基于Saber的舵機采樣處理電路設計與仿真分析

徐曉璐 張昆峰

摘 要：針對舵機伺服控制系統高可靠性和高精度的設計指標，本文設計了一種基于旋轉電位器的舵偏角采樣處理電路，設計過程中利用Saber軟件搭建了所設計電路的仿真模型，分析了元器件參數偏差對電路性能的影響，進而完成了關鍵元器件的參數設計。通過功能、時域性能分析和蒙特卡洛仿真分析，驗證了設計的采樣處理電路的可行性、高可靠性和高精度性。

關鍵詞：采樣處理電路；電位器；Saber軟件

引言

數字舵機伺服系統作為一種高精度的機電一體化裝置，是操縱飛行器機動飛行的重要機構，其工作原理是：控制單元同時接收來自上位機的指令，以及由反饋回路采集的輸出軸位置信息，通過比較實際輸出與期望輸出，產生控制指令，驅動輸出軸達到指定的位置，整個控制過程是一個閉合的回路，可以達到高精度控制的目的。

在伺服系統中，反饋回路是一個重要環節，它的性能將直接影響伺服系統的控制精度。反饋回路主要包括兩部分：機械傳動機構和采樣處理電路，而影響系統性能的主要因素都在于采樣處理電路中。本文針對以角位置為輸出量的數字舵機系統，設計了基于旋轉電位器的采樣處理電路，利用Saber軟件建立了它的仿真分析模型，對電路進行了靈敏度分析，找出了影響性能的關鍵參數，并以此為基礎設計了各元器件的誤差等級。針對選用誤差等級的元器件，分析了電路的輸出特性，驗證了電路設計與元器件選型的可行性，為伺服系統反饋回路的設計和改進提供了參考。

1 系統原理設計

本文利用旋轉電位器將系統輸出端的位置信息轉換為電平信號，并對電平信號進行濾波，以剔除雜波干擾，濾波后的信號輸入到跟隨器進行電壓跟隨，最后利用A/D轉換器將電平信號轉換為數字量，供控制單元計算使用，即設計的采樣處理電路的工作原理如圖1所示。

圖1中，Input表示舵機系統輸出軸的角位置，Posmeter表示電位器，P15和N15分別表示電位器的正、負供電電壓，POS表示跟隨器的輸出電壓，該電平信號傳入A/D轉換器并被轉換為對應的數字量，之后傳入控制單元，供解算控制指令使用。

考慮到舵機系統傳動機構的設計（系統輸出軸的機械限位為-34°～34°，輸出軸到旋轉電位器的傳動增速比為4），A/D轉換器選用TLC2574精密數模轉換器（工作區間為-10V～+10V），旋轉電位器選用總阻值為4.7kΩ，有效電行程為300°的精密電位器，電位器供電模塊輸出電壓為+15V和-15V；選用LM148跟隨器進行電壓跟隨；為了將跟隨器輸出端Pos的電壓調整到A/D轉換器的允許輸入范圍之內，需將正負供電電源各串聯一個953Ω的電阻后再接到電位器供電端；低通濾波電路的時間常數為0.1ms（電阻值為10kΩ，電容值為0.01μF）。

至此，我們得到了初步設計的采樣處理電路。

2系統原理驗證

判定設計的采樣/處理電路的合理性的最低要求是：元器件參數值在標稱情況下，當輸出軸在極限位置時，控制單元接收的輸出軸位置信息無失真，即跟隨器的輸出值始終在A/D轉換器正常工作范圍之內。因此，主要的考察點就是極限位置下跟隨器輸出的電壓值。

給采樣處理電路原理模型分別輸入±34°的信號，可以得到元器件參數標稱情況下的輸出端POS電壓值：34°對應9.6750V，0°對應0V，-34°對應-9.6737V。

在標稱情況下，跟隨器的輸出電壓范圍在-10～10V范圍內，該仿真結果表明采樣/處理電路符合最低設計要求，即設計的采樣處理電路在原理上是可行的。

在實際應用中，元器件的參數與設計值存在一定的偏差，參數偏差區間越小意味著更高的系統精度和更高的成本。因此，選用合適等級的元器件也是電路設計中的重要工作。為此，我們需要對電路進行靈敏度分析，進而尋找影響系統性能的關鍵參數并確定相應的誤差等級。

