空天飛行器的舵伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冉令峰,何衛(wèi)國(guó)

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引言

空天飛行器是指采用空天發(fā)動(dòng)機(jī)、可水平起降，并自由穿梭于大氣、臨近空間和近地軌道的可重復(fù)使用天地往返飛行器[1-2]。

隨著隱身超音速無人機(jī)、空天飛機(jī)及空天飛行器等新戰(zhàn)略武器的涌現(xiàn)，對(duì)其相應(yīng)的舵伺服系統(tǒng)也提出了更高的要求。早期的液壓舵伺服系統(tǒng)缺點(diǎn)顯著，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、成本高、質(zhì)量大[3]。隨著航天航空技術(shù)的進(jìn)步，促使液壓舵伺服系統(tǒng)逐步向電動(dòng)舵[4]伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，電動(dòng)舵伺服系統(tǒng)以其工藝性好、維護(hù)方便、承載能力強(qiáng)、質(zhì)量小等特性，在航天航空及軍事領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。

隨著系統(tǒng)可靠性的要求越來越高，多數(shù)空天飛行器對(duì)舵伺服系統(tǒng)要求采用雙余度或多余度技術(shù)，通訊方式多要求采用1553B總線。

1553B總線的中文全稱為“飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制指令/響應(yīng)式多路傳輸數(shù)據(jù)總線”，它是一種串行多路數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)[5]。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是雙余度[6]，可以進(jìn)行雙向傳輸。其特性滿足舵伺服系統(tǒng)通訊方式雙余度的要求。

根據(jù)使用范圍的不同，雙余度又分為電氣雙余度[7]和機(jī)械雙余度。電氣雙余度包括控制、驅(qū)動(dòng)及電機(jī)雙余度[8-9]，機(jī)械雙余度主要指?jìng)鲃?dòng)部分雙余度[10]。

本文設(shè)計(jì)的舵伺服系統(tǒng)是空天飛行器在大氣內(nèi)飛行時(shí)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收飛控指令，驅(qū)動(dòng)舵面旋轉(zhuǎn)，從而改變飛行器所受的氣動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)空天飛行器的姿態(tài)和軌跡控制。

1 系統(tǒng)總體方案

舵伺服系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制器、作動(dòng)器和控制軟件組成，采用1553B總線與飛控進(jìn)行信息交換，CAN總線進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部通訊，同時(shí)通過RS-422接口實(shí)現(xiàn)與測(cè)試設(shè)備的信號(hào)交換。

鑒于空天飛行器對(duì)系統(tǒng)要求的功率較大，因此伺服電機(jī)選擇雙繞組永磁同步電機(jī)。采用雙余度齒輪副+滾珠絲杠副直推式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過磁電編碼器實(shí)現(xiàn)位置反饋與速度控制，并通過鎖定電機(jī)軸的方式來實(shí)現(xiàn)舵面的鎖定功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)工作原理

舵伺服系統(tǒng)工作原理是通過1553B總線進(jìn)行通訊，通過數(shù)字信號(hào)處理器綜合控制指令和舵面位置反饋、速度反饋、電流反饋信號(hào)，經(jīng)控制算法運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，并進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)雙繞組永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速后輸出系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，克服舵面上負(fù)載，帶動(dòng)舵面轉(zhuǎn)動(dòng)到指令規(guī)定的位置。工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

3.1.1 功能

1)通過1553B總線接收飛控發(fā)出的舵面角度和速度數(shù)據(jù)指令，進(jìn)行轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速控制；

2)實(shí)現(xiàn)舵面鎖定和解鎖控制；

3)接收外部提供一次電源母線作為產(chǎn)品供電輸入，具備自主監(jiān)測(cè)二次電源等健康狀態(tài)的能力，并將信息通過1553B總線送出；

4)通過1553B總線反饋系統(tǒng)狀態(tài)，包括伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)、舵面位移、轉(zhuǎn)速、自檢結(jié)果、電機(jī)電流、溫度；

