機電一體化靈巧舵機控制器設計

李紅燕，和 陽，朱紀洪，和衛星

(1.江蘇大學，鎮江 212013；2.清華大學，北京 100084)

機電一體化靈巧舵機控制器設計

李紅燕1，和 陽2，朱紀洪2，和衛星1

(1.江蘇大學，鎮江 212013；2.清華大學，北京 100084)

隨著飛行控制系統多電/全電化的發展，電動伺服系統要求具有結構緊湊、可靠性高等特點。設計了一種一體化、高可靠的電動舵機控制器，主控單元采用DSP+CPLD為核心控制架構，逆變驅動采用集成全橋芯片實現。通過設計過流保護、故障自檢等機制增強了系統可靠性。通過對主電源設計兩級共模、差模濾波，主控信號數字隔離，提高了系統的抗干擾能力。試驗結果表明所設計的電動舵機控制器具有結構緊湊、工作可靠的特點。

電動舵機；集成全橋驅動；一體化；高可靠性

0 引 言

電動舵機是飛行控制系統的關鍵組成部分，其性能的優劣直接決定飛行器的飛行品質[1]。隨著功率電傳技術的快速發展，要求電動舵機系統具有更緊湊的體積結構、更高的可靠性[2]。國內外對電動舵機的小型化、機電一體化、高可靠性等方面進行了大量研究[3-6]。以色列的Viper導彈以及美國的JASSM航空智能炸彈采用了由直流伺服電機和諧波減速傳動裝置構成的小型電動舵機。美國雷聲-休斯飛機制造有限公司對其生產的AIM-120空空導彈上使用的無刷直流伺服電機的可靠性進行了深入研究試驗[7]。此外，美國的波音公司、法國的空客公司也在致力于電動舵機一體化和可靠性的研究[8-9]。國內，許多單位、高校在電動舵機的可靠性研究方面取得了創新性進展。航天十八所、航天三十三所、航天八零三所等單位開展了基于無刷直流電機的小型作動系統研究。清華大學、南京航空航天大學、西北工業大學等高校在舵機本體可靠性設計、舵機多余度控制器設計等方面進行了深入研究[10-11]。本文設計了一種高可靠靈巧的電動舵機控制器，采用集成驅動芯片減小了控制器的體積，設計了電源濾波、信號隔離、過流保護等電路提高了系統的可靠性。

1 系統設計方案

電動舵機執行機構主要由三相無刷直流電機、減速器、旋轉變壓器組成。減速器選用了體積小、重量輕的諧波減速器，其具有高傳動精度、高功率密度、高扭轉剛度和零背隙的特點，使得舵機執行機構更加緊湊，傳動效率更高。旋轉變壓器安裝在減速器輸出端，直接測量舵機搖臂的轉速和位置。設計要求舵機額定輸出扭矩為2.6 N·m，最大輸出扭矩為5.8 N·m。工作行程0°～30°。空載運行時，帶寬6 Hz，間隙<0.1°。

針對上述控制對象，控制器采用DSP+CPLD為核心控制架構，通過RS-422通信總線接收主控設備發送的給定位置指令，同時反饋舵機當前工作狀態。DSP根據上位機的給定信號和傳感器反饋信號，產生相應的PWM波，經過CPLD進行邏輯擴展，輸出實際所需數量的控制信號。轉化后的控制信號經過隔離電路處理后輸出給集成驅動芯片，驅動電機繞組導通。電機輸出軸連接減速器帶動搖臂向指定位置轉動。舵機位置信號和電機電樞電流分別由旋轉變壓器和霍爾電流傳感器獲得。其中，旋變解調芯片解算出搖臂當前位置、速度信號通過SPI端口傳送給控制器。霍爾電流傳感器檢測出逆變器漏電流，一路輸入驅動芯片做過流保護，一路經濾波、A/D采樣輸入DSP做閉環控制。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

本文設計的舵機控制器實物如圖2所示，控制器各個模塊借助定位孔、銅柱、螺絲等固定在舵機上，協調各個電路板的安裝，實現了機電一體化設計。其體積尺寸為108 mm×34 mm×50 mm。

圖2 舵機控制器實物圖

2 控制電路

控制電路主要由主控單元和電源電路組成。

2.1 主控單元

DSP采用TMS320F28069，主要完成串口通信、電流采樣換算、速度讀取、閉環控制、PWM輸出等任務。它是一種專門用于電機控制的數字控制器，具有供電簡單、功耗低、支持浮點運算、響應速度快等特點。

CPLD采用LC4128V-75TN100I，主要完成邏輯擴展、電機實際轉速方向解算、搖臂行程保護限制、過流保護等任務。CPLD內部組合邏輯的合理應用簡化了外圍電路的設計，減輕了DSP的工作量，提高了系統的工作效率。

