鄭 悅，姚惟琳，侯 超，張 磊，張金娜

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

隨著我國(guó)航天器對(duì)功率的需求越來(lái)越大，傳統(tǒng)的剛性、半剛性太陽(yáng)翼很難在保證足夠大展開(kāi)面積的同時(shí)滿(mǎn)足收攏包絡(luò)要求，根據(jù)空間站飛行器的需求，提出了具有展收功能的柔性太陽(yáng)電池翼，其具有重量輕、比功率高的特點(diǎn)[1]，空間站太陽(yáng)電池翼與載人航天一期、二期相比，在展開(kāi)方式上由原來(lái)的無(wú)源展開(kāi)變?yōu)轵?qū)動(dòng)器控制的有源展開(kāi)，在柔性太陽(yáng)電池翼有源展開(kāi)過(guò)程中，伸展機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)柔性太陽(yáng)電池翼展開(kāi)的核心機(jī)構(gòu)，伸展機(jī)構(gòu)的展開(kāi)與收攏過(guò)程復(fù)雜、內(nèi)外部負(fù)載擾動(dòng)比較大，屬于高擾動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)需要平穩(wěn)的速度，同時(shí)考慮到控制系統(tǒng)的小型化及集成化，因此該文設(shè)計(jì)了基于單片反熔絲型FPGA 實(shí)現(xiàn)PID 速度和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[2-5]，削弱擾動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并采用無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件[6-9]，考慮到長(zhǎng)期在軌、多次的收展要求，采用旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行換相和控制。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，主要包括通信處理模塊、雙閉環(huán)PID 控制模塊、電流采集模塊及旋變速度計(jì)算模塊。該系統(tǒng)的工作方式如下:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1）通過(guò)串口RS422 發(fā)送總線控制指令，經(jīng)過(guò)FPGA 內(nèi)部的通信處理模塊，完成數(shù)據(jù)鏈路層、服務(wù)層及應(yīng)用層的解析，將控制參數(shù)輸出給雙閉環(huán)PID控制模塊。

2）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，電流采集模塊完成AD574芯片的控制及繞組電流的采集，測(cè)速模塊完成旋變AD2S80 位置數(shù)據(jù)的采集同時(shí)完成當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的計(jì)算。

3）電機(jī)的啟動(dòng)采用階梯波形，轉(zhuǎn)速逐級(jí)上升，制動(dòng)方式采用直接停轉(zhuǎn)，當(dāng)收到停轉(zhuǎn)指令或到位開(kāi)關(guān)后立即停轉(zhuǎn)。

2 主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 通信處理模塊

通信接口芯片采用26C31、26C32 接口芯片，通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谛问綖楫惒絉S422[10-11]，主要包括串口數(shù)據(jù)鏈路收發(fā)功能及服務(wù)層拆組幀功能，串口數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)串行通信的異步RS422 標(biāo)準(zhǔn)及每個(gè)字節(jié)的傳輸格式，完成字節(jié)的緩存。對(duì)接收到的服務(wù)層幀數(shù)據(jù)的合法性進(jìn)行判斷，并實(shí)現(xiàn)拆幀功能，解析得到相應(yīng)的控制指令，同時(shí)將遙測(cè)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，并將組幀的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)鏈路收發(fā)模塊，按字節(jié)傳輸格式進(jìn)行發(fā)送。

2.2 電流采集模塊

該模塊完成直流有刷電機(jī)母線電流的采集，芯片采用AD574，選用手冊(cè)“STAND-ALONE”模式中的“低脈沖”形式，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)電流閉環(huán)周期內(nèi)完成4次ad 采樣求平均處理后，將12 位數(shù)據(jù)輸出給閉環(huán)控制模塊，閉環(huán)控制周期為208.333 μs，因此完成一次ad 采樣的時(shí)間不能超過(guò)52 μs,保證AD574 輸出數(shù)據(jù)的可靠性，采樣時(shí)刻設(shè)置大于51.33 μs，采樣時(shí)序控制如圖2 所示。

圖2 電流采樣控制時(shí)序

將4 次采樣的數(shù)據(jù)求和，為防止溢出，設(shè)置求和寄存器（r_s_ad_da）為14 位，同時(shí)為了提高電流采集精度，將上一電流閉環(huán)周期的低2 位數(shù)據(jù)與該次求和寄存器中的低2 位數(shù)據(jù)相加，若發(fā)生進(jìn)位，則對(duì)高12 位數(shù)據(jù)加1，否則不加，并將該次低2 位求和值保存至下一次校準(zhǔn)使用，最終輸出校準(zhǔn)后的12 位電流數(shù)據(jù)（r_ad_da）到端口。

