基于DSP的高精度舵機伺服控制器設計

宋 晗，和 陽，朱紀洪

(1.江蘇大學，鎮江 212013；2.清華大學，北京 100084)

0 引 言

舵機是飛行器系統的重要組成部分，同時也是飛行器控制系統的執行設備。按照一定航線運行的飛行器通過舵機帶動舵面，使其偏擺以調整飛行姿態,因此舵機性能的優劣直接影響飛行品質的高低[1-2]。由無刷直流電動機、減速機構和驅動控制器組成的舵機驅動控制硬件平臺，可以輸出要求轉矩的同時節省飛行器空間和負重。在此基礎上，運用經典控制理論與方法可以實現快速、精確、穩定的控制。驅動控制器和伺服控制算法共同組成了飛行器伺服控制系統[3-4]。

本文結合具體科研項目介紹了一種應用于小型無人飛行器的電動系統控制器設計，驅動控制器硬件平臺采用DSP和CPLD相結合的方案，分別負責控制算法的執行及邏輯控制與保護。外圍電路包括：基于旋轉變壓器的位置與轉速的信號采集電路，電流采集電路，驅動電路和通信電路。在此基礎上，為實現高精度伺服控制，控制策略采用由電流環、轉速環、位置環構成的3閉環結構，通過在位置環引入轉速反饋，代替傳統比例微分控制中的位置誤差微分量，以改善動態特性的同時，抑制位置反饋中的噪聲。整個伺服系統經過通信電路接收指令信號，在主控單元內進行控制律計算，通過功率模塊驅動舵機工作，實現飛行器姿態控制。

1 控制器結構及硬件設計方案

伺服控制器硬件部分主要由控制器單元、驅動單元、反饋檢測單元等構成[5]。控制器硬件結構如圖1所示。飛控上位機發出的控制指令，通過通信端口傳輸給控制器單元，控制器單元進行數據處理后，將柵極驅動信號傳輸給驅動單元進而驅動電機運轉，反饋檢測單元采集電機運行時的狀態信息傳輸給控制器單元進行閉環數據處理。

圖1 飛行器舵機控制器結構示意圖

1.1 控制器單元

系統主控制單元由DSP和CPLD構成。DSP選用TI公司的TMS320F28069，該芯片不僅擁有豐富的外設接口，而且支持單精度浮點運算，主要負責指令的接收、數據采集與處理、控制律的執行等功能。

CPLD選用LATTICE公司的LC4128芯片，該芯片具有編程簡單，工作穩定等優點，且可實現靈活的數字邏輯處理功能，進而簡化外圍電路，主要用于系統保護信號的處理，分擔部分DSP運算，處理換向邏輯等。

1.2 驅動單元

驅動電路在設計過程中為節省空間體積，保證可靠性，選用TI公司的DRV8313全橋驅動芯片進行電機的驅動控制。DRV8313芯片內部集成三相全橋驅動電路，最大輸出電流2.5 A，母線支持8 V～60 V供電，最高支持250 kHz的開關頻率，芯片集成保護電路，可通過設計外圍電路設置過流保護和低壓保護等。

1.3 反饋檢測單元

反饋檢測單元主要包括位置與轉速檢測單元和電流檢測單元。其中位置與轉速的檢測通過旋轉變壓器及解調電路實現，電流檢測通過電流傳感器芯片實現。

位置與轉速檢測單元通過旋轉變壓器(以下簡稱旋變)對電機轉子位置進行獲取，具體工作原理如圖2所示。旋變解調芯片在提供電壓及時鐘后產生差分激勵信號EXC+與EXC-，經過電壓調理后進入旋變初級線圈繞組，旋變次級線圈產生2組互差90°的正弦差分信號SIN+與SIN-和COS+與COS-，經過調理電路與隔離運放后返回給解調芯片[6-7]。本文選用的旋變解調芯片為ADI公司的AD2S1210芯片，該芯片具有10～16位分辨率，集成正弦振蕩器，可產生一組差分信號，用于激勵旋轉變壓器。芯片集成SPI接口，可與DSP進行通信，傳輸解調后的數據。

圖2 基于解調芯片的旋變工作原理

(1)

