方向舵調整片操縱裝置研究

董峰 張宗鮮 陳映文

摘要：本文主要介紹了某型飛機的方向舵調整片操縱裝置的研究成果，首先通過數學模型的建立對系統特點進行分析，然后采用經典的尸舊算法實現位置、速度雙閉環的控制方式，從而達到用戶要求的功能要求和性能要求。在本文中以多種形式詳細介紹了設計、實現過程，并通過試驗驗證來說明對技術指標的滿足性。

關鍵詞：方向舵調整片操縱裝置;位置閉環;速度閉環;PID

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A

結合某型飛機對飛行控制系統中方向舵調整片操縱裝置的改進，提升方向舵調整片操縱裝置的控制可靠性、步長控制精度、電磁兼容性等能力，實現了方向舵調整片操縱裝置在步進式工作方式中對速度和位移量的精準控制。

1 概述

方向舵一般安裝在垂直尾翼的后部，當需要控制飛機的航向時，飛行員就可以通過腳蹬操縱垂直尾翼中的方向舵達到偏航目的。

方向舵調整片操縱裝置屬于某型飛機飛行控制系統中的方向舵操縱系統，是方向舵操縱系統的配套產品。主要包括控制盒和電動機構兩部分，如圖1所示。

方向舵調整片操縱裝置主要實現的功能為：控制調整片電動機構工作，使方向舵調整片偏轉，卸掉或減小駕駛員的腳蹬力;向飛行控制系統提供方向舵調整片位置信號;向飛行控制系統提供方向舵調整片中立位置指示信號。

2 系統分析過程

方向舵調整片操縱裝置是一個行程、速度雙閉環控制系統。根據控制指令，驅動電機正反轉，使電動機構按照規定的作動方式（步進式）和作動速度作動至相應位置，達到行程閉環控制目的，同時向飛機發動機指示和機組警告系統（EICAS）提供電動機構的行程位置信號，以便指示電動機構的當前行程位置。當電動機構在中立位置亮區時，燃亮中立位置信號燈。

首先對控制系統進行建模，控制模型由式（1）引出：

s=vt，t≤a;當t=a時，s=s₁（1）式中：s為電動機構行程;v為電動機構作動速度;t為作動指令持續時間，a為最大脈動步長s₁作動所需要的時間。

對于式（1）中祍s、v、t、a4個控制變量，在通過采集輸入作動指令來精確控制變量t和a以外，還通過對無刷電機進行調速控制（速度環），精確控制變量v，使無刷電機工作在速度閉環狀態，提高電動機構工作速度準確性和穩定性，從而使變量s得到較好的結果。與此同時，在速度閉環控制的基礎上增加外環控制，通過對電動機構行程進行直接閉環控制（行程環），最終實現對輸出變量：，即電動機構行程的精確控制。

3 設計過程

根據模型分析結果確立系統的控制策略和控制對象。

飛機發送伸出/收回工作指令給控制盒?？刂坪兄袑⒐ぷ髦噶顝碾x散量轉換為數字信號處理器（DSP）可處理的數字信號。DSP對信號進行數據處理后，DSP按要求（行程和速度）給出電機控制信號，控制電機動作，輸出軸帶動連桿機構伸出、收回從而來控制方向舵調整片的偏轉角度。同時，電動機構給出位置反饋信號至控制盒，經控制盒綜合處理后，再傳送至飛機EICAS系統，完成整個控制過程。此外，當電動機構作動至中立位置時，燃亮中立位置信號燈。

3.1 控制策略

3.1.1 行程環

位移傳感器的反饋信息被應用于對電動機構，進行行程閉環控制?？刂坪型ㄟ^對行程差進行實時采集，當行程差值達到要求最大步長時，對電機進行制動，精確控制電動機構最大步長。行程閉環調節框圖如圖2所示。

3.1.2 速度環

當接收到作動指示時，控制盒根據作動指令控制電機啟動，同時通過霍爾傳感器對電機運行速度進行實時測量，并對其進行速度調節，達到電機運行速度的閉環精確控制[1]，保證電機運行速度準確、平穩，從而使電動機構以一致的運行速度進行作動。當作動指令取消，電機也能夠以一致的轉速進行制動，從而保證停止的精準度。根據方向舵調整片操縱裝置輸出速率的要求和電動機構的設計參數，對傳動系統的減速比進行計算，得到電機轉速閉環的要求值為5800r/min，速度閉環調節框圖如圖3所示。