2.3 旋變速度計(jì)算模塊

該模塊完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置采集，同時(shí)根據(jù)相鄰兩次采集的旋變數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，并根據(jù)旋變角度值，輸出對(duì)應(yīng)的模擬霍爾信號(hào)到PWM 信號(hào)產(chǎn)生模塊。位置采集芯片選擇AD2S80，設(shè)置為16 位模式，每1 LSB 為0.005 5°。首先根據(jù)芯片手冊(cè)，在busy 信號(hào)下降沿后，完成16 位旋變數(shù)據(jù)的鎖存。

FPGA 計(jì)算速度模塊采用定時(shí)查找角度的方式來(lái)求解速度[12]，計(jì)算頻率設(shè)置為4.8 kHz，伸展機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速計(jì)算如式（1）所示：

其中，f=4.8 kHz。

FPGA 采集的數(shù)字量與角度θ之間的關(guān)系如式（2）所示：

其中，X為經(jīng)AD2S80 轉(zhuǎn)化后，F(xiàn)PGA 采集到的數(shù)字量。

其中，|Xi-Xi-1|為兩次旋變采集數(shù)字量之差。

因此，旋變采集模塊調(diào)用一次乘法器模塊，并將得到的結(jié)果進(jìn)行右移8 位操作，完成除法運(yùn)算，即可得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

為了提高計(jì)算的速度值的可靠性，同時(shí)對(duì)計(jì)算獲得的速度進(jìn)行16 個(gè)數(shù)滑動(dòng)窗取平均值，并增加去除野值速度的功能，剔除異常轉(zhuǎn)速。對(duì)于伸展機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為零的判斷，規(guī)定在-2～2 rpm 區(qū)間內(nèi)都認(rèn)為伸展機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為零。

該旋變?yōu)? 極對(duì)數(shù)，每個(gè)極對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)72°，每個(gè)極對(duì)數(shù)內(nèi)劃分為6 個(gè)象限，每個(gè)象限對(duì)應(yīng)12°，每12°為一個(gè)角度區(qū)間，共30 個(gè)角度區(qū)間。設(shè)置查找表，將360°劃分為30 個(gè)角度區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)模擬Hall 信號(hào)的A、B、C 信號(hào)的Hall 編碼。根據(jù)采集的旋變值，通過(guò)查找表確定其Hall 編碼，輸出給無(wú)刷電機(jī)PWM生成模塊。查找表如表1 所示。

表1 模擬Hall信號(hào)與角度對(duì)應(yīng)表

2.4 雙閉環(huán)PID控制模塊

2.4.1 PID調(diào)節(jié)器原理

PID 調(diào)節(jié)器是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的一種控制方法，是一種線性控制器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差，如式（4）所示：

將偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，通過(guò)一定規(guī)律的線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控量進(jìn)行控制[13-15]，如式（5）所示：

用FPGA 實(shí)現(xiàn)PID 控制算法必須用數(shù)值逼近方法，當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，對(duì)PID算法進(jìn)行離散化處理，同時(shí)該文根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況以及FPGA 的邏輯資源有限，速度環(huán)采用只有P 與I 功能的PI 調(diào)節(jié)算法，電流環(huán)采用只有P 功能的調(diào)節(jié)算法，來(lái)完成速度、電流雙閉環(huán)功能，將上述公式離散化，歸并處理得：

此處利用乘法分配率，提前把誤差與KC相乘，然后累加所得積，即由原來(lái)的變成。這樣帶來(lái)的好處是FPGA 算法控制簡(jiǎn)單，同一個(gè)Err分別乘以KP與KI，然后再進(jìn)行計(jì)算。

2.4.2 PID調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)

該文閉環(huán)控制模塊采用速度和電流雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，其中速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度調(diào)節(jié)器采用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)抗干擾能力，根據(jù)給定速度和反饋的速度做出反應(yīng)，提高調(diào)速精度，電流調(diào)節(jié)器也采用PID 算法實(shí)現(xiàn)，快速跟蹤給定電流，對(duì)擾動(dòng)引起的干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)快速響應(yīng)?；谑剑?），閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

