機載導(dǎo)彈一控四電動舵機控制器研究與設(shè)計

張馳

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所吉林長春130033）

機載導(dǎo)彈一控四電動舵機控制器研究與設(shè)計

張馳

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所吉林長春130033）

電動舵機作為導(dǎo)彈飛行的執(zhí)行機構(gòu)，其體積重量的減少有利于導(dǎo)彈性能的提升。為了減小體積重量和節(jié)約成本，電動舵機采用三相無刷直流電機+滾珠絲杠直連式結(jié)構(gòu)，采用一個控制器來控制四路舵機。介紹了控制器的硬件結(jié)構(gòu)方案和控制策略，控制器以DSP+CPLD為核心架構(gòu)，采用位置、速度雙閉環(huán)PI控制，實現(xiàn)單一控制器同時控制四套電動舵機相互獨立工作。實驗結(jié)果表明，控制器可以正常工作，舵機帶寬可達到25Hz。

電動舵機；DSP；CPLD；三相無刷直流電機

舵機系統(tǒng)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，在導(dǎo)彈飛行過程中舵機控制器接收彈載計算機的舵偏角信號，控制電機旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生彈體所需要的控制力矩控制彈體飛行。隨著導(dǎo)彈性能要求不斷提升，人們對于電動舵機系統(tǒng)的整體要求向著體積不斷減小，承載能力不斷增強，控制性能不斷提高的方向發(fā)展。稀土永磁材料和新型大功率電子器件使電動舵機的小型化成為可能。本文舵機系統(tǒng)采用三相無刷直流電機+滾珠絲杠直連式結(jié)構(gòu)。為了減小舵機的體積和重量，舵機系統(tǒng)采用一個舵機控制器控制四套舵機?？刂破饕訢SP+CPLD為核心架構(gòu)，DSP作為主控CPU，CPLD用于做接口處理，采用位置環(huán)和速度環(huán)進行雙閉環(huán)控制［1］。

1　舵機控制器硬件設(shè)計

舵機控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。舵機控制器以DSP為核心控制器，用CPLD做邏輯處理，DSP和CPLD之間通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線相連。外部電路包括電源轉(zhuǎn)換電路，電位計的AD采集電路，串口和CAN總線接口電路，霍爾信號和編碼器信號接口電路，隔離驅(qū)動電路，三相橋式功率主電路。

舵機控制器分為功率電路、數(shù)字電路、模擬電路3部分。圖1中虛框1為數(shù)字電路部分，虛框2中為模擬電路部分，虛框3中為功率電路部分。舵機控制器的功率地和彈上熱電池的地是共在一起的，通過兩個隔離的DC-DC模塊分別將數(shù)字地和模擬地與功率地進行隔離，數(shù)字地和模擬地通過磁珠單點連接在一起。

圖1　舵機控制器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1Block diagram of the structure of rudder controller

電源轉(zhuǎn)換電路將彈上熱電池的28 V電壓轉(zhuǎn)換成舵機控制器上數(shù)字電路部分所需的+5 V、+3.3 V和+1.9 V，模擬電路部分所需的±15 V，功率電路部分所需的+5 V和+15 V。

DSP為整個控制系統(tǒng)的核心，完成電位器AD采樣的控制，系統(tǒng)保護、控制算法的實現(xiàn)和通信等任務(wù)。TMS320 F28335高速計算能力及豐富的內(nèi)部集成模塊，不僅簡化了系統(tǒng)外圍模塊的設(shè)計，也降低了對這些模塊支持的應(yīng)用程序的編寫難度，從而使系統(tǒng)的集成度、可靠性得到提高。由于整個系統(tǒng)多達4個舵機，有12路霍爾信號和12路編碼器脈沖信號，因此外加邏輯器件來實現(xiàn)邏輯仲裁和脈沖信號的采樣，CPLD型號為Altera公司的EPM1270，CPLD主要完成速度環(huán)的采樣和PWM控制信號的生成。編碼器輸出信號為差分信號，通過TI公司的芯片SN65175D轉(zhuǎn)換為單端信號，再通過電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245與CPLD相連，在CPLD內(nèi)完成對編碼器輸出脈沖個數(shù)的計數(shù)，通過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與DSP進行通信，完成系統(tǒng)對電機速度信號的采集。三路霍爾信號與DSP輸出的PWM信號以及方向信號在CPLD內(nèi)進行邏輯組合，得到驅(qū)動舵機電機所需的六路驅(qū)動信號。