2.2 電源電路設計

系統供電電壓+28 V，采用電源適配器供電。在電源模塊前端加入共模扼流圈，共模噪聲干擾主要由下圖3中7L1，7L2和電容7C3，7C4，7C7，7C8構成的對地對稱的 型濾波器濾除。在共模扼流圈后級串聯2個差模濾波器，構成差模增強型濾波電路，濾除差模噪聲。設計中，必須使共模濾波電路和差模濾波電路的諧振頻率明顯低于開關電源的工作頻率，一般要低于10 kHz，所以7L1，7L2取47 μH；7C3，7C4，7C7，7C8取6.8 μF；7L3，7L4，7L5，7L6取33 μH；7C9，7C10，7C11，7C12取10 μF。共模、差模濾波器的共同作用，提高了控制器的電磁兼容特性。

圖3 28 V濾波電路圖

系統供電電壓為+28 V，需要設計電平轉換電路實現片上數字電源供電。

本設計選用的DC/DC隔離電源模塊輸入電壓18～36 V，輸出電壓5 V。該芯片體積小，效率高，且具有短路保護(自恢復)等功能。電路設計如圖4所示，輸入輸出端加入不同數值的鉭電容和電感，可消除不同頻段的高次諧波，提高電源質量。輸入輸出地之間加入電容7C18(1nF/2kV)防止靜電擊穿，保護電路。

圖4 28 V轉5 V電路圖

DSP,CPLD等需要3.3 V電源供電，TPS73733是一種5 V轉3.3 V的低壓差線性恒壓電源芯片。芯片集成度高，內部自帶反向電流保護、過溫保護等功能。驅動能力強，最大輸出電流可達1 A。電路設計如圖5所示，輸入端設計了發光二極管用來指示電源是否正常。輸出端設計了三端濾波器ACH4518、鉭電容和瓷片電容實現了電源濾波，提高了電源品質。

圖5 5V轉3.3V電路圖

3 驅動電路

驅動電路主要由信號隔離電路、驅動芯片電路及電流保護電路組成。

3.1 信號隔離電路

為了提高控制器抗干擾能力，增強系統可靠性，對3路PWM波、3路EN及故障診斷等信號設計了數字隔離。隔離器采用小尺寸封裝且低功耗的四通道數字隔離器。每個隔離通道都有一個由二氧化硅(SiO2)絕緣隔柵分開的邏輯輸入和輸出緩沖器，可防止數據總線或者其它電路上的噪聲電流進入本地接地或者干擾或者損壞敏感電路。數字隔離芯片應用電路如圖6所示，在默認狀態下，輸出使能為低，芯片輸出為高阻態，可以防止上電復位或控制器故障時逆變器共態導通，損壞驅動芯片。在隔離芯片輸出端設計下拉電阻，且信號輸入輸出端都設計了RC濾波電路提高系統抗干擾能力。

圖6 數字隔離芯片電路圖

3.2 驅動芯片電路

本設計采用的驅動器DRV8313，其內部集成3個可獨立控制的半H橋和1個通用比較器，簡化了驅動電路設計，并可實現電流保護，提高了系統的可靠性；內置的3.3 V/10 mA低壓降(LDO)穩壓器，給電流傳感器供電，簡化了電源轉換電路。芯片尺寸為9.8 mm×6.6 mm×1.2 mm，有利于實現小型化設計。芯片輸入電壓范圍8～60 V，工作時最大功耗為0.06 W。在25°C，24 V時，每個半H橋的通道上可提供高達2.5 A峰值電流或者1.75 A均方根輸出電流。采用該集成芯片作為逆變驅動，減小了控制器體積；自身具有短路、過溫、欠壓閉鎖等故障自檢機制，提高了系統的可靠性。

DRV8313驅動芯片應用電路如圖7所示。利用驅動芯片內置通用比較器，設計了過流保護電路如圖8所示。圖8中，驅動芯片采用28 V供電方式。PWM[1～3]，EN[1～3]為CPLD邏輯處理后經過隔離芯片輸出的3路PWM波和3路使能信號。電阻4R11，4R12分壓，設置閾值電壓2.30 V輸入比較器的COMPN腳。圖8中，霍爾電流傳感器將所測量的電機逆變器漏電流信號輸出至比較器的COMPP腳。 為過流保護信號輸出， 為故障報警信號輸出。當過流故障發生， 被置低，發光二極管4D1被點亮。當驅動芯片內部故障發生， 被置低，發光二極管4D2被點亮。過流或驅動芯片內部故障發生，CPLD將關斷所有控制信號的輸出，實時保護系統的正常工作。

