帶有伸縮舵面的電動舵機復合控制器設計

朱軍偉，彭科容，劉振永

(中國空空導彈研究院，洛陽 471009)

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帶有伸縮舵面的電動舵機復合控制器設計

朱軍偉，彭科容，劉振永

(中國空空導彈研究院，洛陽 471009)

電動舵機采用伸縮舵可以大幅度減縮機載制導武器的橫向尺寸，有助于提高載彈量并適用于內埋發射方式。提出了一種帶有伸縮舵面的電動舵機復合控制器方案，設計了限流電路，限制了電機的最大電流，簡化了控制信號數量，采用分段PID控制，設計了基于數字信號處理器電動舵機舵面偏轉與伸縮復合控制器，并進行了實驗，實現了位置給定的準確跟蹤，結果表明該系統控制效果良好，方案可行。

電動舵機；伸縮舵面；數字信號處理器；分段PID

0 引 言

電動舵機因具有結構簡單、輸出轉矩大等一系列優點，已廣泛應用于多種機載制導武器。對于機載制導武器，其橫向尺寸直接影響載機載彈量的大小及是否適用于內埋發射方式，從而影響作戰能力[1-2]。國內外已開展了一系列減小機載制導武器橫向尺寸的研究，包括舵面小型化、小彈徑設計等，小直徑彈體的設計會減小制導武器內部容積，設計難度大幅度增加，影響作戰效能；舵面小型化雖然可以減少制導武器的橫向尺寸，但在一定程度上損失了系統飛行的穩定性和機動能力。由于橫向尺寸中舵面尺寸占有很大的比例，采用伸縮舵可以大幅度減縮制導武器的橫向尺寸，是一種相對理想的解決途徑，因此研究帶有伸縮舵面的電動舵機復合控制系統具有重要的現實意義。

結合伸縮舵面的控制需求，以數字信號處理器TMS320F2812為核心，本文提出了一種帶有伸縮舵面的復合控制器方案，同時對系統硬件、軟件進行了設計，并進行了實驗驗證。

1 總體方案設計

以單通道為例，電動舵機伸縮與偏轉復合控制系統方案框圖如圖1所示，舵面由固定部分和伸縮部分組成，偏轉控制采用永磁直流電機驅動，伸縮控制采用無刷直流電機驅動，采用同一控制器進行控制。

圖1 系統方案框圖

控制器接收控制指令，根據偏角位置反饋信號，形成控制量輸出，驅動執行機構往復運動，形成偏角位置的閉環控制系統；接收伸縮指令控制舵面伸開，伸展到位時舵面觸發到位檢測開關，停止控制量輸出，舵面需要收回時，手動解除鎖緊裝置，控制舵面收回。

一般情況下舵面只需快速展開，伸展過程中舵面位置不需精確控制，且電機輸出經過了減速裝置，因此可通過無刷直流電機轉子位置傳感器估算舵面伸展過程的位置，修正后作為反饋信號，構成位置閉環控制，該方案無需設計專用的反饋裝置，可大幅度降低設計難度。電機為4對極無刷直流電機，采用三相霍爾作為位置傳感器，減速機構采用二級齒輪，減速比均為1.5，滾珠絲杠導程為3 mm，則霍爾傳感器能夠分辨的最小伸縮量：

(1)

式中：P為滾珠絲杠導程；i1，i2為齒輪減速比；p為無刷直流電動機極對數；m為霍爾傳感器相數。

驅動機構以減速機構為核心，實現電機旋轉運動到舵面直線運動、偏轉運動的轉換。伸縮控制驅動機構與舵面伸縮部分相連，偏轉控制驅動機構與舵面固定部分相連，二者同軸安裝，通過到位開關檢測舵面是否伸縮到位，并采用鎖緊裝置固定舵面。偏轉執行機構上安裝舵偏角傳感器，檢測偏角信息，形成位置反饋，驅動機構示意圖如圖2所示。

圖2 驅動機構示意圖

2 控制器設計與分析

2.1 控制器構成

控制器采用模塊化設計思想，主要由控制電路、伸縮控制功率電路、偏轉控制功率電路組成，各部分功能獨立，接口簡單，便于二次集成，實現小型化設計，控制器構成如圖3所示。

圖3 控制器構成圖

2.2 控制電路設計

控制電路以數字信號處理器TMS320F2812為核心，采用TPS767D318提供3.3V和1.8V數字電源，利用串行通訊專用芯片MAX3490與上位機進行RS-422通訊，提高測試性；各通道偏角信息濾波通過運放LM148轉換為-10V～+10V的電壓信號，送至外置14位高精度A/D轉換器TLC3578進行轉換；永磁直流電機采用一路PWM控制，無刷直流電機采用一路PWM和一路方向信號DIR控制，簡化接口數量，采用同一數字信號處理器可實現多個通道的控制。

