一种数字无刷电动舵机控制系统的设计

    

    摘要： 本文实现了一种数字无刷电动舵机控制系统， 该系统以浮点信号处理器TMS320F28335作为控制核心， 以磁电编码器作为舵偏角反馈装置， 以直流无刷电机作为伺服電机， 以齿轮副和滚珠丝杠副作为减速机构， 实现了系统的高实时性、 宽带宽输出。 试验结果表明， 该系统对于1°， 10 Hz输入信号的相位延迟为16.8°， 角速度可到达580 （°）/s， 系统频带可达到34 Hz。

    关键词： 数字无刷电动舵机； 数字信号处理器； 直流无刷电机

    中图分类号： TJ765文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2018）04-0084-05

    0引言

    伺服控制系统是导弹制导控制系统的组成部分， 其任务是将来自控制系统的俯仰、 偏航和滚转信号， 经过信号变换和功率放大， 克服气动铰链力矩和弯曲力矩， 驱动舵面按规定的方向以一定角速度偏转， 形成与控制信号成比例的舵偏角， 从而改变弹体的飞行姿态， 因此伺服控制系统的性能将直接影响导弹的快速机动能力和制导精度。

    为了提高导弹的快速机动能力， 要求伺服控制系统具有优良的动态特性和控制精度。 传统的以有刷电机为核心构成的舵机由于受电机性能的制约， 已无法满足这种要求。 无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。 1955年， 美国的Harrison D等人首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电机机械电刷的专利， 标志无刷直流电机的诞生。 无刷电机由于采用电子换向代替了机械换向， 因此在同样体积下可以达到更大的功率输出。 另外， 计算机技术的发展使得数字控制芯片的运算速度越来越快， 功能更加丰富， 使无刷直流电机的控制更加精确和稳定。

    为满足制导控制系统对舵机快速性和功率输出等性能的更高要求， 采用DSP数字控制芯片， 以无刷直流电机为核心构成的数字无刷电动舵机就成为一个必然的选择。

    1电动舵机控制系统

    本文所设计的电动舵机控制系统采用无刷电机驱动， 单一位置反馈控制。 舵机的四个舵回路独立工作， 且工作原理和组成相同。 每个舵回路由控制电路、 无刷直流电机、 传动机构、 位置反馈装置等组成。 系统的原理框图如图1所示。

    系统的控制电路接收飞控组件发送的舵控制指令信号， 同时接收位置反馈信号， 经过运算处理后形成脉宽调制控制信号。 脉宽调制控制信号送给电机驱动电路， 经过功率放大， 驱动无刷直流电机转动。 减速传动机构在无刷直流电机的作用下， 驱动舵面转动并达到指定的位置。 系统的控制策略框图如图2所示。

    1.1控制电路

    控制电路的主要作用如下：

    （1） 控制电路DSP通过RS-422通信接口电路与飞控组件信息进行交互和传递（接收舵控指令、 反馈舵偏角信号、 发送自检信息等）；

    （2） 通过控制电路DSP的SSI通信接口采集舵反馈信号， 并将数字量送入数字信号处理器；

    （3） 将舵反馈信号与舵控指令比较、 综合， 通过设定的控制算法进行运算， 输出数字控制量；

    （4） 输出的数字控制信号送入功率放大电路后经过隔离， 并进行功率放大后施加到无刷电机上， 驱动电机运转。

    控制电路的工作原理框图如3所示。

    1.1.1信号处理电路

    TMS320F28335是TI公司生产的一款高性能浮点处理器， 运行主频达到150 MHz， 68 K的SARAM， 512 K的ROM片内Flash， 16 K的引导ROM， 6个增强PWM模块， 18个PWM输出， 3个SCI串行通信接口， 1个SPI串行设备接口， 完全可以满足浮点处理算法和电机控制的要求， 以适应现代控制算法、 自适应控制等复杂实时控制算法的应用需求， 具有良好的可扩展性。

    航空兵器2018年第4期付克亚： 一种数字无刷电动舵机控制系统的设计DSP的外围电路通常由时钟电路、 JTAG接口电路、 复位电路等组成。 时钟电路使用20 MHz晶振， 采用DSP内部的锁相环（PLL）技术对外部时钟进行倍频， 可得到100 MHz的工作频率。 JTAG接口用于DSP的在线仿真与程序写入， DSP的上电复位信号由电源变换芯片TPS70351PWP提供。

    DSP输出的控制信号经过SNJ54LS240总线驱动器， 以提高DSP输出控制信号的驱动能力。 控制信号驱动电路如图4所示。

    1.1.2通信接口电路

    舵机控制器采用RS-422异步全双工通讯模式与飞控组件和遥测组件进行信息交换。 采用具有增强抗静电能力的专用RS-422通信芯片MAX3490EESA实现电平转换功能。 DSP内部使用通讯模块SCIA和SCIB， 通过软件可对波特率、 中断模式、 消息块的数据字格式等进行详细的设置。 通信电路原理见图5。