3系統靈敏度分析與關鍵參數確定

由工作原理圖1可以知道，元器件參數偏差的綜合作用，可能會導致跟隨器的輸出電壓波動并超出A/D轉換器的允許輸入范圍，故以輸出端POS電壓值為目標變量，對其值進行靈敏度分析。

利用Saber軟件，搭建包含電位器、供電模塊、分壓電阻和濾波電路的詳細仿真模型如圖2所示，通過分析，得到跟隨器輸出端POS的靈敏度分析結果如表1中所示。

從表1中可以看出，供電模塊的正、負供電電壓和電位器有效電行程對跟隨器輸出電壓影響最大，分壓電阻和電位器總阻值的影響次之，低通濾波器的電阻和電容對其幾乎無影響。

根據靈敏度分析結果，綜合考慮設計指標與使用需求，選用如下所述誤差等級的元器件：

電位器總電阻誤差等級為±10%，有效電行程誤差等級為±1%；電位器分壓電阻器誤差精度等級為：±0.1%；供電模塊+15V輸出誤差精度等級為±1%，-15V輸出誤差等級為±2%；低通濾波網絡的電阻誤差等級為±2%，電容誤差等級為±10%。

從表1中可以看出，供電模塊的正、負供電電壓和電位器有效電行程對跟隨器輸出電壓影響最大，分壓電阻和電位器總阻值的影響次之，低通濾波器的電阻和電容對其幾乎無影響。

根據靈敏度分析結果，綜合考慮設計指標與使用需求，選用如下所述誤差等級的元器件：

電位器總電阻誤差等級為±10%，有效電行程誤差等級為±1%；電位器分壓電阻器誤差精度等級為：±0.1%；供電模塊+15V輸出誤差精度等級為±1%，-15V輸出誤差等級為±2%；低通濾波網絡的電阻誤差等級為±2%，電容誤差等級為±10%。

4采樣處理電路蒙特卡羅分析

為了驗證選用元器件的合理性，利用蒙特卡羅法對正、負極限位置和零位分別進行仿真，抽樣仿真次數各為300次，仿真結果如圖3所示，由上至下分別為反饋回路輸入指令分別為34°、0°、-34°時的結果分布。

由圖3可以看出，當舵機系統輸出軸在34°、0°、-34°位置時，跟隨器輸出端POS的電壓值以相應的標稱值為中心散布，散布趨勢呈正態分布，輸出電壓散布范圍如表2第3列所示。

由表2可以看出舵機伺服系統工作在極限位置時，在元器件參數偏差的綜合作用下，輸出端POS的值基本都位于±10V以內，極小概率會出現高于10V的情況（高于10V的仿真情形為2次，不到總數的1%），且超差量也很小，僅有0.012V。

在實際當中，元器件的參數同時處于允許誤差的邊界的概率非常低；此外，伺服系統在工作中，上位機給出的指令信號都不會達到極限工作位置，因此并不會出現電壓值超出A/D轉換器工作區間的情況，足以保證控制單元接收到線性變化的角位置信息，因此，設計的采樣處理電路可以滿足無失真的反應輸出軸的位置信息的需求。

如果要確保在任何情況下，A/D轉換器都能保持線性輸出，可以增大電位器兩端的分壓電阻，或者選用更高精度等級的元器件，減小參數的離散區間，從而達到限制跟隨器輸出電壓幅值的目的。

5結語

本文根據伺服系統的使用需求，設計了一種基于旋轉電位器的位置采樣處理電路，進而利用Saber對電路進行靈敏度分析，確定了不同元器件參數對電路輸出的影響程度，并以此為依據選定了合適誤差等級的元器件。

接著，本文對設計的電路進行了蒙特卡洛仿真，從仿真結果可以看出，選用誤差等級的元器件既充分利用了A/D轉換器的工作范圍，又避免了在正常工作情況下A/D轉換器出現飽和的情況。因此，設計的采樣處理電路可以滿足伺服系統高可靠性、高精度控制的需求。

參考文獻

[1]趙小龍，馬鐵華，劉艷莉.一種數字化舵機系統設計與實現[J]. 核電子學與探測技術，2012，32（5）：552-555.

[2]吳稱列.基于DSP的無刷直流電機舵機系統的設計與研究[D].湘潭大學，2015.