導彈電動舵機控制系統設計

王世濤, 董海迪

(1.中國人民解放軍31002部隊，北京 100161；2.海軍工程大學 兵器工程學院，武漢 430030)

0 引言

導彈舵機伺服系統按照功率能源分為電動伺服舵機、氣動伺服舵機和電液伺服舵機三類[1-2]。電動伺服舵機具有結構簡單、使用維護方便、動態響應速度快等優點，廣泛應用于導彈伺服控制系統中，具有良好的應用前景[3]。導彈電動伺服舵機是一種復雜的機電一體化系統，屬于典型位置隨動系統，其控制精度直接影響到導彈制導和姿態控制精度，從而影響到導彈的命中精度。大力矩、高動態的控制系統設計與工程實現一直是制約導彈電動伺服舵機發展的瓶頸問題[4]。

本文以某型導彈大功率電動舵機控制系統的設計指標為依據，開展了控制系統硬件與軟件設計、原理樣機研制與性能實驗等工作。論文結構安排如下：第1節分析舵機控制系統組成及工作原理；第2節提出控制系統硬件設計方案；第3節提出控制系統軟件設計流程；第4節詳細介紹三閉環控制算法的具體實現；第5節通過原理樣機實驗測試控制系統性能；最后是論文的總結。

1 控制系統總體設計方案

1.1 系統組成及工作原理

舵機控制系統主要由伺服電機、主功率驅動電路、減速傳動機構以及電機工作電流、轉子轉速、噴管偏角等檢測傳感器組成[5]，如圖1所示。

圖1 舵機控制系統組成結構

導彈電動舵機控制系統在正常工作狀態下，彈上制導計算機通過總線不斷給電動舵機控制系統發送調整指令信號，伺服控制器接收到調整指令信號后，經過算法處理，控制無刷直流電機轉動，進而驅動噴管進行擺動，同時伺服控制器還將調節過程中實際測量得到的噴管偏角信號反饋回彈上制導計算機；而當發生故障時，彈上制導計算機給電動舵機控制系統發送安全控制指令信號，伺服控制器接收到安全控制信號后，依據預先裝訂好的程序工作，配合導彈的安全自毀動作。無刷直流電機一般采用高速的PWM 控制方式進行調速，通過輸出頻率一定，占空比可調節的PWM信號，實現對無刷直流電機輸入端口電壓的控制，進而控制其轉速，從而驅動導彈噴管擺動，最終實現對導彈的飛行姿態和軌跡的控制。

1.2 控制器設計

考慮到PID控制具有算法簡單、魯棒性好、易于實現等優點，論文采用PID控制算法設計三閉環控制器。在伺服系統的控制系統設計中通常采用典型I型和典型II型系統結構[6]來提高系統的穩定性和控制精度。

舵機控制系統采用位置、速度、電流三閉環控制策略[7]，電流環控制的穩態要求是無靜差，動態要求是迅速跟蹤期望電流變化，且不允許有太大的超調，因此電流環按照典型Ⅰ型系統校正，電流調節器選為PI調節器，具體為：

μ(k)=Kp_I*e(k)+Ki_I*error_sum_I

式中，μ(k)為電流環輸出，Kp_I為比例調節系數，Ki_I為積分調節系數，e(k)為電流誤差量，error_sum_I為電流累計誤差。

速度環控制的穩態要求是無靜差，動態要求是抗擾動性強，因此速度環按照典型Ⅱ型系統校正，速度環選用PI調節器，具體為：

μ(k)=Kp_S*e(k)+Ki_S*error_sum_S

式中，μ(k)為速度環輸出，Kp_S為比例調節系數，Ki_S為積分調節系數，e(k)為速度誤差量，error_sum_S為速度累計誤差。

根據位置環響應速度快且無超調的要求，位置環應該按典型Ⅰ型系統校正，因此位置環采用P調節器，具體為：

μ(k)=Kp_P*e(k)

式中，μ(k)為位置環輸出，Kp_P為比例調節系數，e(k)為位置誤差量。

2 硬件設計

系統硬件電路設計主要由電機功率驅動電路和三閉環反饋回路組成，具體硬件結構如圖2所示，包括DSP主控制單元、FPGA邏輯控制單元、功率驅動電路、相電流測量電路、轉子位置及轉速檢測電路、噴管偏角測量電路、限位等故障保護電路和1553B總線通訊接口電路等。

圖2 控制系統硬件結構

其中，DSP作為主控制單元，在其內部實現系統主控制程序和3個閉環的控制算法，具體過程如下：DSP通過1553B總線與彈上計算機之間進行可靠通信，收到彈上計算機下達的噴管轉動偏角的控制指令；同時DSP通過FPGA控制噴管偏角測量電路、轉子位置檢測電路和ADC模塊分別采集得到噴管的實際偏角、電機轉子的轉動速度和電機相電流；控制指令和實測信號經過DSP內部的三閉環控制算法運算后輸出PWM信號，驅動電機轉動，從而帶動噴管偏轉。

