0 引言

　　電動舵機(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動姿態(tài)都是靠電動舵機(jī)帶動舵面偏轉(zhuǎn)來實現(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)動電路以及各種傳感器構(gòu)成了電動舵機(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舵機(jī)控制系統(tǒng)。

　　本文結(jié)合具體項目,，旨在設(shè)計出滿足精確性,、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)接收飛控計算機(jī)發(fā)來的位置和方向信號，經(jīng)過處理之后輸出PWM信號,，經(jīng)功率放大電路驅(qū)動直流無刷電機(jī)帶動舵面按照要求的方向和位置運動,，從而準(zhǔn)確控制飛行器的飛行姿態(tài),。

1 硬件電路設(shè)計

　　舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路包括主控制器、功率驅(qū)動電路,、信號檢測電路,、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：(1)100 MHz主頻，運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；(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,，本設(shè)計中采用CPLD輸出控制電機(jī)的PWM信號,，處理電流保護(hù)電路信號以及實現(xiàn)電機(jī)的換向邏輯，簡化了 DSP的外圍電路,，減少了DSP消耗的運算資源,，使得DSP能更好地完成電動舵機(jī)控制算法。

　　1.2 功率驅(qū)動電路

　　功率驅(qū)動電路是電機(jī)控制的重要組成部分,，采用三相全橋逆變電路,，由6個IGBT組成。驅(qū)動芯片選擇ADI公司生產(chǎn)的半橋驅(qū)動芯片ADuM7234,。ADuM7234有如下特點：驅(qū)動電壓可以達(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)動芯片禁止信號,，可以在檢測到電機(jī)運行異常狀態(tài)時關(guān)斷驅(qū)動芯片輸出。單個半橋驅(qū)動電路如圖2所示,。設(shè)計了D1,、C2組成的自舉電路，當(dāng)Q1關(guān)斷,、Q2導(dǎo)通時VCC通過D1給C2充電,，當(dāng)Q1導(dǎo)通時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,，從而實現(xiàn)自舉功能。D1的作用是Q1關(guān)斷時為電容提供正向電流通道,，而當(dāng)Q1導(dǎo)通時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 電流檢測和電流保護(hù)電路

　　1.3.1 電流檢測電路

　　電流檢測選取Allegro公司的ACS714芯片,，該芯片基于霍爾原理檢測流經(jīng)的電流。電流檢測電路如圖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，通過內(nèi)部調(diào)理電路,，芯片輸出一個與電流值成比例關(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量范圍為-Imax~+Imax,，根據(jù)芯片特性,，VCC×0.5=2.5 V時表示0電流值， 0.5 V時表示-Imax,，4.5 V時表示+Imax,，實際電流為：

　　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，即可計算出電流,。

　　1.3.2 電流保護(hù)電路

　　電流保護(hù)電路由兩個施密特比較器組成,，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,。兩個比較器的作用是將前面電流檢測電路的輸出VI_1與兩個參考電壓作比較,，當(dāng)電流高于+Imax，即VI_1高于2.7 V時,，比較器1U2輸出低電平,，當(dāng)電流低于-Imax時，即VI_1低于0.3 V時,，比較器1U3輸出低電平,。這兩個比較器中的任意一個輸出為低電平時，即產(chǎn)生錯誤信號FAULT1或FAULT2時,，CPLD會及時關(guān)斷PWM輸出,，同時發(fā)送DISABLE信號關(guān)斷驅(qū)動芯片以保護(hù)IGBT和驅(qū)動芯片,。

　　1.4 速度和位置檢測電路

　　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是否精準(zhǔn)直接影響著整個控制系統(tǒng)的性能,。速度和位置檢測采用旋轉(zhuǎn)變壓器,，旋轉(zhuǎn)變壓器抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高,、測量精度高,，在速度和位置檢測上有較大的優(yōu)勢。旋轉(zhuǎn)變壓器由勵磁繞組和輸出繞組組成,，當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時,，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互補(bǔ)的正弦波激勵信號,，信號的頻率可通過片上激勵頻率寄存器進(jìn)行編程,，信號幅度為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放大以后提供給旋變勵磁繞組,勵磁電壓Vp×sint,，其中Vp為信號幅度，?棕為勵磁角頻率,。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,，信號值分別為Vs×sin×cos和Vs×sint×sin，其中Vs為轉(zhuǎn)子激勵幅度,，輸入正弦信號與余弦信號經(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

　　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,，在程序的每個運行周期比較位置給定值與測回的實際位置,，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PWM，將該PWM和接收自上位機(jī)的方向信號發(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)運行。軟件流程如圖6所示,。

3 實驗結(jié)果

　　實驗樣機(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,。傳動機(jī)構(gòu)減速比為7 100:17,。實驗結(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,。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)計的舵機(jī)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定,、可靠的,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 李賽輝，雷金奎.基于DSP的數(shù)字舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制,，2009,，17（3）：484-486.

　　[2] 郝領(lǐng)地，吳學(xué)斌.基于TMS320LF2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[J].電氣開關(guān),，2010（4）：27-30.

　　[3] 劉興中,，唐德宇，鄭自偉,，等.一種舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微電機(jī),，2011（5）：57-60.

　　[4] 楊永亮，吳小役,，趙志勤,，等.一種電動舵機(jī)伺服仿真系統(tǒng)與設(shè)計[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2012（9）：48-51.

　　[5] MADHUSUDHANARAOG,，SANKERRAM B,，SAMPATH B et al.Speed control of BLDC motor using DSP[J].Interna-tional Journal of Engineering Science and Technology,，2010，2(3)：143-147.

　　[6] 阮毅,，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2009.

　　[7] 譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

　　[8] KRISHMAN R.永磁無刷電機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2012.