舵機系統(tǒng)采用電位器檢測位置信號，與舵機輸出軸相連的電位器由電壓基準芯片MAX6176提供+10 V的壓基準，電位器輸出抽頭部分的電壓經(jīng)由運算放大器INA128構(gòu)成的射極跟隨器后通過AD轉(zhuǎn)換與DSP相連。DSP自帶的12位的AD無法滿足系統(tǒng)位置分辨率小于0.001°的要求，所以外擴一個16位的AD轉(zhuǎn)換器，型號為AD公司的AD7606。

主電路與控制電路之間通過磁耦進行隔離，隔離芯片型號為ADUM1401，驅(qū)動芯片采用IR公司的IR2136，它由單電源供電，工作頻率可達十萬赫茲以上，具有強大的欠壓和過流保護功能。

舵機控制器的通信接口包括CAN總線接口和隔離式RS-422串口。CAN總線接口用于調(diào)試使用，驅(qū)動芯片選擇TI公司的SN65HVD230。隔離式RS-422串口用于與彈上其他設(shè)備進行通信，驅(qū)動芯片選擇AD公司的ADM2582。為了能夠在線配置系統(tǒng)參數(shù)，利用DSP的SPI接口外擴了EEPROM芯片。

通過以上設(shè)計，控制器可實現(xiàn)舵機的自動控制與對外通信等功能。

2　舵機控制器軟件設(shè)計

舵機控制器能夠?qū)崿F(xiàn)位置外環(huán)和速度內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，舵機的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)控制框圖Fig.2Block diagram of control system

舵機控制器軟件包括DSP部分的程序和CPLD部分的程序?？刂浦鞒绦蛟贒SP完成，CPLD完成編碼器脈沖的計數(shù)和PWM控制波的生成。DSP內(nèi)程序主要完成以下工作：

1）通過RS-422總線接收并解碼彈載計算機發(fā)出的控制指令，并發(fā)送舵偏角反饋指令給彈載計算機；

2）對位置、速度傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理；

3）控制律計算；

4）生成PWM波。

根據(jù)、DSP內(nèi)程序的主要功能，DSP內(nèi)程序由以下幾部分組成：

1）初始化模塊；

2）數(shù)據(jù)采集與處理模塊；

3）控制律計算模塊；

4）PWM波生成模塊；

5）串口通信模塊。

舵機控制器的軟件流程圖如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖Fig.3Flow chart of program

3　實驗結(jié)果

根據(jù)導(dǎo)彈技術(shù)指標要求，電動舵機技術(shù)指標如表1所示。

表1　舵機系統(tǒng)技術(shù)指標Tab.1The technology requirements of rudder

舵機系統(tǒng)采用三相無刷直流電機+滾珠絲杠直連式結(jié)構(gòu)，減速比為143。舵機跟蹤20°階躍信號結(jié)果如圖4所示，超調(diào)量小于5%。舵機跟蹤1°25 Hz正弦信號結(jié)果如圖5所示，跟蹤幅值衰減到0.8°，大于0.707°，延遲時間為8 ms，小于12 ms。圖4和圖5中虛線為位置指令，實線為舵機實際跟蹤曲線。

圖4　舵機20°階躍跟蹤測試圖Fig.4The trail curve of 20°

圖5　舵機帶寬測試圖Fig.5The trail curve of bandwidth

4　結(jié)論

實驗結(jié)果表明，電動舵機系統(tǒng)的性能指標達到技術(shù)指標要求，本文所設(shè)計的以DSP+FPGA為核心的一控四舵機控制器設(shè)計合理，工作可靠，減小了舵機系統(tǒng)的體積和重量，可以應(yīng)用于導(dǎo)彈舵機系統(tǒng)當中。

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The study and design of one-to-four electric rudder controller of the missile with plane

ZHANG Chi
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

As the actuator of the missile，the reduction of volume and weight of electric rudder can improve the performance of the missile.In order to reduce the volume and cost of the rudder in the missile，the electric rudder made the combination of BLDC directed by ball screw，four rudder can be controlled by one controller in the paper.The paper introduced the structure solution and control strategy of the controller，the controller used the DSP and FPGA as the core，consists of DSP+FPGA，the system adopted the double close-loop，it contained speed loop and position loop with PI control strategy.At last，the controller can work for four independent electric rudder at the same time.The experiment results show that the controller can work and the bandwidth of system can reach 25Hz.

electric rudder；DSP；FPGA；BLDC

TN7

A

1674-6236（2015）20-0117-03

2015-03-23稿件編號：201503303

張馳（1986—），男，吉林吉林人，助理研究員。研究方向：電動舵機。