機載導彈一控四電動舵機控制器研究與設計

張馳

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所吉林長春130033）

機載導彈一控四電動舵機控制器研究與設計

張馳

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所吉林長春130033）

電動舵機作為導彈飛行的執行機構，其體積重量的減少有利于導彈性能的提升。為了減小體積重量和節約成本，電動舵機采用三相無刷直流電機+滾珠絲杠直連式結構，采用一個控制器來控制四路舵機。介紹了控制器的硬件結構方案和控制策略，控制器以DSP+CPLD為核心架構，采用位置、速度雙閉環PI控制，實現單一控制器同時控制四套電動舵機相互獨立工作。實驗結果表明，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

舵機系統是導彈控制系統的執行機構，在導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，從而驅動舵面偏轉，產生彈體所需要的控制力矩控制彈體飛行。隨著導彈性能要求不斷提升，人們對于電動舵機系統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。本文舵機系統采用三相無刷直流電機+滾珠絲杠直連式結構。為了減小舵機的體積和重量，舵機系統采用一個舵機控制器控制四套舵機。控制器以DSP+CPLD為核心架構，DSP作為主控CPU，CPLD用于做接口處理，采用位置環和速度環進行雙閉環控制［1］。

1　舵機控制器硬件設計

舵機控制器硬件結構如圖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之間通過數據線、地址線和控制線相連。外部電路包括電源轉換電路，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，隔離驅動電路，三相橋式功率主電路。

舵機控制器分為功率電路、數字電路、模擬電路3部分。圖1中虛框1為數字電路部分，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模塊分別將數字地和模擬地與功率地進行隔離，數字地和模擬地通過磁珠單點連接在一起。

圖1　舵機控制器硬件結構圖Fig.1Block diagram of the structure of rudder controller

電源轉換電路將彈上熱電池的28 V電壓轉換成舵機控制器上數字電路部分所需的+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為整個控制系統的核心，完成電位器AD采樣的控制，系統保護、控制算法的實現和通信等任務。TMS320 F28335高速計算能力及豐富的內部集成模塊，不僅簡化了系統外圍模塊的設計，也降低了對這些模塊支持的應用程序的編寫難度，從而使系統的集成度、可靠性得到提高。由于整個系統多達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轉換為單端信號，再通過電平轉換芯片SN74LVC4245與CPLD相連，在CPLD內完成對編碼器輸出脈沖個數的計數，通過數據線、地址線和控制線與DSP進行通信，完成系統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內進行邏輯組合，得到驅動舵機電機所需的六路驅動信號。

舵機系統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由運算放大器INA128構成的射極跟隨器后通過AD轉換與DSP相連。DSP自帶的12位的AD無法滿足系統位置分辨率小于0.001°的要求，所以外擴一個16位的AD轉換器，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總線接口用于調試使用，驅動芯片選擇TI公司的SN65HVD230。隔離式RS-422串口用于與彈上其他設備進行通信，驅動芯片選擇AD公司的ADM2582。為了能夠在線配置系統參數，利用DSP的SPI接口外擴了EEPROM芯片。

通過以上設計，控制器可實現舵機的自動控制與對外通信等功能。

2　舵機控制器軟件設計

舵機控制器能夠實現位置外環和速度內環雙閉環控制，舵機的控制系統框圖如圖2所示。

圖2　系統控制框圖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。控制主程序在DSP完成，CPLD完成編碼器脈沖的計數和PWM控制波的生成。DSP內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出的控制指令，并發送舵偏角反饋指令給彈載計算機；

2）對位置、速度傳感器數據的采集與處理；

3）控制律計算；

4）生成PWM波。

根據、DSP內程序的主要功能，DSP內程序由以下幾部分組成：

1）初始化模塊；

2）數據采集與處理模塊；

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　控制系統軟件設計流程圖Fig.3Flow chart of program

3　實驗結果

根據導彈技術指標要求，電動舵機技術指標如表1所示。

表1　舵機系統技術指標Tab.1The technology requirements of rudder

舵機系統采用三相無刷直流電機+滾珠絲杠直連式結構，減速比為143。舵機跟蹤20°階躍信號結果如圖4所示，超調量小于5%。舵機跟蹤1°25 Hz正弦信號結果如圖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　結論

實驗結果表明，電動舵機系統的性能指標達到技術指標要求，本文所設計的以DSP+FPGA為核心的一控四舵機控制器設計合理，工作可靠，減小了舵機系統的體積和重量，可以應用于導彈舵機系統當中。

［1］李志，齊蓉，戴志勇.一控四電動舵機控制器設計［J］.微電機，2013，46（4）：49-52. LI Zhi，QI Rong，DAI Zhi-yong.Design of electric rudder controller which one drive four［J］.Micromotors，2013，46（4）：49-52.

［2］景濤.基于DSP的電動舵機伺服與控制［J］.信息技術，2013，42（5）：12-15. JING Tao.The control of electric rudder based on DSP［J］. Information Technology，2013，42（5）：12-15.

［3］范啟富，張文鋒，溫超.基于FPGA的多功能多路舵機控制器的實現［J］.控制工程，2008，15（6）：696-698. FAN Qi-fu，ZHANG Wen-feng，WEN Chao.Design of multichannel servo-motor controller based on FPGA［J］.Control Engineering of China，2008，15（6）：696-698.

［4］魏林，陳欣，呂迅竑.無人機無刷直流數字式舵機控制器設計［J］.微電機，2008，41（5）：46-49. WEI Lin，CHEN Xin，LV Xun-hong.Design of brushless direct current numerical rudder controller for UAV［J］.Micromotors，2008，41（5）：46-49.

［5］劉濤，呂迅竑，黃一敏.基于DSP的數字舵機控制器設計［J］.沈陽航空工業學院學報，2006，23（1）：8-11. LIU Tao，LV Xun-hong，HUANG Yi-min.The design of numerical rudder ccontroller base on DSP［J］.Joumal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering，2006，23（1）：8-11.

［6］范心明.基于SIMULINK的SVPWM仿真［J］.電氣傳動自動化，2009，31（3）：19-21. FAN Xin-ming.Simulation of SVPWM based on SIMULINK［J］. Electric Drive Automation，2009，31（3）：19-21.

［7］朱信舜，林明耀，劉文勇.無刷直流電動機的正弦波電流驅動方法［J］.微電機，2011，44（11）：51-55. ZHU Xin-shun，LIN Ming-yao，LIU Wen-yong.Sine-wave current drive method for brushless DC motors［J］.Micromotors，2011，44（11）：51-55.

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

ZHANG Chi
（Changchun Institute of Optics，Fine 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。