0 引言

　　電動(dòng)舵機(jī)是導(dǎo)彈、無人機(jī)等飛行器的飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，飛行器在飛行過程的各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)都是靠電動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，其性能的優(yōu)劣直接影響著飛行器的性能。無刷直流電機(jī)、減速器、控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及各種傳感器構(gòu)成了電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分，控制算法采用三閉環(huán)PI控制器，它們組成了完整的電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)。

　　本文結(jié)合具體項(xiàng)目，旨在設(shè)計(jì)出滿足精確性、快速性以及穩(wěn)定性要求的飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)。該舵機(jī)控制系統(tǒng)以DSP+CPLD為主控制單元，外圍電路包括電流、轉(zhuǎn)速、位置信號(hào)采集電路以及功率放大電路等。舵機(jī)系統(tǒng)是一種位置伺服系統(tǒng)，由下位機(jī)接收飛控計(jì)算機(jī)發(fā)來的位置和方向信號(hào)，經(jīng)過處理之后輸出PWM信號(hào)，經(jīng)功率放大電路驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)帶動(dòng)舵面按照要求的方向和位置運(yùn)動(dòng)，從而準(zhǔn)確控制飛行器的飛行姿態(tài)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路包括主控制器、功率驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)電路、電流保護(hù)電路以及串口通信電路等。該系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

　　1.1 微控制器

　　采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F 2808型DSP和LATTICE公司生產(chǎn)的LC4128型CPLD作為主控單元。

　　TMS320F 2808型DSP有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)100 MHz主頻，運(yùn)算速度能夠滿足飛行器舵機(jī)控制器處理速度的要求；(2)多達(dá)6路的增強(qiáng)型PWM（ePWM）模塊，適合應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)；(3)支持SCI、SPI以及eCAN，方便與其他設(shè)備通信。

　　CPLD具有編程靈活等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用CPLD輸出控制電機(jī)的PWM信號(hào)，處理電流保護(hù)電路信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向邏輯，簡(jiǎn)化了 DSP的外圍電路，減少了DSP消耗的運(yùn)算資源，使得DSP能更好地完成電動(dòng)舵機(jī)控制算法。

　　1.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

　　功率驅(qū)動(dòng)電路是電機(jī)控制的重要組成部分，采用三相全橋逆變電路，由6個(gè)IGBT組成。驅(qū)動(dòng)芯片選擇ADI公司生產(chǎn)的半橋驅(qū)動(dòng)芯片ADuM7234。ADuM7234有如下特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓可以達(dá)到350 V；4 A的峰值輸出電流； 支持高達(dá)1 MHz的開關(guān)頻率；提供了驅(qū)動(dòng)芯片禁止信號(hào)，可以在檢測(cè)到電機(jī)運(yùn)行異常狀態(tài)時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)芯片輸出。單個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。設(shè)計(jì)了D1、C2組成的自舉電路，當(dāng)Q1關(guān)斷、Q2導(dǎo)通時(shí)VCC通過D1給C2充電，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)VS端的電壓升高到約為DC，而電容C2兩端的電壓基本不變。因此VB端的電壓隨著VS端的電壓升高而浮動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自舉功能。D1的作用是Q1關(guān)斷時(shí)為電容提供正向電流通道，而當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)可以防止反向電流倒灌入15 V。根據(jù)開關(guān)頻率，C2應(yīng)該選取合適的電容值，以確保自舉電路能正常工作。

　　1.3 電流檢測(cè)和電流保護(hù)電路

　　1.3.1 電流檢測(cè)電路

　　電流檢測(cè)選取Allegro公司的ACS714芯片，該芯片基于霍爾原理檢測(cè)流經(jīng)的電流。電流檢測(cè)電路如圖3所示，其中引腳IP+和IP-串聯(lián)在電機(jī)繞組回路中，F(xiàn)ILTER引腳用于接外部電容C2，與芯片內(nèi)部電阻構(gòu)成RC低通濾波器從而調(diào)節(jié)芯片的帶寬。

　　當(dāng)電流流過時(shí)，通過內(nèi)部調(diào)理電路，芯片輸出一個(gè)與電流值成比例關(guān)系的模擬電壓值，輸出電壓幅值為0.5 V~4.5 V。假設(shè)電流傳感器的電流測(cè)量范圍為-Imax~+Imax，根據(jù)芯片特性，VCC×0.5=2.5 V時(shí)表示0電流值， 0.5 V時(shí)表示-Imax，4.5 V時(shí)表示+Imax，實(shí)際電流為：