將VIOUT接口連接到DSP的ADC端口，在DSP中進行解算即可得到對應電流值。

2 模型搭建與控制策略設計

為實現高精度伺服控制，本文的控制器采用3閉環控制結構，即電流環、轉速環、位置環。電流環依靠電流傳感器芯片采集電流數據，并通過MCU經AD解算得到電流值實現閉環，位置環與轉速環由旋變采集回來的位置及轉速數據構成閉環。通過3閉環控制結構，可以實現位置的快速跟蹤，同時電流及轉速的調節更為迅速，使得系統具有較為優異的起停性能。

2.1 無刷直流電動機數學模型搭建

本文的無刷直流電動機實質上是一種特定類型的永磁同步電動機，轉子磁極采用瓦形磁鋼，其感應電動勢為梯形波[8-9]。假設三相定子繞組采用星形連接方式，同時將磁路中存在的如齒槽效應、渦流等損耗、磁路飽和進行忽略。根據電機運行原理，無刷直流電動機數學模型搭建如圖3所示。

圖3 無刷直流電動機數學模型

圖3中，系統輸入量U(s)為電機電樞兩端的輸入電壓，L為電樞回路中電感，R為電樞回路中電阻。在U(s)作用下產生電樞電流Im(s)，Im(s)產生轉動力矩Te(s)，其中Cm為轉矩常數。Tl(s)為負載力矩，J為轉動慣量，系統輸出電機轉速ω(s)，同時產生反電動勢，Ce為反電動勢常數。轉動慣量J計算公式：

(2)

式中：Jm為電機自身轉動慣量；Jl為負載的轉動慣量；n為減速比。

2.2 控制策略設計

根據多閉環控制系統的設計原則，從內環向外環開始設計，即首先設計電流環。電流環主要作用是保證電流跟隨給定[10]，提升系統的剛度。電流控制器采用比例控制加滯后校正器進行設計。轉速控制器采用比例控制。位置環用于實現舵機位置的快速跟蹤，其控制器采用比例控制，并將位置指令進行微分處理后，與引入至控制器中的轉速作差，最終實現比例微分控制。系統整體的結構框圖如圖4所示。

圖4 三閉環控制系統結構框圖

系統指令的輸入量為位置θa(s)，θm(s)為輸出位置，系統通過位置控制器APR后輸出舵機轉速控制指令ωa(s)，與反饋轉速ωm(s)的差通過轉速控制器ASR后輸出電流控制指令Ia(s)，Ia(s)與反饋電流Im(s)的差通過電流控制器ACR后輸出控制電壓U(s)。控制電壓輸入到虛線標識內的無刷直流電動機模型中，輸出轉速，經過轉速比及積分后得到電機的輸出位置θm(s)。

電流控制器ACR結構如圖5所示，I*(s)為電流控制器的輸入量，經過比例調節、滯后校正器與功率放大模塊后，輸出控制電壓U(s)。其中Ks為功率模塊增益比，Ts為功率模塊開關頻率。滯后校正器設計時，根據電流環開環傳遞函數伯德圖進行校正。

圖5電流控制器ACR結構

轉速控制器ASR采用比例控制進行調節。ωa(s)與ωm(s)作差后輸入至轉速控制器，經過比例調節輸出電流控制指令Ia(s)，其中Ksp為比例調節系數。

位置控制器APR結構如圖4中虛線部分所示，位置指令θa(s)與反饋位置θm(s)作差的結果經過比例調節后得到位置誤差調節量，θa(s)經過微分后與轉速反饋ωm(s)作差的結果經過比例控制得到微分量，將微分量與位置誤差調節量相加得到舵機轉速控制指令ωa(s)，其中Kpp與Ksp分別為2個比例環節的調節系數。

4 仿真與測試

4.1 控制策略仿真

實際設計中選用的電機為Maxon公司生產的EC-32 flat電機(267121)，根據電機使用手冊可以查閱到電機相關參數，如表1所示。

根據系統框圖與控制器為模型，通過Simulink進行仿真。階躍響應仿真如圖6所示，控制策略的調節時間約為0.04 s，系統沒有超調，達到穩定后沒有穩態誤差，說明該控制策略提高了系統阻尼，降低了系統超調，具有良好的穩態特性。圖7為輸入6 Hz正弦指令信號的仿真結果。從圖7中可以看到，控制策略幅值衰減至0.77，而相位滯后控制指令30.2°，說明該控制策略較好地跟隨了指令信號，具有良好的動態特性。綜合2種仿真測試，說明本文控制策略的動態特性及穩態特性均良好，一定程度提高了系統帶寬，保證了系統的性能。

