基于DSP的空空導彈數字伺服控制系統

摘要：針對某型空空導彈設計了基于DSP控制的數字伺服控制系統，介紹了系統的組成原理、硬件設計方案和控制算法等。與模擬控制系統相比，該控制系統具有修改參數方便、控制精度高、抗干擾能力強等優點。試驗結果表明，該系統具有良好的靜態和動態特性。

關鍵詞：數字伺服控制系統；無刷直流電動機；DSP

中圖分類號：TJ765 文獻標識碼：A 文章編號：1673—5048（2013）03—0018—03

0 引言

伺服控制系是空空導彈不可缺少的關鍵組成部分，其性能直接決定著導彈飛行過程的動態品質。傳統的模擬伺服控制系統控制參數需要通過更改硬件進行調整，調試繁瑣且很難實現復雜的控制算法。抗干擾能力弱，而數字控制系統抗干擾能力強，參數調整可通過軟件完成。這樣可在較短的時間內調試出性能優良的系統。本文介紹了一種基于TI公司TMS320F2812 DSP的數字伺服控制系統。

1 系統功能及硬件設計

導彈伺服控制系統將來自飛控系統的舵控信號，經過變換和功率放大，克服氣動鉸鏈力矩和彎曲力矩。驅動伺服電動機帶動空氣舵以一定角速度偏轉，形成與控制信號成比例的舵偏角，改變彈體的飛行姿態，從而控制導彈的飛行軌跡。

空空導彈數字伺服控制系統由控制電路、反饋信號采樣電路、功率驅動電路、功率逆變電路、串行通信接口電路及控制軟件組成，伺服電機采用無刷直流電機。系統組成框圖如圖1所示。

1.1 控制電路

為了實現伺服控制系統的動、靜態技術指標，同時協調四通道舵機工作和實時數據處理。控制系統需要實時處理大量數據，這里選用TI公司專為電機控制設計的高性能DSP TMS320F2812作為CPU，TMS320F2812 DSP的設計基于增強的哈佛結構，三級流水線操作，指令執行速度大幅提高，最高可達150 MIPS。最多可提供16路模數轉換通道，專為電機控制的兩個事件管理器模塊包括16路PWM調制通道和4個通用定時器，為4通道舵機控制提供了極大的便利。

控制電路主要由以TMS320F2812為核心的PWM生成電路和邏輯綜合電路組成。分別完成PWM調速功能和換相功能。

PWM是電機調速常用的一種方法，TMS320F-2812根據飛控計算機給定的舵偏信號以及舵反饋信號，通過一系列的運算產生控制信號。利用該控制信號調整PWM占空比以控制功率管的開關時間，實現對伺服電機的控制，同時一旦產生故障，通過軟件及時封鎖PWM輸出直至故障消除。這里通過事件管理器PWM電路輸出PWM調制信號。

邏輯綜合電路采用GAL20V8可編程邏輯器件實現，無刷電機中三個霍爾元件給出互差120°、脈沖寬度為180°的轉子位置信息，其組合在一個周期內給出六個狀態，即每60°變換一個狀態。GAL電路將霍爾傳感器給出的信號、PWM調制信號、電機正反轉信號綜合進行邏輯運算，將運算結果送給驅動芯片IR2130，IR2130的六個輸出信號控制功率管的導通和關斷，實現電機的正反轉控制、調速控制等功能，連接示意圖如圖2所示。

1.2 主電路及驅動電路

直流無刷電機的主電路可以采用三相半控電路和三相全控電路。三相半控電路的特點是電路簡單，需要的功率器件少。但電動機本體的利用率很低，每個繞組只通電1/3時間，另外2/3時間處于斷開狀態，沒有得到充分的利用，而且在運動過程中轉矩的波動較大，所以在要求比較高的場合，一般采用三相全控電路。

由于邏輯綜合電路輸出的PWM控制信號不足以驅動功率管的通斷，因此要在PWM控制信號與主電路之間加上驅動電路。電力電子器件的驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子系統的重要環節。采用性能良好的驅動電路，可使電力電子器件工作在較理想的狀態，縮短開關時間，減小開關損耗，對系統的運行效率、可靠性和安全性有重要的意義。

本系統主電路為三相全橋控制電路，三相全橋六個功率開關器件，需要六個驅動器來控制其導通或關斷。而每個驅動器又需要一路獨立的電源，這給系統設計帶來了不便，而且系統較為龐大。IR2130是美國國際整流器公司生產的功率MOS器件柵極驅動集成電路，它能輸出六路驅動信號，并且由于內部設有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統設計極為簡化。

以IR2130為主構成驅動電路如圖3所示。由控制部分產生六路PWM信號分別送到IR2130的2—7管腳，經IR2130內部處理產生六路驅動信號分別驅動V1～V6功率MOS管。圖中C1，C2，C3是自舉電容。為上橋臂功率管H9ETJe56nsR7jmYcGXpvuw==驅動的懸浮電源存儲能量，D7，D8，D9的作用是防止上橋臂導通時的直流母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此D7，D8，D9應選用快速恢復二極管，而且自舉電容容量取決于被驅動功率器件的開關頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，當被驅動的開關頻率大于5 kHz時，該電容值應不小于0.1μF。

1.3 舵面角度反饋信號檢測

常用的角度信號檢測一般選用旋轉光柵碼盤。從功能實現上說。旋轉光柵碼盤是比較理想的選擇，其一，其輸出的脈沖信號屬于數字量，在抗干擾能力上要比模擬信號好得多；其二，DSP內部集成了正交脈沖電路（QEP），可以方便地捕獲到傳感器反饋的信息。但旋轉光柵編碼盤存在一個致命的缺點，就是抗振動能力差，在劇烈振動的情況下，里面的光柵很可能被振壞。

鑒于以上原因，舵面角度反饋檢測通過高精度電阻電位器測量，將位置信號轉換為電壓信號，輸出信號經過分壓、濾波、跟隨、限幅等一系列處理后，送給TMS320F2812的A/D通道。

2 算法設計及實現

空空導彈高機動大過載的特性對伺服系統提出了很高的要求，要求系統快速、無超調。要滿足這些指標，好的控制算法是關鍵。因為伺服系統的指令位置具有很大的模糊不確定性，加之被控對象的非線性和系統參數的時變性。傳統PID控制算法很難滿足要求，而分段PID能起到較好的控制效果。根據分段PID控制規則，把誤差劃分等級。當誤差較大時，增大比例系數，并且只有比例項，以提高伺服系統快速響應特性；當誤差為中等的時候，增大比例項并添加微分項，在確保系統快速響應性的同時，控制系統的超調：當誤差較小時，以積分項為主，以控制系統靜態誤差在較小的范圍內。其控制算法流程圖如圖4所示。

伺服系統的位置反饋直接決定系統的快速性和穩態性能，通過采用分段PID控制。不僅保持了傳統PID控制原理的簡單、有效、魯棒性強的特點，而且具有更大的靈活性、適應性和精確性。

3 試驗結果

通過對伺服控制系統進行實際測試，得到10°階躍響應曲線和頻率10 Hz、幅值為±2°信號響應曲線，分別如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，所設計的控制系統跟蹤誤差小，系統無超調。響應速度快，具有很好的靜態和動態跟蹤性能。

4 結束語

本文設計的基于DSP控制的空空導彈數字伺服控制系統，采用分段PID控制策略，充分利用DSP高速運算的特點，實現了系統實時控制。試驗表明：設計硬件系統工作穩定，分段PID控制算法使得系統在環境參數和系統參數變化時，依然具有快速無超調的定位性能，具有較強的魯棒性。

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