容差分析在舵機反饋采樣控制電路中的應用

饒大偉，張昆峰

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471009）

由于制造工藝水平和使用環境特殊限制，空空導彈電路中電子元器件的實際參數總是和其標稱值之間存在隨機誤差，這嚴重制約導彈電路性能可靠性。且其對產品成本有控制要求，在同時保證導彈高性能、高可靠性和經濟性的背景下，如何選擇合適的電子元器件參數就顯得尤為重要。

容差分析就是在給定元器件參數分布范圍，計算其變化對系統性能的影響。通過分析，可以評估電路系統中元器件的參數變化對系統影響的大小，從而據此來優化設計，將電路的誤差控制在可靠范圍內[1，3]。

舵機反饋采樣控制電路通過將角位移轉換為電信號實現對舵面的實時準確檢測，它作為舵機中的關鍵電路，其精確控制性能將直接影響導彈的飛行姿態，任務完成度和產品安全性。本文將重點對舵反饋采樣控制電路進行容差分析和設計。

1 Saber容差仿真分析

Saber軟件憑借Windows集成開發環境，對電路容差仿真分析，大大減少建模型和復雜運算的工作量。基于Saber進行容差仿真分析，首先要選擇電路系統中關鍵電路，及其元器件參數分布和使用環境邊界條件；而后確定輸入量、元器件參數和電路輸出響應之間關系；之后選取一種恰當的容差分析方法，求解電路輸出及偏差范圍。最常用的容差分析思想是基于統計學和以靈敏度為基礎的非概率統計，也即蒙特卡羅分析（Monte Carlo Analysis）和最壞情況分析（Worst-Case Analysis）[6-7]。

蒙特卡羅分析是假設電路組成部分的性能參數服從某種分布，由電路組成部分性能參數抽樣來分析電路系統性能參數偏差的一種統計分析方法[3]。

最壞情況分析是利用元器件極限值來計算系統性能參數變化范圍[4-5]。最壞情況分析方法容易操作，但得出的分析結果過于保守。

2 舵機反饋采樣電路容差分析

2.1 舵機反饋采樣電路基本工作原理

舵機反饋采樣電路采用電位器反饋測量舵面實際位置，反饋電位器將舵面位移轉換為直流電壓信號輸出，為將電位器輸出的電壓信號調整在后端處理電路允許的輸入信號范圍內，使用電阻串連在電位器兩端進行電壓限位。為消除反饋回路上的高頻干擾，電位器輸出信號采用一階低通有源濾波電路進行濾波。為了提高反饋輸出電壓信號的驅動能力，將反饋信號通過運算放大器JL148BCA進行電壓跟隨。之后，調理后的舵面位置信號經A/D轉換成位置數據，位置量被送進DSP參與控制運算，主要原理框圖如圖1所示。

圖1 舵機反饋采樣控制電路框圖Fig.1 Structure diagram of sampling and control circuit of a servo feedback

舵機反饋采樣控制電路對四個相互獨立、對稱的舵面進行位置采樣控制，本文只分析其中一個通道的電路。電路正常工作時，A/D供電電路、A/D轉換誤差及+27 V電源濾波電路等對系統反饋采樣電路性能影響極小，且A/D誤差可以在后續處理運算中用軟件來修正，可以不作分析，只對與反饋電位器相關的電路進行容差仿真分析。

利用Saber軟件進行電路容差分析建模，搭建完成的舵反饋采樣控制仿真電路圖如圖2所示，其中Posmeter為電位器的仿真模型，隨著電位器的轉動，R1和R2的比值發生變化，從而使電位器的輸出Ctrl發生相應的改變。

圖2 舵反饋采樣控制電路仿真模型Fig.2 Simulation model of sampling and control circuit for servo feedback

2.2 基于最壞情況分析的容差分析

舵面在零位時，選擇舵反饋采樣控制電路中的位置跟隨輸出POS信號進行靈敏度分析，POS的靈敏度分析結果如圖3所示。

圖3 電壓跟隨器輸出POS的靈敏度分析結果Fig.3 Sensitivity analysis results of voltage follower output POS

從圖3可以看出，電位器的供電電壓15 V和-15 V、電位器滑動阻值和電位器兩端的串接電阻R1和R2對POS影響比較大，在擾動范圍內，R1和-15 V與POS變化方向相同，R2和15 V與POS變化方向相反。