2.3 功率電路設計

伸縮控制功率電路和偏轉控制功率電路主電路采用IRFP260分別構成H橋電路和三相逆變電路，最大電流可達46A，滿足系統需要；功率電路采用IR2103驅動。采樣電阻采集電機直流母線電流，經信號處理后送至比較器LM119與參考電壓進行比較，形成過流保護信號，過流保護信號參與邏輯運算，實現過流保護，電路原理如圖4所示。

圖4 過流保護電路圖

伸縮控制功率電路接收到PWM信號和DIR信號后通過光耦HCPL5231進行隔離，并與三相霍爾信號進行綜合，無刷直流電機采用兩相導通六狀態換相邏輯。換相邏輯如表1所示,表中“1”表示邏輯高電平，“0”表示邏輯低電平，“×”表示狀態不會出現。

根據無刷電動機換相邏輯真值表，以“OC”表示過流信號，可以得出以下邏輯關系：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

按照上述邏輯可實現三相逆變電路上橋臂的H_PWM-L_ON控制，電路原理如圖5所示。

圖5 無刷直流電動機換相電路圖

死區產生原理電路如圖6所示。偏轉控制功率電路接收到PWM控制信號后進行采用光耦HCPL5231隔離并反相處理，形成兩路互補的PWM，考慮到信號傳輸、邏輯處理存在一定的延時，設計了由電阻、電容、二極管形成的充放電回路和邏輯電路構成的死區產生電路，死區時間約為1～2μs,可避免H橋電路直通。

圖6 死區產生電路原理圖

在Saber軟件中建立仿真模型，仿真結果如圖7所示。

圖7 死區產生電路仿真結果

3 軟件設計

控制器采用數字控制，控制軟件是控制系統的重要組成部分，將控制器各部分有機地聯系起來，實現閉環控制。軟件采用模塊化設計，主要功能通過中斷實現，流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

系統初始化完成系統配置，設定工作模式，進行系統控制和狀態寄存器配置、PWM、A/D、SCI初始化，結束后進入循環等待。

中斷是整個軟件的核心，中斷過程中完成通訊模塊SCI、電路自檢模塊SELF_CHECK，反饋信號采集與處理模塊POSITION_BACK、伸展控制及到位檢測模塊RATR_CONTROL等子程序的調用，根據控制指令調用控制算法PWM_CALCULATE形成控制量輸出，實現偏角的準確跟蹤。

控制算法采用分段PID控制，根據誤差量Δθ絕對值大小而采用不同的控制規律：

E，F，G表示不同的常數，P1，P2表示控制算法，根據上述思路設計控制算法如下：

4 實驗研究

試驗采用的直流電機電感約為1.5mH，無刷直流電動機為無槽電機，電感約為0.35mH，給定系統伸展控制指令和舵偏角階躍指令，測試電機起動時的電流波形，分別如圖9、圖10所示。從試驗結果可以看出，直流電機起動時電流最大約為18.9A，無刷直流電機最大電流約為11A，最大電流得到有效限制，限流時控制器維持電流最大輸出，可保證系統不間斷控制，無槽電機電感小，限流頻率高，電流波形較平。

圖9 無刷直流電機起動時電流波形(截圖)

圖10 直流電機起動時電流波形(截圖)

通過上位機給控制器發送偏轉控制指令，圖11為給定10Hz典型正弦給定時位置響應曲線，系統實現了位置正弦給定的較好跟蹤，相移約18.5°，動態特性好；圖12為給定階躍信號時的響應曲線，系統能夠快速響應位置給定，超調約6.8%，超調小。

圖11 正弦給定時位置響應曲線

圖12 階躍給定時位置響應曲線

5 結 語

本文提出了一種電動舵機舵面伸縮、偏轉控制的復合控制器方案，采用死區產生電路設置死區，有效防止H橋電路直通，無刷直流電機采用一路PWM和一路方向信號DIR控制，直流電機采用一路PWM控制，簡化了控制信號數量，使舵機各個通道的伸縮與偏轉控制可采用一只數字信號處理器實現。實驗結果表明，該系統動態特性好，響應快，對后續伸縮舵的研究具有一定的參考意義。

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The Hybrid Servo Controller Design of Electromechanical Actuator with Retractile Control Surfaces

ZHUJun-wei,PENGKe-rong,LIUZhen-yong

(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

The sectional dimension of a airborne guided weapons can be greatly reduced by using retractable rudders, it is also useful in improving the load of bombs and suitable for buried transmission mode. A hybrid servo controller used in electromechanical actuator was given forth in this paper. A current limit protection circuit was designed to limit the maximum current of the motors. The hybrid servo controller was carried out based on a digital signal processor by reducing the number of control signals which can track the given position exactly. The results of experiments show that this scheme is effective and practical.

electromechanical actuator； retractile control surfaces； DSP； segment-PID

2016-03-21

TM33

A

1004-7018(2016)08-0109-04

朱軍偉(1983-)，男，碩士，工程師，研究方向為永磁電機控制、機電一體化。