2.1 1553B總線通訊接口電路

1553B總線通訊接口設計采取通訊協議芯片方式實現，FPGA與BU-61580的電路連接如圖3所示。BU-61580芯片工作在16位緩沖模式下，芯片在消息傳輸出現錯誤或接收到新消息時，通過INT信號申請中斷，FPGA通過查詢READYD信號來確定BU-61580芯片的工作狀態，當READYD信號為低電平時表示BU-61580芯片完成了一次讀/寫操作。

圖3 BU-61580與FPGA連接電路

2.2 電機功率驅動電路設計

電機功率驅動電路設計主要采用7MBP75RJ120型功率驅動模塊，具體電路如圖4所示。通過DSP產生PWM信號控制功率驅動模塊IPM內部的IGBT，實現對電機的轉動控制，同時功率驅動模塊IPM的欠壓、過熱、過流故障信號ALMU、ALMV、ALMW和短路信號ALM通過高速光耦芯片TLP521-1傳遞給FPGA，以便發生故障時系統及時處理。

圖4 IPM模塊應用電路

2.3 轉子位置檢測電路

轉子位置檢測電路采用TS2620N21E11型旋轉變壓器，解碼芯片為FB9412PB型角位速度數字轉換器，分辨率5.3′，精度±7.8′，最大跟蹤速度1 000 rps，可輸出角度和速度數據，其中角度輸出為0°～ 360°自然二進制碼，速度輸出為跟蹤速度的二進制補碼。具體電路如圖5所示。

圖5 FB9412PB連接電路

2.4 電流測量電路

電流測量電路原理如圖6所示，將霍爾電流傳感器HMS 20-P的輸出Vout與參考輸出Vref兩者相減可以減小溫度對LEM影響，差值經過2 V抬升電壓處理，轉換為正值，以4:3比例縮小后，實際輸出范圍為0～3 V，可以直接接入ADC端口。兩個二極管組成限壓保護電路，防止傳感器輸出電壓過大燒壞ADC口。

圖6 A相電流采樣電路

2.5 噴管偏角測量電路

噴管偏角測量電路選用EQN425型多圈絕對值編碼器，最大轉數為4 096，每轉位置數為8 192(13 bits)，精度為±20″，計算時間≤0.5 μs，編碼數據類型為格雷碼，對應輸出信號為同步串行信號(SSI)。選擇SSI208P芯片作為SSI信號的接口轉并口模塊，該模塊能夠自動將SSI數據轉換為8位并行數據，數據更新率大于100 kHz。具體電路原理如圖7所示。

圖7 SSI208P連接電路

3 軟件設計

3.1 軟件控制流程

舵機控制系統的軟件程序設計主要由兩部分組成：DSP內部實現的主控制程序和FPGA內部實現的時序控制邏輯。其中，DSP主控制程序采用C語言編寫，在CCS 3.0環境下編譯；FPGA硬線邏輯采用Verilog語言編寫，在QuartusⅡ 9.1環境下編譯。系統整體軟件流程如圖8～9所示。

圖8 控制系統軟件流程 圖9 系統初始化流程

主控制程序首先進行上電初始化和通訊自檢，初始化流程如圖9所示，主要完成DSP的基本配置，涉及到相關寄存器的讀寫操作；1553B功能芯片子地址設置和工作模式選擇；FPGA程序從EPCS4芯片配置到主體芯片；轉子初始定位和偏角測量電路零位標定。在開始工作前，控制系統需要與制導計算機進行通訊自檢，保證通訊通道暢通。

控制系統接收到制導計算機發送的指令后，經過FPGA指令譯碼，轉換成DSP可識別的控制信號，中斷通知DSP，同時開啟DSP的ADC采樣和轉子位置、轉速和噴管偏角測量。DSP響應中斷，從FPGA讀取控制指令信號和實際測量的噴管偏角及轉速信號，結合ADC采樣到的相電流信號，通過數字濾波處理和三閉環PID算法運算，輸出調制PWM到FPGA。FPGA結合檢測到的轉子位置信號，經過換相邏輯處理，控制六路PWM輸出，直接作用于功率驅動模塊，控制電機轉動。

3.2 三閉環控制算法實現

控制器的電流、速度和位置三閉環控制算法是在DSP的XINT1外部中斷服務程序中實現的[8-9]，程序流程如圖10所示。當ADC采樣相電流結束后，就開始執行電流環調節程序，將上次速度調節器的輸出作為電流期望值計算偏差量，經PI調節后輸出給PWM產生模塊。同時Timer 1進行計數操作，當達到速度環調節時間時，中斷執行速度調節程序產生新的電流期望值(S_I)。圖11為電流環程序流程，其中，cnt_I表示Timer計數值，e(k)為誤差量，error_sum_I為誤差累加，u(k)為電流環輸出。