因此可以得出，影響 POS輸出的器件主要是 R1、R2、MTR2815D的輸出和電位器。根據靈敏度分析結果，可對R1、R2、MTR2815D和電位器取極值進行極值分析。由于電阻R1和R2的容差為±1%，電位器總阻值為4.7 kΩ，容差為±10%，MTR2815D正輸出電壓為14.85～15.15 V，負電源輸出為-15.23～14.77 V。R1和-15 V與POS變化方向相同，R2和15 V與POS變化方向相反，采用最壞分析方法對電路進行分析?？梢粤谐龃治龅淖顗那闆r如表1所示。

2.2.1 極小值情況分析

設置 R1=788.04，R2=803.96，正電壓輸出 V=15.225，負電壓輸出V=-15.345。

1）當電位器總阻值為5.17 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（a）所示。

表1 極值表Tab.1 Extreme values

2）當電位器總阻值為4.23 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（b）所示。

2.2.2 極大值情況分析

設置 R1=788.04，R2=80.3.96，正電壓輸出 V=14.775，負電壓輸出V=-14.655。

1）當電位器總阻值為5.17 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（c）所示。

圖4 最壞情況仿真結果Fig.4 Simulation results of worst-case analysis

2）當電位器總阻值為4.23 kΩ時，POS的仿真輸出如圖4（d）所示。

綜合以上分析結果，可以得到，POS的極大值為0.059668V，極小值為-0.060 0339 V。

2.3 基于蒙特卡羅的容差分析

DC/DC 電路 MTR2815D 輸出電壓為+15（1±1.5%）V、-15（1±2.3%）V，C1、C3、C8、C9、C10、C11精 度 等 級為±10%，C2、C4精度等級為±10%，R1為金屬氧化膜電阻精度等級為 1%，R14、R15、R16、R17為 10 kΩ 精 度 等 級±5%，R6、R7為 金 屬 膜 電 阻796Ω精度等級為±1%，R41為精密導電塑料電位器，標稱阻值為 4.7 kΩ±10%，有效電行程為 300±3°。

設置所有參數的分布為隨機分布，對舵機反饋采樣控制仿真電路進行蒙特卡羅分析。

設置舵面在零位時：

1）電位器總阻值為5.17 kΩ時，POS的蒙特卡羅分析結果如圖 5（a）所示。

2）電位器總阻值為4.23 kΩ時，POS的蒙特卡羅分析結果如圖 5（b）所示。

從上述仿真分析可以看出，JL148BCA跟隨輸出POS幅值的極限變化范圍-0.326 53 V～0.325 53 V，且在±0.3 V和0 V電平值附近出現頻率較高。

圖5 蒙特卡羅仿真結果Fig.5 Simulation results of Monte Carlo analysis

3 容差仿真結果分析

綜合以上結論，采用極值分析和蒙特卡羅分析，可以看到舵反饋采樣控制電路的輸出均在TLC2578允許的輸入信號范圍內，完全滿足設計要求。其中，對舵反饋采樣控制電路的輸出影響比較大的元器件為R1、R2、MTR2815D，在電路中選用時精度等級都相對比較高，從而使該電路的輸出精度比較高。而電路中電位器器的誤差等級為±10%，誤差等級比較低，在不考慮其他參數影響的情況下，電位器阻值為4.7 kΩ和電位器阻值為5.17 kΩ時，導致JL148BCA的跟隨輸出在舵偏角為0°時偏差最大可以達到0.054 5 V，這個差值將導致TLC2578輸出的數字量差值為11，反應在角度上差值為0.2°。在舵面正常工作±39°之間時，通過文中方法分析其在任意范圍內的電路性能，其結果反應一致。所以，為提高舵反饋的精度，可以考慮在現有電路系統中采用精度等級更高的電位器，并在后續舵機工程化應用中得到驗證。

4 結束語

容差分析是電路系統可靠性設計與分析的一個重要措施[2，8]。文中采用Saber仿真分析軟件對某空空導彈的舵機反饋采樣電路進行容差分析研究，預測電路系統性能的穩定性以及電路中元器件參數變化對性能的影響，找出影響舵反饋電路性能的重要因素，并提出下一步改進設計的方案。容差分析可以對所舵機電路的性能進行評估，同時，為電路系統的可靠性設計提供了一種有效方法，對導彈舵機工程化具有重要價值。

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