基于MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 帆 陳子瑋 白 雷 馮小強(qiáng) 王萬(wàn)雷 付 士

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基于MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 帆 陳子瑋 白 雷 馮小強(qiáng) 王萬(wàn)雷 付 士

（湖北三江航天紅峰控制有限公司,孝感 432000）

為滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、負(fù)載大、低氣壓環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)。本文從電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析三方面詳細(xì)分析闡述，并根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)測(cè)試論證系統(tǒng)性能完成情況。采用用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和無(wú)刷直流電機(jī)構(gòu)成的模擬控制伺服系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，具有功能完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的特點(diǎn)，產(chǎn)品技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠應(yīng)用前景廣。

MSK4310；無(wú)刷電機(jī)；伺服系統(tǒng)

1 引言

針對(duì)系統(tǒng)剛度高、偏轉(zhuǎn)角度精度高、動(dòng)態(tài)特性好、低氣壓工作環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)一種基于無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MSK4310的伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于工作在低氣壓環(huán)境，因此采用無(wú)刷直流電機(jī)作為控制對(duì)象。系統(tǒng)與上位機(jī)通信收發(fā)接口均使用模擬信號(hào)，為簡(jiǎn)化電路機(jī)構(gòu)、保證質(zhì)量可靠性，選用模擬控制方式。系統(tǒng)中控制信號(hào)、反饋信號(hào)通過(guò)有源濾波器處理后參與控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？刂扑惴▽?shí)現(xiàn)電路輸出量連接無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

相對(duì)于傳統(tǒng)分立元件MOSFET搭建三相橋電路作為功率驅(qū)動(dòng)電路，選用集成電路無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MSK4310具有結(jié)構(gòu)體積較小、外圍電路配置簡(jiǎn)單、無(wú)需HALL信號(hào)解碼回路設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷無(wú)刷直流電機(jī)搭建的伺服控制系統(tǒng)，集成化高、調(diào)速范圍廣、質(zhì)量體積小、能效比高，在伺服系統(tǒng)領(lǐng)域有良好的推廣應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)方案

伺服系統(tǒng)由兩個(gè)機(jī)電做動(dòng)作、一個(gè)控制器及電纜網(wǎng)組成。

控制器接收上位機(jī)發(fā)出的模擬控制信號(hào)，并將控制信號(hào)和舵機(jī)反饋信號(hào)按照一定的控制規(guī)律生成電壓信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)輸出軸偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)角度和力矩輸出。采用位置傳感器敏感舵軸位置并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)反饋至控制器，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)位置閉環(huán)。其系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)方案原理圖

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 控制器電路原理

控制器分為控制部分和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠种饕啥坞娫?、綜合放大器、濾波器組成。根據(jù)輸入和遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行隔離的要求增加隔離和電源芯片。驅(qū)動(dòng)部分采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)外圍配置電路?？刂破麟娐吩砜驁D如圖2所示。

3.2 主要電路設(shè)計(jì)

3.2.1 二次電源電路設(shè)計(jì)

根據(jù)控制電路需要，將提供的+28V通過(guò)電源模塊變換為±15V、±15V1、+5V、±12V等?！?5V、+5V用于運(yùn)放等供電，±15V1用于信號(hào)隔離電路供電，±12V用于角度傳感器供電，原理圖如圖3所示。

圖3 二次電源電路

3.2.2 隔離電路設(shè)計(jì)

隔離電路主要是將輸入作動(dòng)器控制信號(hào)隔離后用于伺服系統(tǒng)內(nèi)部控制，將作動(dòng)器反饋信號(hào)隔離后提供給上位機(jī)。采用隔離芯片ISO120SG對(duì)作動(dòng)器控制信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行隔離。

3.2.3 濾波器設(shè)計(jì)

