機(jī)載導(dǎo)彈一控四電動(dòng)舵機(jī)控制器研究與設(shè)計(jì)

摘要：電動(dòng)舵機(jī)作為導(dǎo)彈飛行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其體積重量的減少有利于導(dǎo)彈性能的提升。為了減小體積重量和節(jié)約成本，電動(dòng)舵機(jī)采用三相無(wú)刷直流電機(jī)+滾珠絲杠直連式結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)控制器來(lái)控制四路舵機(jī)。介紹了控制器的硬件結(jié)構(gòu)方案和控制策略，控制器以DSP+CPLD為核心架構(gòu)，采用位置、速度雙閉環(huán)PI控制，實(shí)現(xiàn)單一控制器同時(shí)控制四套電動(dòng)舵機(jī)相互獨(dú)立工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器可以正常工作，舵機(jī)帶寬可達(dá)到25Hz。

舵機(jī)系統(tǒng)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中舵機(jī)控制器接收彈載計(jì)算機(jī)的舵偏角信號(hào)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彈體所需要的控制力矩控制彈體飛行。隨著導(dǎo)彈性能要求不斷提升，人們對(duì)于電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的整體要求向著體積不斷減小，承載能力不斷增強(qiáng)，控制性能不斷提高的方向發(fā)展。稀土永磁材料和新型大功率電子器件使電動(dòng)舵機(jī)的小型化成為可能。本文舵機(jī)系統(tǒng)采用三相無(wú)刷直流電機(jī)+滾珠絲杠直連式結(jié)構(gòu)。為了減小舵機(jī)的體積和重量，舵機(jī)系統(tǒng)采用一個(gè)舵機(jī)控制器控制四套舵機(jī)。控制器以DSP+CPLD為核心架構(gòu)，DSP作為主控CPU，CPLD用于做接口處理，采用位置環(huán)和速度環(huán)進(jìn)行雙閉環(huán)控制。

1 舵機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。舵機(jī)控制器以DSP為核心控制器，用CPLD做邏輯處理，DSP和CPLD之間通過(guò)數(shù)據(jù)線、地址線和控制線相連。外部電路包括電源轉(zhuǎn)換電路，電位計(jì)的AD采集電路，串口和CAN總線接口電路，霍爾信號(hào)和編碼器信號(hào)接口電路，隔離驅(qū)動(dòng)電路，三相橋式功率主電路。

舵機(jī)控制器分為功率電路、數(shù)字電路、模擬電路3部分。圖1中虛框1為數(shù)字電路部分，虛框2中為模擬電路部分，虛框3中為功率電路部分。舵機(jī)控制器的功率地和彈上熱電池的地是共在一起的，通過(guò)兩個(gè)隔離的DC—DC模塊分別將數(shù)字地和模擬地與功率地進(jìn)行隔離，數(shù)字地和模擬地通過(guò)磁珠單點(diǎn)連接在一起。

電源轉(zhuǎn)換電路將彈上熱電池的28 V電壓轉(zhuǎn)換成舵機(jī)控制器上數(shù)字電路部分所需的+5 V、+3.3 V和+1.9 V，模擬電路部分所需的±15 V，功率電路部分所需的+5 V和+15 V。

DSP為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成電位器AD采樣的控制，系統(tǒng)保護(hù)、控制算法的實(shí)現(xiàn)和通信等任務(wù)。TMS320F28335高速計(jì)算能力及豐富的內(nèi)部集成模塊，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)外圍模塊的設(shè)計(jì)，也降低了對(duì)這些模塊支持的應(yīng)用程序的編寫(xiě)難度，從而使系統(tǒng)的集成度、可靠性得到提高。由于整個(gè)系統(tǒng)多達(dá)4個(gè)舵機(jī)，有 12路霍爾信號(hào)和12路編碼器脈沖信號(hào)，因此外加邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯仲裁和脈沖信號(hào)的采樣，CPLD型號(hào)為Altera公司的EPM1270，CPLD主要完成速度環(huán)的采樣和PWM控制信號(hào)的生成。編碼器輸出信號(hào)為差分信號(hào)，通過(guò)TI公司的芯片SN65175D轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片 SN74LVC4245與CPLD相連，在CPLD內(nèi)完成對(duì)編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與DSP進(jìn)行通信，完成系統(tǒng)對(duì)電機(jī)速度信號(hào)的采集。三路霍爾信號(hào)與DSP輸出的PWM信號(hào)以及方向信號(hào)在CPLD內(nèi)進(jìn)行邏輯組合，得到驅(qū)動(dòng)舵機(jī)電機(jī)所需的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