4 反饋檢驗電路

反饋檢測電路主要由電流檢測電路，轉速、位置檢測電路組成。

4.1 電流檢測電路

為了實現電流閉環控制和過流保護，需進行電流檢測。考慮到電機驅動電流大小、輸出電壓范圍及工作溫度等因素，選用霍爾電流傳感器ACS722，電路原理如圖8所示。其工作電壓為3.3 V，有效檢測電流范圍為-5～+5 A，分辨率為264 mV/A。ACS722輸出電壓范圍為0.33～2.97 V，可以直接濾波后輸入TMS320F28069的ADCIN引腳完成電流解算和閉環控制。ACS722輸入電流與輸出電壓的對應線性關系可以表示：

Vout=0.264Ip+1.65

(1)

式中：Vout為輸出電壓;Ip為輸入電流。

4.2 轉速、位置檢測電路

為了實現轉速、位置閉環控制，需實時檢測轉速、角度信號。旋轉變壓器是一種可以同時檢測到舵機當前轉速與角度的傳感器，具有結構穩定、精度高、環境耐受力強等優勢[12]。本系統選用的旋轉變壓器，勵磁繞組輸入的差分激勵信號頻率要求為10 kHz，峰值為9.9V。輸出繞組的電壓幅值為Vs×sinωt×sinθ和Vs×sinωt×cosθ，其中，Vs為轉子激勵幅值，θ為轉子角度。

圖9 旋變解調芯片AD2S1210

圖10 差分激勵信號放大電路

(2)

(3)

5 實驗結果與分析

本系統采用的無刷直流電機主要參數：額定電壓24 V、額定功率15 W、額定轉速2 760 r/min、傳動機構減速比100:1。

圖11 電流保護信號測試波形截圖

通過對主電源設計兩級共模、差模濾波電路，提高了控制器的電磁兼容特性。在信號線上加入多個旁路、去耦電容，提高了系統的抗干擾能力。在帶額定負載的情況下對驅動器進行了EMC測試，依據的標準是GB4343、GB9254。圖14是0.15～30 MHz頻段的測試結果，橫坐標表示頻率(單位MHz)，縱坐標表示EMC信號準峰值(單位dBμV)。圖中上部分為EMC標準中規定的各頻段標準準峰值界限；圖中下部分為測量的驅動器上的各頻段的EMC信號最大準峰值。測試結果表明，在頻率為24.208 35 MHz時，EMC信號最大準峰值為48.603(dBμV)，未超出標準準峰值界限。

圖14 驅動器EMC測試結果截圖

實驗對舵機的控制性能進行了測試。舵機工作行程為0°～30°，圖16是位置給定1°的階躍響應圖，橫坐標為時間(單位s)，縱坐標為舵機位置(單位°)。從圖中可知初始位置為4°，給定位置為5°，反饋位置為4.999°，超調量極小，穩態誤差0.001°。調節時間為0.09 s，響應速度快。動態特性實驗表明該控制器滿足系統的動態響應要求。

圖15 舵機空載時的位置階躍響應截圖

6 結 語

本文設計的高可靠靈巧電動舵機控制器采用DSP和CPLD作為核心控制器，提高了系統的工作效率；采用集成3個半H橋的DRV8313作為驅動器，簡化了電路設計的復雜度；對主電源設計兩級共模、差模濾波，主控信號數字隔離，提高了系統的抗干擾能力；設計過流保護、故障自檢等機制增強了系統可靠性；各種集成芯片的使用實現了控制器的小型化。試驗結果表明該電動舵機系統結構靈巧、緊湊；工作穩定、可靠；滿足各項性能指標。

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作者簡介：李紅燕(1990- )，女，碩士研究生，研究方向為檢測技術與自動化裝置。

Design of High Integration Smart Electro-Mechanical Actuator Controller

LIHong-yan1，HEYang2，ZHUJi-hong2，HEWei-xing1

(1.Jiangsu University,Zhenjiang 212013;2.Tsinghua University,Beijing 100084, China)

With the development of more-/all-electric flight control system, compact structure and high reliability are required for actuation systems. A high-reliable electromechanical actuator controller with integrated structure was introduced. In this control system, DSP and CPLD were adopted as the core architecture while integrated full-bridge chip was implemented as the inverter structure. Mechanisms such as over-current protection and internal shutdown for self-check were designed to enhance the system reliability. Two-stage of common mode, differential mode filter of the main power supply and digital isolation of main control signals were designed to improve the anti-interference ability of the system. Experimental results show that the designed controller of electro-mechanical actuator has compact structure and reliability.

electric actuator; full-bridge driver; integration; high reliability

2016-01-27

國家自然科學基金項目(60974142)

鄭彬(1991-)，男，碩士。

TM383.4

A

1004-7018(2016)12-0072-05