5)綜合功率電流、位置、轉(zhuǎn)速等信息，實(shí)現(xiàn)雙余度驅(qū)動(dòng)器熱切換功能。

3.1.2 組成

驅(qū)動(dòng)控制器主要包括二次電源電路、信號(hào)處理電路、1553B接口電路、CAN總線收發(fā)電路、422總線收發(fā)電路、編碼器信號(hào)調(diào)理電路、解鎖控制電路、驅(qū)動(dòng)器功率供電切換電路、功率驅(qū)動(dòng)電路和功率電源處理電路10個(gè)部分。組成及工作原理如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)控制器組成及工作原理圖

3.1.2.1 二次電源電路設(shè)計(jì)

二次電源電路對(duì)+27 V控制電源進(jìn)行二次變換，其中變換的5 V作為數(shù)字信號(hào)處理器電路1553B接口電路、422總線收發(fā)電路進(jìn)行供電。原理圖如圖4所示。

圖4 二次電源電路原理圖

3.1.2.2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路主要以TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335為核心，外圍電路由時(shí)鐘電路、JTAG電路和復(fù)位電路等組成。原理圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)處理電路原理圖

3.1.2.3 1553B接口電路設(shè)計(jì)

1553B接口電路實(shí)現(xiàn)將舵伺服系統(tǒng)接入導(dǎo)航與控制網(wǎng)絡(luò)的功能。包括接口協(xié)議電路、變壓器接口電路和解碼電路。

1)接口協(xié)議電路用于實(shí)現(xiàn)1553B總線通信協(xié)議；

2)變壓器接口電路用于實(shí)現(xiàn)總線接口電平轉(zhuǎn)換、阻抗匹配；

3)解碼電路用于實(shí)現(xiàn)接口協(xié)議電路的片選、模式選擇、讀寫操作等。

本文中的1553B接口符合GJB289A-97要求的帶變壓器耦合的總線接口，采用雙絞屏蔽線作為傳輸介質(zhì)。接口協(xié)議電路選用深圳國(guó)微的SM61580芯片，設(shè)置為RT模式，采用16位緩沖模式，RT地址為11；電平轉(zhuǎn)換電路選用深圳國(guó)微的16位總線收發(fā)器SM164245芯片。

接口原理圖如圖6所示，電平轉(zhuǎn)換原理圖如圖7所示。

圖6 1553B接口電路原理圖

圖7 1553B電平轉(zhuǎn)換電路原理圖

3.1.2.4 CAN總線電路設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理器與兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)電路之間采用CAN總線進(jìn)行通訊。采用信號(hào)處理器片內(nèi)CAN總線控制器，結(jié)合CAN總線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，選用深圳國(guó)微的SM1050芯片。原理圖如圖8所示。

圖8 CAN總線電路原理圖

3.1.2.5 422總線收發(fā)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與測(cè)試設(shè)備之間采用422接口通訊，通過422接口接收來自于測(cè)試設(shè)備的控制指令，并向測(cè)試設(shè)備反饋系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

422總線收發(fā)電路選用MAXIM公司的MAX3490EESA芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到10 Mbps，抗靜電能力達(dá)到8 000 V。原理圖如圖9所示。

圖9 422總線收發(fā)電路原理圖

3.1.2.6 編碼器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

通過絕對(duì)式磁電編碼器實(shí)現(xiàn)舵面角位移的測(cè)量，選用J15EHAS-01型編碼器。

J15EHAS-01型編碼器采用SSI通信接口DA+、DA-、CLK+、CLK-低壓差分信號(hào)傳遞。絕對(duì)位置在控制器發(fā)出的時(shí)鐘脈沖的控制下，從高有效位(MSB)開始同步傳輸；當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線均為高電平。在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)上升沿，編碼器的當(dāng)前位置被送出。時(shí)序圖如圖10所示。