　　由于DSP的ADC采樣電壓最高為3 V，因此將電流傳感器的輸出電壓經(jīng)同相比例放大器縮小到原來幅值的3/5,此時(shí)輸出的電壓幅值為0.3~2.7 V，1.5 V代表0電流值。最終由DSP的ADC采樣到輸出電壓值，即可計(jì)算出電流。

　　1.3.2 電流保護(hù)電路

　　電流保護(hù)電路由兩個(gè)施密特比較器組成，圖4給出了保護(hù)電路原理圖。

　　其中，兩個(gè)參考電壓ref1=2.7 V、ref2=0.3 V，由3.3 V通過精密電阻分壓得到。兩個(gè)比較器的作用是將前面電流檢測(cè)電路的輸出VI_1與兩個(gè)參考電壓作比較，當(dāng)電流高于+Imax，即VI_1高于2.7 V時(shí)，比較器1U2輸出低電平，當(dāng)電流低于-Imax時(shí)，即VI_1低于0.3 V時(shí)，比較器1U3輸出低電平。這兩個(gè)比較器中的任意一個(gè)輸出為低電平時(shí)，即產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)FAULT1或FAULT2時(shí)，CPLD會(huì)及時(shí)關(guān)斷PWM輸出，同時(shí)發(fā)送DISABLE信號(hào)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)芯片以保護(hù)IGBT和驅(qū)動(dòng)芯片。

　　1.4 速度和位置檢測(cè)電路

　　舵機(jī)控制最外環(huán)也是最重要的一環(huán)就是位置環(huán)，因此舵面的位置檢測(cè)是否精準(zhǔn)直接影響著整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。速度和位置檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)變壓器，旋轉(zhuǎn)變壓器抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、測(cè)量精度高，在速度和位置檢測(cè)上有較大的優(yōu)勢(shì)。旋轉(zhuǎn)變壓器由勵(lì)磁繞組和輸出繞組組成，當(dāng)勵(lì)磁繞組以一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系。

　　旋變信號(hào)的解碼還需借助于旋變解調(diào)芯片，選取了ADI公司的AD2S1210旋變解調(diào)芯片，芯片引腳如圖5所示。其中EXC和EXC為片上振蕩器提供的一對(duì)互補(bǔ)的正弦波激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)的頻率可通過片上激勵(lì)頻率寄存器進(jìn)行編程，信號(hào)幅度為3.6 Vp-p。由于該幅值較小，因此通過外部放大電路將該信號(hào)放大以后提供給旋變勵(lì)磁繞組,勵(lì)磁電壓Vp×sint，其中Vp為信號(hào)幅度，?棕為勵(lì)磁角頻率。COS、COSLO和SIN、SINLO分別為旋轉(zhuǎn)變壓器輸出繞組余弦、正弦差分輸出信號(hào)，信號(hào)值分別為Vs×sin×cos和Vs×sint×sin，其中Vs為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅度，輸入正弦信號(hào)與余弦信號(hào)經(jīng)過解調(diào)芯片內(nèi)部的Type II型環(huán)路跟蹤電路解算出旋變轉(zhuǎn)子的速度和位置，結(jié)果存放在相應(yīng)的速度和位置寄存器中，最終寄存器中的內(nèi)容通過SPI通信發(fā)送給DSP。

2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件由兩部分構(gòu)成，一部分是用C語言編寫的DSP程序，主要包括位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)PI控制算法，AD采樣程序，通信程序；另一部分是采用Verilog編寫的CPLD程序，完成電流保護(hù)和電機(jī)的換向。軟件設(shè)計(jì)整體的思路為：DSP接收上位機(jī)發(fā)送的方向指令和位置指令，在程序的每個(gè)運(yùn)行周期比較位置給定值與測(cè)回的實(shí)際位置，得到的位置誤差經(jīng)過位置環(huán)PI控制器解算出速度給定值，經(jīng)過速度環(huán)PI控制器和電流環(huán)PI控制器得到一個(gè)PWM，將該P(yáng)WM和接收自上位機(jī)的方向信號(hào)發(fā)送到CPLD，最終，CPLD根據(jù)給定方向的換向邏輯按次序發(fā)送PWM,控制電機(jī)運(yùn)行。軟件流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用MAXON公司的EC-Max系列的272768型無刷直流電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速為7 210 rpm；額定最大連續(xù)電流為1.5 A；額定轉(zhuǎn)矩為34.3 mN.m；相到相電阻為3.65 Ω；相到相電感0.31 mH。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比為7 100:17。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中，位置給定曲線是擺幅為±20°、頻率為5 Hz的正弦信號(hào)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，舵機(jī)位置輸出能夠很好地跟蹤位置給定曲線，幅值基本無衰減，相位滯后小于10°。因此，本文設(shè)計(jì)的舵機(jī)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定、可靠的。

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