    1.1.3位置反馈电路

    位置反馈电路主要是采集舵面角位移， 并把采集到的位移信息输出到DSP中参与位置环运算。 磁电编码器是一种非接触式角位移传感器， 基于磁电效应感应角度信息， 当编码器转轴转动时， 磁钢跟随转轴一同转动， 由磁钢产生的磁力线分布也随之转动， 通过磁感应芯片内部的霍尔阵列检测出旋转磁铁的磁场强度分布， 并从中解析出角位移信息。 磁电编码器构成部件少， 结构紧凑， 易于实现小型化、 高精度、 高分辨率， 具有抗振动、 抗冲击特性， 同时可以直接输出数字量， 提高了抗干扰能力， 不需要额外的AD变换电路进行模数转换， 大大提高了伺服控制的数字化程度。

    磁电编码器的角度输出为绝对值串行输出信号， 采用SSI接口DA+、 DA-、 CLK+、 CLK-低压差分信号传递。 绝对位置在控制器发出的时钟脉冲的控制下， 从高有效位（MSB）开始同步传输； 当没有数据传输时， 时钟和数据线均为高电平。 在时钟信号的第一个上升沿， 编码器的当前位置被送出。

    在DSP芯片内设计SSI通信协议， 采用DSP的普通IO口产生SSI时钟CLK， 并使用普通IO口接收编码器输出的串行数据； 利用4通道RS-422总线驱动芯片和总线接收芯片实现电平转换； 驱动器接收来自DSP的驱动时钟信号， 将其转换为低压差分信号输出， 以驱动编码器； 接收器接收来自编码器输出的差分串行数据， 并将其变换为单端信号， 输入到DSP内进行存储、 处理， 如图6所示。

    1.1.4电机驱动电路

    电机驱动电路接收数字信号处理器输出的调速和方向控制信号， 同时接收电机霍尔信号， 经过逻辑综合处理后， 控制三相逆变器中的功率开关管按一定的相序导通和关断， 实现直流无刷电机定子U， V， W三相绕组交替通电， 产生持续力矩， 驱动电机运转。 驱动电路的原理框图如图7所示。

    1.2传动机构

    传动机构选用目前比较成熟的滚珠丝杠减速机构， 其中滚珠丝杆副具有控制精度高、 传动效率高、 结构紧凑、 体积小等优点， 传动机构原理图如图8所示。 电机转动时， 带动减速齿轮使丝杠旋转， 螺母根据丝杠的旋转左右移动， 带动摇臂偏转， 使舵轴转动形成舵偏角。

    1.3控制算法

    本文采用的伺服控制算法为分段PID算法。 分段PID算法是PID算法的改进， 其核心思想就是以系统给定误差为分界线划分不同的控制区间， 在这些不同区间中设置不同的比例、 微分、 积分系数来进行PID控制。 在系统给定误差较大时， 比例系数Kp较大， 积分、 微分系数为零， 系统满控制量输出， 提高系统的快速性； 系统给定误差进入分段区间时， 采用PID控制， 保证系统的动态和静态特性满足要求； 系统误差接近零时， 采用较为保守的PID参数， 减小Kp， 增大微分系数Kd， 消除系统超调， 增大积分系数Ki， 减小系统稳态误差。

    另外， 控制软件通过SSI通信口采集舵面角位移。 SSI通信协议实现比较简单， 只需要SSI串行时钟CLK发送、 串行数据DA接收两个数据端口即可完成数据的通信。 DSP采集舵反馈时， 可以通过通用IO输出串行时钟CLK， 并通过通用IO口接收编码器的输出数据DA； DSP不采集舵反馈时， 只需将串行时钟CLK置高。

    2试验测试

    为對电动舵机控制系统的性能指标进行验证， 对伺服控制系统进行测试。

    当输入舵控信号为1°， 10 Hz信号， 系统的输出响应曲线如图10所示。 经过计算， 系统相位延迟为16.8°。

    当输入指令为幅值30°、 周期为1 Hz的方波信号时， 系统的输出响应曲线如图11所示。 经过计算， 系统角速度为585 （°）/s。

    系统的幅频特性曲线如图12所示。 可以看到， 系统带宽约为34 Hz。

    通过试验测试， 可以看到系统具有高快速性、 宽频带等特性。

    3结论

    本文完成了一种数字无刷电动舵机控制系统的设计， 该系统以数字信号处理器为控制核心， 可以适应复杂实时控制算法的应用需求， 具有良好的可扩展性。 位置传感器采用磁电编码器， 伺服电机选用无刷直流电机， 并采用结构紧凑的滚珠丝杠副作为减速机构， 分别完成了控制电路、 传动机构和控制算法的详细设计， 并对系统进行了测试。 试验结果表明， 系统具有控制精度高、 可靠性高、 实时性高、 功率输出密度高、 抗干扰能力强等优点， 大幅提升了伺服控制系统的整体性能， 对提升导弹的快速机动能力具有一定意义。

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    Abstract： A digital brushless electric actuator system is designed. The control system adopts a floatingpoint digital signal processor TMS320F28335 as control core of control circuit， uses the magnetoelectric encoder as the angle measuring device， uses the brushless DC motor as the actuator， uses the ball screw and gear pair as the retarding mechanism to realize high realtime and wideband output of system.The experimental results show that the phase delay is 16.8° at 1°， 10 Hz sinusoidal signal， the system angular velocity comes up to 580 （°）/s， and the system bandwidth achieves to about 34 Hz.

    Key words： digital brushless electric actuator； digital signal processor； brushless DC motor