圖10 編碼器讀出時(shí)序圖

編碼器信號(hào)調(diào)理電路選用驅(qū)動(dòng)器FX26LS31和接收器FX26LS32實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

FX26LS31接收來自于數(shù)字信號(hào)處理器的DSP1_CLK信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換低壓差分輸出信號(hào)CH1_CLK_P和CH1_CLK_N差分對(duì)、并輸出到磁電編碼器中；FX26LS32接收來自于編碼器的輸出數(shù)據(jù)CH1_DATA_P和CH1_DATA_N差分對(duì)，并將之轉(zhuǎn)化為單端輸出DSP1_DATA，并輸入到數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。原理圖如圖11所示。

圖11 編碼器信號(hào)調(diào)理電路原理圖

3.1.2.7 解鎖控制電路設(shè)計(jì)

解鎖控制電路在收到解鎖指令后，將數(shù)字信號(hào)處理器的I/O管腳作為控制端，當(dāng)解鎖信號(hào)為高電平時(shí)，繼電器導(dǎo)通，控制電磁鎖制器解鎖。原理圖如圖12所示。

圖12 解鎖控制電路原理圖

3.1.2.8 驅(qū)動(dòng)器功率供電切換電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器功率供電切換電路采用2個(gè)固態(tài)繼電器進(jìn)行1、2通道功率供電的切換控制。

當(dāng)檢測(cè)到兩路驅(qū)動(dòng)電路供電電流均正常時(shí)，兩路繼電器均閉合，1、2路驅(qū)動(dòng)器同時(shí)工作，兩通道輸出力矩各提供50%。當(dāng)檢測(cè)到某一路電流異常時(shí)，將該通道繼電器斷開，驅(qū)動(dòng)器功率電源被切斷。同時(shí)將該通道驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)設(shè)置為無效狀態(tài)，另一路驅(qū)動(dòng)器將單獨(dú)工作。原理圖如圖13所示。

圖13 驅(qū)動(dòng)器功率供電切換電路原理圖

3.1.2.9 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路選用2個(gè)Elmo的BMEAG型永磁同步功率驅(qū)動(dòng)器，其主要參數(shù)指標(biāo)如下：

1)控制供電：18～30 V；

2)功率供電：≥300 V；

3)連續(xù)集電極電流：150 A(殼溫60 ℃)；

4)峰值集電極電流：300 A；

5)穩(wěn)態(tài)功率輸出：10 kW；

6)具備欠壓、過流自動(dòng)關(guān)斷功能；

7)2個(gè)6通道PWM模塊，16通道12 bits ADC，4通道計(jì)時(shí)器；

8)具備CAN、SCI、SPI接口。

3.1.2.10 功率電源處理電路設(shè)計(jì)

功率電源處理電路包括電源濾波電路、瞬態(tài)抑制電路、反電動(dòng)勢(shì)泄放電路。

1)電源濾波電路包含大容量?jī)?chǔ)能鉭電容，用于保證母線電壓相對(duì)穩(wěn)定，選用全鉭電容器CAK39H-L4-150V/220uF-K；

2)瞬態(tài)抑制電路用于吸收母線上的瞬態(tài)高壓浪涌，選用1 500 W瞬態(tài)抑制二極管SY5665A；

3)反向電動(dòng)勢(shì)泄放電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)中電樞線圈電流進(jìn)行快速泄放，選用整流二極管(G)6A4。

3.1.3 模型圖

驅(qū)動(dòng)控制器的模型圖如圖14所示。

圖14 控制驅(qū)動(dòng)器模型圖

3.2 作動(dòng)器設(shè)計(jì)

3.2.1 功能

1)克服負(fù)載力矩及摩擦力矩在一定角速度和角加速度條件下驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn)；