3.2 電動機構

電動機構是系統的執行部件，其內部包含了無刷直流電動機（BLDCM）、減速器、輸出軸組件、霍爾傳感器和極限開關等[2]。無刷直流電動機用于動力輸出，減速器和輸出軸組件用于動力傳輸，將電機的旋轉工作方式轉換成電動機構的直線位移工作方式?；魻杺鞲衅饔糜陔姍C換向和轉速采樣、位移傳感器用于位置信息的反饋，極限開關用于行程限位。電動機構的組成及功能圖如4所示。

3.3 控制盒

控制盒以TI公司DSP芯片TMS320 F2812為控制核心，采用C語言作為程序控制語言，控制盒通過DSP控制，采集電機轉速和電動機構的位移反饋量，閉環控制電機的轉速輸出，驅動電動機構工作。

硬件電路設計充分考慮電源特性設計和電磁兼容特性設計，由控制、驅動、電源等部件組成。控制組件由DSP最小系統、數模（AD）轉換電路、EICAS信號電壓輸出電路、中立位置指示電路等組成;驅動組件由離散/開關量輸入輸出電路、光耦隔離電路、無刷電機驅動電路等組成;電源組件由電源輸入處理電路、二次電源電路等組成。

控制盒通過DSP芯片TMS320F2812的磁帶訪問端口（CAP）捕獲無刷直流電動機上霍爾元件的高速脈沖號頻率，檢測電機的轉速，并根據轉速大小改變脈沖寬度調制（PWM）信號輸出值，以達到速度閉環的控制目的。

TMS320F2812集成了PWM發生器端口，可直接通過I/O口輸出PWM波形。PWM波形的參數設置根據事件管理器EVA、EVB的參數設定實現，包含PWM波形的工作方式、頻率、占空比等。定時器控制寄存器的控制字來設定PWM工作方式和頻率，通過調整比較寄存器的數值來改變PWM占空比。

該系統的電機驅動電路與傳統分立式三相全橋開關驅動電路不同，而是采用了WBC02-10電機驅動模塊，將三相全橋開關電路封裝在驅動模塊內，如圖5所示?；魻杺鞲衅髦苯优c驅動模塊連接，實現電機三相全橋開關電路的換向驅動，便可增加電機運行的穩定性。

4 軟件設計

軟件采用模塊化設計，由主程序、定時中斷服務程序和捕獲中斷服務程序組成。主要完成初始化、指令采集、位置采集、轉速采集、PID算法及調速控制、調節位置控制、中立位置點燈，機內自檢測（BIT）等模塊。程序的主要功能流程如圖6所示。

在軟件的所有功能模塊中，其電機的調速閉環控制為核心功能，因此以下主要介紹系統中的電機轉速采集、PID算法及調速控制功能。

4.1 PWM波形設置

PWM波形的參數設置可根據事件管理器EVA、EVB的參數設定實現，包含PWM波形的工作方式、頻率、占空比等。通過設定定時器中控制寄存器的控制字來確定PWM工作方式和頻率，通過調整比較寄存器的數值來改變PWM占空比，輸出可變的PWM占空比波形，如圖7所示。

圖中定時器T1工作于連續增計數模式，通過TlPR設置PWM周期，一個周期為（T1PR+1）個定時器時鐘時間（定時器的時鐘頻率為TCLK*10⁶Hz）。通過T 1 CMPR設置高占空比。

根據PWM產生的原理，可以得出PWM波形的各個參數：

T=（TIPR+1）/（TCLK×10⁶）s（2）

f=（TCLK×10⁶）/（T1PR+1）Hz（3）

D=（TlPR+1-TICMPR）/（TIPR+1）（4）

該系統設計時采用的外部晶振為30MHz，高速外設時鐘HSPCLK頻率設置與外部晶振相同。定時器T1為設置連續增計數模式，PWM的頻率要求為20kHz。根據式（3）可計算得知TIPR=1499;再根據式（3）、式（4）可得到該系統閉環控制中不同占空比D所對應的T1CMPR值。

PWM的初始化所對應寄存器設置如下：

EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2;

//2為連續增計數模式

EvaRegs.T1CON.bit.TPS=0;

//TlCLK=HSPCLK/2p（p=0）

EvaRegs.GPTCONA.bit.TlPIN=1;

//設置低電平有效

EvaRegs.TlPR=1499;

//30M/1500=20KHz，PWM周期為50us

EvaRegs.T1CMPR=500;

//PWM低電平為33.3%，高電平為66.7%

4.2 電機轉速采集-霍爾傳感器的捕獲

轉速的測量方法很多，根據脈沖計數來實現轉速測量的方法主要有測頻法（M法）、測周期法（T法）和頻率周期法（MPT法），由于該系統為步長控制，每次運行的時間最大約為3s，故采用了測頻法（M法）[3]。