舵機(jī)系統(tǒng)采用電位器檢測(cè)位置信號(hào)，與舵機(jī)輸出軸相連的電位器由電壓基準(zhǔn)芯片MAX6176提供+10V的壓基準(zhǔn)，電位器輸出抽頭部分的電壓經(jīng)由運(yùn)算放大器 INA128構(gòu)成的射極跟隨器后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換與DSP相連。DSP自帶的12位的AD無(wú)法滿足系統(tǒng)位置分辨率小于0.001°的要求，所以外擴(kuò)一個(gè)16位的AD轉(zhuǎn)換器，型號(hào)為AD公司的AD7606。

主電路與控制電路之間通過(guò)磁耦進(jìn)行隔離，隔離芯片型號(hào)為ADUM1401，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR公司的IR2136，它由單電源供電，工作頻率可達(dá)十萬(wàn)赫茲以上，具有強(qiáng)大的欠壓和過(guò)流保護(hù)功能。

舵機(jī)控制器的通信接口包括CAN總線接口和隔離式RS-422串口。CAN總線接口用于調(diào)試使用，驅(qū)動(dòng)芯片選擇TI公司的SN65HVD230。隔離式 RS-422串口用于與彈上其他設(shè)備進(jìn)行通信，驅(qū)動(dòng)芯片選擇AD公司的ADM2582。為了能夠在線配置系統(tǒng)參數(shù)。利用DSP的SPI接口外擴(kuò)了 EEPROM芯片。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，控制器可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的自動(dòng)控制與對(duì)外通信等功能。

2 舵機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)

舵機(jī)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)位置外環(huán)和速度內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，舵機(jī)的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

舵機(jī)控制器軟件包括DSP部分的程序和CPLD部分的程序?？刂浦鞒绦蛟贒SP完成，CPLD完成編碼器脈沖的計(jì)數(shù)和PWM控制波的生成。DSP內(nèi)程序主要完成以下工作：

1)通過(guò)RS-422總線接收并解碼彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，并發(fā)送舵偏角反饋指令給彈載計(jì)算機(jī);

2)對(duì)位置、速度傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理;

3)控制律計(jì)算;

4)生成PWM波。

根據(jù)、DSP內(nèi)程序的主要功能，DSP內(nèi)程序由以下幾部分組成：

1)初始化模塊;

2)數(shù)據(jù)采集與處理模塊;

3)控制律計(jì)算模塊;

4)PWM波生成模塊;

5)串口通信模塊。

舵機(jī)控制器的軟件流程圖如圖3所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)導(dǎo)彈技術(shù)指標(biāo)要求，電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

舵機(jī)系統(tǒng)采用三相無(wú)刷直流電機(jī)+滾珠絲杠直連式結(jié)構(gòu)，減速比為143。舵機(jī)跟蹤20°階躍信號(hào)結(jié)果如圖4所示，超調(diào)量小于5%。舵機(jī)跟蹤1°25 Hz正弦信號(hào)結(jié)果如圖5所示，跟蹤幅值衰減到0.8°，大于0.707°，延遲時(shí)間為8 ms，小于12 ms。圖4和圖5中虛線為位置指令，實(shí)線為舵機(jī)實(shí)際跟蹤曲線。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，本文所設(shè)計(jì)的以DSP+FPGA為核心的一控四舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)合理，工作可靠，減小了舵機(jī)系統(tǒng)的體積和重量，可以應(yīng)用于導(dǎo)彈舵機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中。