2)實(shí)現(xiàn)舵偏角位置測(cè)量及反饋功能；

3)采用電磁鎖制方式實(shí)現(xiàn)舵面鎖定。

3.2.2 工作原理

作動(dòng)器是將雙繞組永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)固聯(lián)于電機(jī)輸出軸上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)過渡齒輪及固連于絲杠螺母上的末級(jí)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠螺母隨末級(jí)齒輪一起做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠螺母驅(qū)動(dòng)絲杠做沿絲杠軸線的平動(dòng)，最終轉(zhuǎn)換成舵面偏轉(zhuǎn)。

3.2.3 組成

作動(dòng)器由雙繞組永磁同步電機(jī)(含電磁鎖制器)、齒輪減速機(jī)構(gòu)和推缸分部件組成，如圖15所示。

推缸分部件是作動(dòng)器的主體部分，由滾珠絲杠副和推缸本體組成。作動(dòng)器搖臂支耳與推缸分部件中滾珠絲杠副的絲杠集成為一體，支座支耳與推缸本體集成為一體，采用一體化設(shè)計(jì)。

圖15 作動(dòng)器模型圖

3.2.3.1 雙繞組永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)舵伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)最低機(jī)械特性，如圖16所示。

圖16 舵伺服系統(tǒng)最低機(jī)械特性圖

結(jié)合雙繞組永磁同步電機(jī)長(zhǎng)工時(shí)發(fā)熱影響和減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)動(dòng)特性的因素，綜合設(shè)計(jì)作動(dòng)器減速比為400，性能指標(biāo)如下：

1)工作電壓：160 V；

2)額定負(fù)載力矩：2.5 N·m；

3)額定電流：≤12 A；

4)過載力矩：13.85 N·m；

5)過載轉(zhuǎn)速：≥5 000 rpm；

6)過載電流：≤60 A；

7)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：≤8 ms；

8)鎖制器力矩：≥2 N·m；

9)鎖定角度范圍：±60°；

10)鎖制器工作電壓：28 V；

11)鎖制器工作電流：≤1 A；

12)外形尺寸：≤Φ106×180 mm；

13)重量：≤5.7 kg。

作動(dòng)器自鎖功能是通過采用了與電機(jī)一體化設(shè)計(jì)的鎖銷式電磁鎖制器，通過鎖定電機(jī)軸的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)舵軸的間接鎖定。

工作原理：斷電時(shí)利用銜鐵上的鎖銷限制電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)鎖定功能，通過加電產(chǎn)生電磁力將銜鐵吸合解除電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)限制，從而實(shí)現(xiàn)舵面解鎖功能。解鎖和鎖制示意圖如圖17所示。

圖17 解鎖和鎖制示意圖

根據(jù)鎖定要求自鎖力不小于3 800 N，可以計(jì)算得出電機(jī)鎖制力矩約為1 N·m，電磁鎖制器性能參數(shù)為：

1)解鎖電壓：≤24 V；

2)工作電流：≤1 A；

3)鎖制力矩：≥2 N·m；

4)連續(xù)工作時(shí)間：≥2 h。

3.2.3.2 齒輪減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

齒輪減速機(jī)構(gòu)包括電機(jī)齒輪、末級(jí)齒輪、過渡齒輪以及電機(jī)支板、齒輪箱體及一對(duì)深溝球軸承，如圖18所示。

1)電機(jī)通過4個(gè)M8螺釘固定在電機(jī)支板上，電機(jī)齒輪通過圓柱銷與電機(jī)軸固連；

2)末級(jí)齒輪固連在滾珠絲杠副的滾珠螺母上；

3)過渡齒輪分別與電機(jī)齒輪和末級(jí)齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的減速和力矩傳遞；

4)過渡齒輪兩端通過深溝球軸承實(shí)現(xiàn)支撐作用，一對(duì)深溝球軸承分別安裝在電機(jī)支板和齒輪箱體內(nèi)。

圖18 齒輪減速機(jī)構(gòu)示意圖

電機(jī)齒輪、過渡齒輪、末級(jí)齒輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)表

3.2.3.3 推缸分部件設(shè)計(jì)