首先在PID 計(jì)算前，先將通信處理模塊的給定速度值與旋變采集模塊反饋的速度值進(jìn)行鎖存處理，保證每個(gè)控制周期內(nèi)參數(shù)的一致性，然后將給定速度值與反饋速度值作偏差，經(jīng)過(guò)速度v_KP系數(shù)調(diào)節(jié)，將速度偏差進(jìn)行放大或縮小，同時(shí)速度偏差經(jīng)過(guò)v_KI系數(shù)進(jìn)行微調(diào)節(jié)并累加，得到積分結(jié)果，將積分后結(jié)果進(jìn)行限幅處理，為了消除靜態(tài)誤差，采取小數(shù)部分累加處理，即每次計(jì)算的結(jié)果分為整數(shù)部分與小數(shù)部分，但只輸出整數(shù)部分，為了不丟失小數(shù)部分，將每次計(jì)算得到的小數(shù)部分累積，當(dāng)某次累積和達(dá)到進(jìn)位后，進(jìn)行進(jìn)位并減掉進(jìn)位部分，繼續(xù)累積，整數(shù)部分在原有整數(shù)部分基礎(chǔ)上加1，最終將比例與積分的和經(jīng)過(guò)限幅后輸出給電流環(huán)模塊，將其作為電流環(huán)的參考電流。電流環(huán)比例調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)與速度環(huán)比例調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)一致，根據(jù)控制周期信號(hào)，先將參考電流值與反饋電流值進(jìn)行鎖存，再進(jìn)行偏差計(jì)算及比例i_KI系數(shù)的調(diào)節(jié)，最后經(jīng)過(guò)限幅輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給PWM 信號(hào)產(chǎn)生模塊。

2.5 PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊

無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110+MOSFET構(gòu)成三相橋式電路[16]，F(xiàn)PGA 輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM 斬波信號(hào)，經(jīng)過(guò)IR2110 功率放大后作用到MOSFET，最終產(chǎn)生電機(jī)繞組電流，每相繞組分別對(duì)應(yīng)一片IR2110 芯片，三相橋式電路如圖4 所示。

圖4 三相橋式電路

控制方案上采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)控制方式，同一時(shí)刻由兩繞組導(dǎo)通，每相導(dǎo)通角為120°電角度，每隔60°電角度有一相繞組改變開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此在一個(gè)電周期內(nèi)共存在6 個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)。根據(jù)電流環(huán)計(jì)算模塊輸出的結(jié)果以及旋變采集模塊輸出的模擬三相霍爾信號(hào)，按照兩相導(dǎo)通六狀態(tài)運(yùn)行的可逆換相邏輯真值，最終輸出六路PWM 控制信號(hào)，上橋臂為PWM時(shí)，對(duì)應(yīng)下橋臂采用反向PWM，將上、下橋臂PWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1～5 μs，保證H 橋電路不會(huì)發(fā)生短路的情況，兩相導(dǎo)通六狀態(tài)換相邏輯真值表如表2 所示。

表2 兩相導(dǎo)通六狀態(tài)換相邏輯真值表

3 測(cè)試驗(yàn)證情況

3.1 仿真驗(yàn)證

該設(shè)計(jì)選用Actel 公司的7.2 萬(wàn)門(mén)反熔絲FPGA芯片，工作時(shí)鐘為24 MHz，仿真軟件為Modelsim。利用VHDL 語(yǔ)言模擬位置及電流檢測(cè)模塊，通過(guò)速度計(jì)算模塊、電流采集模塊、雙閉環(huán)控制模塊，最終生成PWM 信號(hào)，利用Modelism 進(jìn)行仿真得到不同模塊的仿真波形如圖5 所示，從圖中可以看出，根據(jù)輸入的旋變數(shù)據(jù)，完成了速度計(jì)算及模擬三路霍爾信號(hào)的產(chǎn)生，將經(jīng)過(guò)控制算法后的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)最終輸出給驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 仿真結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

仿真測(cè)試后，將目標(biāo)碼燒錄到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，連接伸展機(jī)構(gòu)模擬器進(jìn)行測(cè)試，控制系統(tǒng)工作正常，在帶載情況下的速度、電流波形曲線如圖6 所示，從圖中可以看出，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度曲線平穩(wěn)，穩(wěn)定性?xún)?yōu)于5%，電流波形平滑，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

圖6 上位機(jī)實(shí)測(cè)波形曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

該文以單片反熔絲型FPGA 為處理器，實(shí)現(xiàn)了PID 控制算法的速度與電流雙閉環(huán)控制，通過(guò)工程樣機(jī)驗(yàn)證了該控制方案能夠有效地消弱柔性太陽(yáng)翼展開(kāi)過(guò)程中擾動(dòng)對(duì)于速度穩(wěn)定性的影響，使伸展機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度、電流平穩(wěn)，同時(shí)也適應(yīng)了飛行器產(chǎn)品小型化的需求，為后續(xù)相關(guān)宇航型號(hào)產(chǎn)品的研制提供參考。