǒng)施加不同頻率、幅值的正弦信號[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的正弦信號進行離散化處理，通過1553B總線控制器給系統(tǒng)發(fā)送離散的正弦波激勵信號，同時接收控制系統(tǒng)測量得到的噴管實際偏角輸出。系統(tǒng)在不同激勵下輸出響應幅值、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，隨著激勵信號頻率增大，系統(tǒng)響應輸出幅值減小、相移增大、跟蹤誤差增大；隨著激勵信號幅值增大，系統(tǒng)相移增大、跟蹤誤差增大。部分實驗結(jié)果如圖17所示。

表1 跟隨性能實驗結(jié)果表

圖17 5 Hz 5°正弦激勵信號下位置跟蹤實驗曲線

5 結(jié)束語

論文研究提出了一種以大功率無刷直流電機為控制對象的舵機系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案采用了電流、速度、位置三閉環(huán)反饋控制設(shè)計，具有輸出力矩大、響應速度快、控制精度高、使用壽命長和可維護性好等優(yōu)點。硬件設(shè)計方面，提出了一種DSP和FPGA組合設(shè)計電動舵機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案，其中DSP實現(xiàn)復雜控制算法和實時控制程序，F(xiàn)PGA實現(xiàn)時序控制邏輯。軟件設(shè)計方面，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信號等功能；FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)各功能電路的時序邏輯控制。舵機控制系統(tǒng)原理樣機設(shè)計完成后，依據(jù)現(xiàn)有武器系統(tǒng)測試要求，構(gòu)建了由模擬制導計算機、1553B總線通訊網(wǎng)絡和舵機控制系統(tǒng)組成的測試系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明本文所提出的三閉環(huán)電動舵機控制系統(tǒng)設(shè)計方案可行，各項控制性能指標符合設(shè)計要求。