推缸分部件是作動(dòng)器的主體部分，由滾珠絲杠副和推缸本體組成。示意圖如圖19所示。

圖19 推缸分部件示意圖

3.2.3.3.1 滾珠絲杠副設(shè)計(jì)

滾珠絲杠副是作動(dòng)器中重要的傳動(dòng)部件，主要由滾珠絲杠、滾珠螺母、返向器和鋼球組成，具有傳動(dòng)效率高、輸出力矩大等特點(diǎn)。

工作原理：絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在絲杠與螺母間布置的鋼球依次沿螺紋滾道滾動(dòng)，同時(shí)鋼球促使螺母作直線運(yùn)動(dòng)。為防止鋼球沿螺紋滾道滾出，在螺母上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置(返向器)，構(gòu)成一個(gè)鋼球循環(huán)通道。借助這個(gè)返回裝置，可以使鋼球沿滾道面運(yùn)動(dòng)后，經(jīng)通道自動(dòng)地返回到其工作的入口處，從而使鋼球能在螺紋滾道上連續(xù)不斷地參與工作。尺寸圖如圖20所示。

圖20 滾珠絲杠副尺寸圖

經(jīng)核算滾珠絲杠副修正的軸向額定動(dòng)載荷為44.137 kN。

3.2.3.3.2 推缸本體設(shè)計(jì)

推缸本體是作動(dòng)器的主要支撐和承力部件，采用鈦合金材料。示意圖如圖21所示。

圖21 推缸本體示意圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 功能

系統(tǒng)軟件是空天飛行器的舵伺服系統(tǒng)重要組成部分，結(jié)合硬件部分完成系統(tǒng)的指令接收、跟隨指令、狀態(tài)檢測(cè)及異常處理等功能。

系統(tǒng)軟件為嵌入式軟件，采用ANSI/ISO標(biāo)準(zhǔn)C語言和匯編語言設(shè)計(jì)，經(jīng)編譯后下載至TMS320F28335中運(yùn)行。在主循環(huán)中完成狀態(tài)的監(jiān)控，采用定時(shí)中斷的方式完成系統(tǒng)閉環(huán)控制，采用外部中斷的方式完成與飛控部分通訊。定時(shí)中斷周期設(shè)定為0.5 ms，且配置定時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)高于外部中斷優(yōu)先級(jí)。

4.2 工作原理

初始化配置完畢后，進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中完成系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控以及422總線通訊，并等待中斷發(fā)生。當(dāng)定時(shí)中斷觸發(fā)時(shí)，調(diào)用舵機(jī)控制算法，計(jì)算出電機(jī)速度指令，并通過CAN總線送給功率驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)外部中斷觸發(fā)時(shí)，調(diào)用1553B總線通訊模塊，讀取并解析舵控指令，同時(shí)封裝并發(fā)送舵機(jī)相關(guān)狀態(tài)。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖22所示。

圖22 系統(tǒng)軟件流程圖

4.3 組成

采用模塊化設(shè)計(jì)，將相對(duì)獨(dú)立功能的集成為獨(dú)立的模塊，根據(jù)系統(tǒng)工作時(shí)序等條件進(jìn)行合理調(diào)用。主要包括初始化模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、通訊模塊、外部中斷模塊、定時(shí)中斷模塊和控制算法模塊等6個(gè)模塊組成。

4.3.1 初始化模塊設(shè)計(jì)

軟件運(yùn)行后，首先調(diào)用初始化模塊，主要完成以下功能：

1)配置TMS320F28335時(shí)鐘；

2)配置TMS320F28335中斷向量，中斷優(yōu)先級(jí)；

3)配置看門狗復(fù)位時(shí)間；

4)配置I/O口模式，配置作為普通I/O口的方向，配置普通輸出口的初始電平；

5)配置SPI、SCI、CAN、XINTF、EPWM等外設(shè)；

6)配置1553B專用芯片BU61580，將BU61580芯片配置為RT模式，開啟增強(qiáng)模式，并設(shè)定好堆棧指針、中斷屏蔽寄存器、子地址、子地址控制字等狀態(tài)。