角度傳感器反饋的電壓信號(hào)是參與系統(tǒng)控制算法的重要控制量之一，考慮信號(hào)通過(guò)復(fù)雜環(huán)境條件及伺服系統(tǒng)帶寬要求等，對(duì)反饋信號(hào)設(shè)計(jì)一個(gè)二級(jí)低通濾波器。通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)，濾波器衰減斜率為-40dB/10oct，阻尼系數(shù)為1.73，截止頻率為30Hz，能夠有效慮除反饋信號(hào)中的高頻噪聲，確保信號(hào)穩(wěn)定有效等要求。

3.2.4 綜合放大器設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)采用經(jīng)典PID控制算法，控制電路對(duì)控制信號(hào)、反饋信號(hào)等進(jìn)行綜合，經(jīng)比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)控制及處理后，最后綜合放大輸出無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收的速度控制信號(hào)。

PID控制算法實(shí)現(xiàn)，控制信號(hào)與反饋信號(hào)綜合產(chǎn)生誤差信號(hào)，當(dāng)誤差信號(hào)大于零時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)隨誤差值增大而增大至飽和，電機(jī)調(diào)速至最大速度，轉(zhuǎn)動(dòng)極性控制信號(hào)方向保持一致；當(dāng)誤差信號(hào)小于零時(shí)，電機(jī)反向制動(dòng)，降低電機(jī)速度，誤差值迅速減小，直至控制信號(hào)與反饋信號(hào)相同。通過(guò)仿真分析、實(shí)物對(duì)接測(cè)試，確定合適參數(shù)值，保證伺服系統(tǒng)性能合格。

3.2.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)綜合放大器處理生成驅(qū)動(dòng)模塊接收的速度控制信號(hào)，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。根據(jù)伺服系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)電路及制動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)模塊采用MS Kennedy公司的無(wú)刷直流電機(jī)MSK4310驅(qū)動(dòng)器，其接受電機(jī)反饋的霍爾信號(hào)，與輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)比較，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度閉環(huán)，并具有限電流保護(hù)功能和制動(dòng)控制功能。電機(jī)選用直流無(wú)刷電機(jī)，其工作電壓28V，額定轉(zhuǎn)速5600r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.03N/m。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)電作動(dòng)器組成及工作原理

機(jī)電作動(dòng)器由直流無(wú)刷電機(jī)、齒輪組、滾珠絲杠副、搖臂輸出軸、角度傳感器組成。

機(jī)電作動(dòng)器工作原理：機(jī)電作動(dòng)器配電后，電機(jī)通過(guò)齒輪組減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副運(yùn)動(dòng)，將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，螺母推動(dòng)搖臂動(dòng)作，即當(dāng)電機(jī)在控制系統(tǒng)作用下正反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)齒輪組、滾珠絲杠副、搖臂的減速，實(shí)現(xiàn)輸出軸的正反角度偏轉(zhuǎn)及力矩輸出，而與輸出軸同軸安裝的角度傳感器可即時(shí)敏感并反饋輸出角度的變化。機(jī)電作動(dòng)器工作原理如圖4所示。

圖4 機(jī)電作動(dòng)器工作原理示意圖

4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)電作動(dòng)器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由殼體、減速機(jī)構(gòu)、輸出軸等組成，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)機(jī)械接口對(duì)接、力矩及速度的傳遞、電機(jī)和角度傳感器的對(duì)接等。

5 仿真分析

建立伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖5所示，模型由位置環(huán)、位置經(jīng)濾波、微分后的速度環(huán)、內(nèi)部電流環(huán)組成。

圖5 伺服系統(tǒng)模型

5.1 伺服機(jī)構(gòu)時(shí)域特性分析

通過(guò)仿真分析，在空載條件下，給伺服機(jī)構(gòu)施加2°階躍信號(hào)時(shí)，機(jī)電作動(dòng)器的響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示，上升時(shí)間為70ms，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的125ms要求。

圖6 2°時(shí)域特性圖

5.2 伺服機(jī)構(gòu)頻域特性分析

圖7 2°、3Hz頻率特性圖

在1N.m/o彈性負(fù)載下，給伺服機(jī)構(gòu)施加2°/3Hz、偏置10°的正弦波信號(hào)，響應(yīng)情況仿真結(jié)果見(jiàn)圖7，幅頻值-0.6dB、相頻值-36.2°，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