由于轉速是以單位時間內轉數來衡量，在變換過程中多數是有規律的重復運動。根據霍爾效應原理，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉速有以下關系：

n=60/PT（5）式中：n為電機轉速，P為電機轉一圈的脈沖數，T為輸出方波信號周期，根據公式即可計算出電機的轉速。

該系統電機上安裝有三個霍爾傳感器A、B、C，一對磁體，故電機轉一圈每個霍爾傳感器只可產生一個脈沖，通過DSP的事件管理器的捕獲單元捕獲霍爾傳感器的A相管腳的電平變化，兩次電平變化的時間差即為電機旋轉一圈的時間，通過公式：30×10⁶/32×60/時間差（其中30×10⁶為系統晶振頻率，32為系統分頻，60為秒轉化為分鐘），計算出電機轉速。

T2定時器捕獲的初始化設置如下：

EvaRegs.T2PR=0xFFFF;

//T2計數周期

EvaRegs.T2CNT=0;

//定時器2計數寄存器清零

EvaRegs.T2CON.a11=0;

//定時器2控制寄存器初值為0

EvaRegs.T2CON.bit.TMODE=2;

//連續增模式

EvaRegs.T2CON.bit.TPS=5;

EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE=1;

//使能T2計數

EvaRegs.CAPCONA.all=0;

//捕獲控制寄存器

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12EN=1;

//使能CAP12捕獲

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAPlEDGE=1;

//刀檢測上升沿

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12TSEL=0;

//CAP1選擇定時器T2

EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIF0=0;

//CAPIFIFO空

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1，

//清CAP1中斷標志位

EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1;

//CAP1中斷使能

根據捕獲程序的初始化設置，將定時器T2控制寄存器T2CON的TPS的值設置為5，故T2CLK=HSPCLK/32=30/32MHz。

結合式（5）可得到電機轉速為：

Speed=60*T2CLK*10⁶/k=56250000/k;

//k=CAP_K1-CAP_K2;

T2定時器捕獲中斷程序如下：

interrupt void CAPINT1_ISR（void）

{

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAPlINT=1;

//清CAP1中斷標

EvaRegs.T2CNT=0;

//定時器2計數寄存器清零

CAP_K1=EvaRegs.CAPlFIF0;

CAP_K2=EvaRegs.CAP1FIF0;

//讀寄存器內兩次的計數值

if（CAP_K2>CAP_K1）

{//計算捕獲數值

k=CAP_K2-CAP_K1;

}

else

{

k=CAP_K2+（OxfffF-CAP_K1）;

}

Speed=56250000/（float）k;

//計算轉速

}

4.3 PWM占空比的調節-PID調速算法

該程序中采用的PID算法來調節PWM的占空比，進行電機調速。

根據PID位置算法公式：式中：凡、凡、戈為比例、微分、積分系數。通過PID算法PWM波占空比的調節使得電機速度保持在要求的5800r/min左右。

具體調速程序如下：

void Tiaosu（void）

{

ActSpeed=Speed;//速度實際值=Speed

Err=5800-ActSpeed;

//偏差值=5800-速度實際值

PWM_Err-Kp*Err+Kd*（Err-Err_last）;

//PWM偏差值

Err_last=Err;

//偏差值作為上一個偏差值

SetSpeed=PWM-PWM_Err;

//速度設定值=PWM-PWM偏差值

if（（SetSpeed>=1）&&（SetSpeed<=1499））

//速度設定值在有效范圍內

{

PWM=（int）SetSpeed;

//PWM的值=速度設定值

}

}

5 試驗驗證

針對產品的技術要求，在額定工作電壓額定負載狀態下對產品電機轉速、系統電流、負載轉矩[4]、行程精度等參數進行了測量，滿足技術指標要求。某試驗波形如圖8所示。

通過采用雙閉環控制以及數字調速，實現在轉速閉環控制方式下，電機在各種負載、不同供電電壓范圍內轉速能夠保持恒定，轉速差在100r內，行程誤差可小于0.1mm，具有良好的一致性。

6 結論

通過在系列產品上的改進實施，提高了系統控制精度，保證方向舵調整片操縱裝置在飛機上復雜的工作環境中，當供電電源在18～32V電壓大范圍變化時，系統均能穩定的保持恒速工作，保證系統的穩定性和精準度。

參考文獻

[1]孫波.基于TMS320F2812的直流無刷電機控制系統研究[J].甘肅科技縱橫，2010，39（3）：13-14.

[2]沙欣.費利扎德.電機及其傳動系統：原理、控制、建模和仿真[M].楊立永，譯.北京：機械工業出版社，2015.

[3]顧衛鋼.手把手教你學DSP：基于TMS320X281X[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[4]劉錦波，張承慧.電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，2015.