圖10 外部中斷服務程序

圖11 電流環調節程序

速度環的工作頻率是電流環頻率的十分之一，采用PI控制算法[10]。速度環調節程序運行的同時，就開始Timer 2計數操作，如果達到位置環的調節時間，中斷執行位置環調節程序，如果沒有達到，繼續執行速度計算函數。算法過程為：將上次位置調節器輸出作為當前速度期望值，計算當前速度偏差量e(k)，經過PI算法調節后輸出更新電流環輸入。速度環程序流程如圖12所示，圖中，cnt_S表示Timer 2計數值，u(k)為速度環輸出。

圖12 速度環調節程序

位置環處于最外環，計算頻率最低[11]。當執行位置環調節程序時，DSP直接讀取FPGA內部存儲的調整信號和實際測量的偏角，經比例P調節后輸出，更新速度環期望值。位置環程序流程如圖13所示。

圖13 位置環調節程序

4 實驗結果與分析

在電動舵機系統硬件電路綜合調試和軟件控制程序設計的基礎上，構建原理樣機性能測試實驗平臺對舵機控制系統的動態性能和穩態精度進行測試[12-14]，以驗證系統設計方案的可行性。論文所搭建的樣機試驗平臺如圖14所示，主要由舵機控制器、噴管仿真實物、模擬制導計算機、1553B通訊總線、直流穩壓電源、示波器和頻率信號發生器組成。

圖14 樣機實驗平臺

具體實驗步驟為：1)采用28 V/50 A和5 V/12 A直流穩壓電源給舵機系統供電；2)用頻率信號發生器產生標準的脈沖信號和正弦信號，分別測試舵機控制系統3個閉環回路是否正常工作；3)將1553B通訊板設置為總線控制工作模式，模擬制導計算機，通過雙屏蔽電纜和總線耦合器與舵機控制系統的通訊接口連接，直接使用通訊板卡自帶的驅動程序給舵機控制系統發送控制指令，同時接收系統反饋的實測偏角信號，程序截圖如圖15所示。

圖15 1553B總線通訊實驗程序截圖

4.1 系統快速性能測試

為了測試舵機控制系統的動態響應性能和穩態精度，通過1553B總線控制器給舵機系統發送幅值大小為±10°的階躍激勵信號[15-17]，同時接收舵機系統在調整過程中實際測量得到的噴管偏角信號，通過Matlab繪制輸入輸出信號曲線，所得結果如圖16所示。

圖16 階躍信號響應實驗曲線

從圖16中可以得到，系統在+10°階躍信號激勵下的上升時間為46 ms，調節時間為65 ms，超調量為5.2%；-10°階躍信號激勵下的上升時間為47 ms，調節時間為67 ms，超調量為5.1%，完全達到了舵機控制系統設計的動態響應性能指標要求。

4.2 系統跟蹤性能測試

為了測試舵機控制系統的跟蹤性能，給系統施加不同頻率、幅值的正弦信號[18-20]。首先利用Matlab分別將幅值為2°和5°，頻率為1 Hz、2 Hz和5 Hz的正弦信號進行離散化處理，通過1553B總線控制器給系統發送離散的正弦波激勵信號，同時接收控制系統測量得到的噴管實際偏角輸出。系統在不同激勵下輸出響應幅值、相移、最大跟蹤誤差，如表1所示。從表1中數據可以看出，隨著激勵信號頻率增大，系統響應輸出幅值減小、相移增大、跟蹤誤差增大；隨著激勵信號幅值增大，系統相移增大、跟蹤誤差增大。部分實驗結果如圖17所示。

表1 跟隨性能實驗結果表

圖17 5 Hz 5°正弦激勵信號下位置跟蹤實驗曲線

5 結束語

論文研究提出了一種以大功率無刷直流電機為控制對象的舵機系統設計方案，該方案采用了電流、速度、位置三閉環反饋控制設計，具有輸出力矩大、響應速度快、控制精度高、使用壽命長和可維護性好等優點。硬件設計方面，提出了一種DSP和FPGA組合設計電動舵機控制系統硬件設計方案，其中DSP實現復雜控制算法和實時控制程序，FPGA實現時序控制邏輯。軟件設計方面，DSP主控制程序完成系統初始化、三閉環控制算法和產生PWM信號等功能；FPGA實現系統各功能電路的時序邏輯控制。舵機控制系統原理樣機設計完成后，依據現有武器系統測試要求，構建了由模擬制導計算機、1553B總線通訊網絡和舵機控制系統組成的測試系統。實驗結果表明本文所提出的三閉環電動舵機控制系統設計方案可行，各項控制性能指標符合設計要求。