6 實(shí)物測(cè)試

伺服系統(tǒng)按要求裝配完成后，通過(guò)電纜網(wǎng)連接測(cè)試儀，進(jìn)行系統(tǒng)性能測(cè)試。伺服機(jī)構(gòu)單項(xiàng)性能測(cè)試包括零位測(cè)試、位置測(cè)試、時(shí)域特性、頻域特性及死區(qū)特性等，檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及系統(tǒng)剛度是否滿(mǎn)足要求。

6.1 時(shí)域特性測(cè)試

在空載帶模擬慣量條件下，分別對(duì)±1.33V（2°）時(shí)域特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 帶慣量±1.33V時(shí)域特性曲線(xiàn)

通過(guò)上圖可以看出，伺服機(jī)構(gòu)在±1.33V、階躍響應(yīng)達(dá)到90%的上升時(shí)間分別為53/51(ms)。伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足上升時(shí)間不大于125ms的設(shè)計(jì)要求。機(jī)電作動(dòng)器帶配重慣量模擬實(shí)際工作狀況，由于慣量是重量6.4kg，直徑為100mm的圓柱體，質(zhì)量大、質(zhì)心高、慣量矩大，階躍環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)工作造成一定影響，對(duì)伺服系統(tǒng)剛度提出很高的要求。

6.2 頻域性能測(cè)試

圖9 帶慣量時(shí)2°、3Hz響應(yīng)曲線(xiàn)

伺服機(jī)構(gòu)在帶模擬機(jī)慣量條件下，2°、3Hz頻率特性測(cè)試，反饋曲線(xiàn)較好跟隨控制曲線(xiàn)，其結(jié)果為（-0.575dB，-19.414°）。滿(mǎn)足帶寬2°、3Hz帶寬要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。

6.3 死區(qū)測(cè)試

在空載條件下，施加信號(hào)為+0.1°方波，作動(dòng)器反饋信號(hào)測(cè)試曲線(xiàn)如圖10所示，結(jié)果表明系統(tǒng)死區(qū)小于0.1°。測(cè)試結(jié)果表明，伺服系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試滿(mǎn)足要求，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及系統(tǒng)剛度符合技術(shù)需求。

圖10 死區(qū)測(cè)試響應(yīng)曲線(xiàn)

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MSK4310的模擬控制伺服系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)物測(cè)試檢驗(yàn)，證明系統(tǒng)性能符合設(shè)計(jì)需求。伺服系統(tǒng)對(duì)空間要求較嚴(yán)、體積小，且機(jī)電作動(dòng)器的負(fù)載慣量相對(duì)較大，因此要求系統(tǒng)具有良好的剛度，最終通過(guò)調(diào)整控制環(huán)節(jié)參數(shù)與機(jī)電作動(dòng)器的可控參數(shù)實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)采用模擬控制方式，選用無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流無(wú)刷電機(jī)構(gòu)成，相對(duì)于傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)有刷電機(jī)，系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、效率高、適用低氣壓環(huán)境、壽命長(zhǎng)等，且產(chǎn)品技術(shù)成熟，在伺服領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 陳佰時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003

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Design of Analog Control Servo System Based on MSK4310

Yang Fan Cheng Ziwei Bai Lei Feng Xiaoqiang Wang Wanlei Fu Shi

(Hubei Sanjiang Space Hongfeng control Co,Ltd., Xiaogan 432000)

In order to meet the requirements of small size, light weight, large load and low pressure environment of servo system, an analog control servo system based on brushless motor driver MSK4310 is designed. The performance of the system is demonstrated according to the product test and is analyzed from the circuit design, the structural design, and the simulation analysis. The analog servo system composed of brushless motor driver and brushless motor has the characteristics of perfect function and simplified structure. The product is mature in technology, reliable in quality and promising in application.

MSK4310；brushless motor；servo system

楊帆(1987),碩士，控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2017-08-24