4.3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

軟件初始化運(yùn)行完畢后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中主要調(diào)用實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，以監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，并進(jìn)行故障處理。通過定時(shí)中斷的主循環(huán)計(jì)時(shí)器，保證實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊的調(diào)用周期恒定。主要完成以下功能：

1)判斷主循環(huán)計(jì)時(shí)器是否滿足計(jì)時(shí)條件，若滿足調(diào)用實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，否則仍空閑等待；

2)完成系統(tǒng)狀態(tài)的采集，包括電壓及電流、驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、工作溫度等；

3)判斷系統(tǒng)各狀態(tài)是否正常；

4)完成異常狀態(tài)的處理，根據(jù)故障實(shí)際情況決策系統(tǒng)應(yīng)繼續(xù)運(yùn)行還是停機(jī)或復(fù)位；

5)如果某個(gè)通道功率驅(qū)動(dòng)器或繞組故障，通過I/O口及時(shí)關(guān)閉該通道對(duì)應(yīng)的繼電器；

6)發(fā)生故障時(shí)將相應(yīng)的故障標(biāo)識(shí)置位，以供422總線及1553B總線通訊模塊使用。

4.3.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

4.3.3.1 422總線通訊模塊

RS422總線通訊模塊在主循環(huán)中調(diào)用，負(fù)責(zé)舵機(jī)與測(cè)試設(shè)備之間的通訊。采用查詢的方式完成通訊，主要完成以下功能：

1)當(dāng)查詢到SCI的接收緩存器中有數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行讀??；

2)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)錯(cuò)誤則丟棄當(dāng)前數(shù)據(jù)；

3)校驗(yàn)正確時(shí)，解析數(shù)據(jù)，從中得到舵控指令；

4)將系統(tǒng)狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，封裝后送往SCI的發(fā)送緩存器，通過422總線電路送給測(cè)試設(shè)備。

4.3.3.2 CAN總線通訊模塊

CAN總線通訊模塊負(fù)責(zé)舵機(jī)與功率驅(qū)動(dòng)器之間的通訊，由定時(shí)中斷模塊調(diào)用，主要完成以下功能：

1)將電機(jī)速度指令送給功率驅(qū)動(dòng)器；

2)讀取功率驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)信息，如電機(jī)電流、位置、速度等。

4.3.3.3 1553B總線通訊模塊

1553B總線通訊模塊由外部中斷模塊調(diào)用，負(fù)責(zé)舵機(jī)與飛控之間的通訊，主要完成以下功能：

1)從BU61580的子地址11011b讀取舵控指令，并進(jìn)行解析；

2)將需要反饋的信息進(jìn)行封裝，送往BU61580的子地址。

4.3.4 外部中斷模塊設(shè)計(jì)

外部中斷的觸發(fā)源為BU61580的接收中斷，BU61580接收到飛控發(fā)送的指令后，如果終端地址匹配，則產(chǎn)生外部中斷。主要完成以下功能：

1)調(diào)用1553B總線通訊模塊，完成1553B總線通訊工作；

2)通訊完成后清除中斷標(biāo)識(shí)退出外部中斷。

4.3.5 定時(shí)中斷模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)定時(shí)中斷事件觸發(fā)時(shí)，執(zhí)行定時(shí)中斷模塊，主要完成以下功能：

1)完成舵偏角位置的檢測(cè)，進(jìn)行系數(shù)轉(zhuǎn)換，使其與指令歸一；

2)調(diào)用控制算法模塊，計(jì)算電機(jī)速度指令；

3)調(diào)用CAN總線通訊模塊；

4)清除中斷標(biāo)識(shí)，退出定時(shí)中斷。

4.3.6 控制算法模塊設(shè)計(jì)

控制算法模塊是系統(tǒng)閉環(huán)控制的核心，主要完成以下功能：

1)根據(jù)舵控指令及舵偏角反饋信息，計(jì)算系統(tǒng)的位置誤差；

2)將位置誤差送入數(shù)字PID控制器中進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到電機(jī)速度指令；

3)對(duì)電機(jī)速度指令進(jìn)行限幅。

5 系統(tǒng)聯(lián)合仿真與結(jié)果分析

根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器、作動(dòng)器及控制軟件的設(shè)計(jì)方案，以Simplorer多學(xué)科聯(lián)合仿真平臺(tái)為主,搭建系統(tǒng)仿真模型，如圖23所示。

系統(tǒng)仿真模型模型主要輸入條件如下：

1)控制系統(tǒng)包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，三環(huán)均采用PID控制算法；

2)功率電壓160 V,電機(jī)控制采用空間矢量控制算法，控制周期為0.5 ms，SVPWM周期為166 Hz；

3)電機(jī)2對(duì)極，相電阻為0.11 Ω，力矩常數(shù)為0.26 N·m/A；

4)扭轉(zhuǎn)間隙為6′；

5)電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為7.2×10-4kg·m2。

圖23 系統(tǒng)仿真模型圖

5.1 舵偏角與角速度仿真

加載剛度為120(N·m/°)，當(dāng)系統(tǒng)輸入為幅值25°的方波信號(hào)，舵偏角的仿真結(jié)果如圖24所示，角速度仿真結(jié)果如圖25所示。

圖24 舵偏角仿真結(jié)果

圖25 角速度仿真結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，最大工作舵偏角為25°，舵面角速度為53.2 °/s，分別滿足系統(tǒng)指標(biāo)[-25°,+25°]和50 °/s的要求。

5.2 線性度差與不對(duì)稱度仿真

系統(tǒng)從-25°運(yùn)動(dòng)到+25°響應(yīng)仿真結(jié)果如圖26所示。

圖26 線性度差與不對(duì)稱度仿真結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，線性度偏差為0.2%，不對(duì)稱度為0.4%，滿足系統(tǒng)指標(biāo)[-5%,+5%]的要求。

5.3 動(dòng)態(tài)特性仿真

5.3.1 5°階躍輸入

加載剛度為120(N·m/°)，當(dāng)系統(tǒng)輸入為幅值5°的階躍信號(hào)，仿真結(jié)果如圖27所示。

經(jīng)過計(jì)算，系統(tǒng)超調(diào)為0，過渡時(shí)間約為72 ms，滿足系統(tǒng)指標(biāo)小于等于10%和120 ms的要求。

5.3.2 10°階躍輸入

當(dāng)系統(tǒng)輸入10°階躍信號(hào)，仿真結(jié)果如圖28所示。

經(jīng)過計(jì)算，系統(tǒng)超調(diào)為0，過渡時(shí)間約為193 ms，滿足系統(tǒng)指標(biāo)小于等于10%和240 ms的要求。

5.3.3 頻率特性仿真結(jié)果

舵面在0°時(shí)，疊加正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試信號(hào)的幅度為1°時(shí)，仿真結(jié)果如圖29所示。

圖27 5°階躍輸入的條件的仿真結(jié)果

圖28 10°階躍輸入的條件的仿真結(jié)果

圖29 頻率特性仿真結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，在±10°、±20°情況下的頻率特性與在0°的頻率特性基本一致，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

本文以電氣雙余度控制和雙繞組永磁同步電機(jī)為關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)的舵伺服系統(tǒng)具有承載能力強(qiáng)、質(zhì)量小、可靠性高等特點(diǎn)，滿足了空天飛行器的要求。舵伺服系統(tǒng)已交付航天總體單位，整機(jī)使用無問題，有廣泛的應(yīng)用前景。