表1 EC-32 flat(267121)電機參數

圖6 階躍響應

圖7 6 Hz正弦信號響應

該控制器等效于比例微分控制，增加了系統阻尼，但相對于比例微分控制，沒有進行位置差分運算，可在一定程度上抑制位置反饋中的噪聲帶來的影響。圖8、圖9為通過高斯噪聲模塊在位置反饋中加入噪聲后的仿真對比圖。為方便觀察噪聲影響，虛線為本文控制策略，實線為位置環采用比例微分控制的策略，其內環增益相同。圖8與圖9分別為1Hz正弦響應與階躍響應時位置反饋引入噪聲的對比圖。從圖8可以看到，位置環采用比例微分控制的策略在跟隨指令時出現抖動。圖9中，位置環比例微分控制策略在階躍響應達到穩定時存在抖動。而本文控制策略抑制噪聲效果明顯，更好地跟隨指令。

圖8 1 Hz正弦響應時位置反饋引入噪聲對比

圖9 階躍響應時位置反饋引入噪聲對比

4.2 系統性能測試

為驗證控制器及控制策略的性能，采用基于LabVIEW制作的上位機對所研制的電動舵機進行實驗測試。實驗測試平臺如圖10所示，LabVIEW上位機通過驅動控制器上預留的SCI串口通信接口發送控制指令，測試不同程度的階躍響應以及連續變化信號的響應。

圖10 實驗測試平臺

圖11為基于LabVIEW制作的上位機測試界面，右側窗口反映出控制指令及舵機反饋位置，橫軸表示時間，縱軸表示經過減速器后機械軸轉動角度。可以看到舵機在階躍響應時調節時間小于0.1s，而1Hz響應下相位滯后小于0.1°。實驗結果表明，本文的控制器控制效果理想，動態響應迅速且穩定，靜態響應無靜差及超調，實現了舵機的高性能控制。

圖11 控制律性能測試

5 結 語

本文介紹了采用DSP作為核心控制器，旋變及電流傳感器作為反饋檢測單元，運用3閉環控制策略設計的一種伺服控制器。通過對電機模型的分析與搭建，各個閉環控制器的設計，實現了系統位置控制，并在位置環控制器設計中，引入轉速反饋代替傳統位置環PD控制中的微分量，起到抑制超調及噪聲的作用。仿真及實驗測試表明，系統設計簡單、性能穩定、控制效果理想，能夠實現高動態、高精度控制的同時，抑制位置反饋中的噪聲。

[1]HEY,ZHUJ,YUANX,etal.Researchonhigh-reliabledual-redundancyelectro-mechanicalactuatorcontroller[C]//IntelligentControlandAutomation.IEEE,2015:1439-1443.

[2] 張朋,付永領,郭彥青,等.伺服機構負載模擬系統設計與動態特性分析[J].北京航空航天大學學報,2014,40(9):1225-1230.

[3] 李紅燕,和陽,朱紀洪,等.機電一體化靈巧舵機控制器設計[J].微特電機,2016,44(12):72-76.

[4]ClarkKinnaird.ElectronicdesignofcompactBLDCmotorcontrol[J].2015SAEInternational,2015,8(2):229-239.

[5] 孫興，和陽，朱紀洪，等.一種集成驅動的高可靠舵機控制器設計[J].微電機，2017(1):43-47.

[6]CARUSOM,TOMMASOAOD,GENDUSOF,etal.ADSP-basedresolver-to-digitalconverterforhigh-performanceelectricaldriveapplications[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2016,63(7):4042-4051.

[7] 王壯,趙文祥,吉敬華,等.旋轉變壓器處理電路的比較分析與實驗研究[J].微電機,2015,48(1):59-62.

[8] 王大方,卜德明,朱成,等.一種減小無刷直流電機換相轉矩脈動的調制方法[J].電工技術學報,2014,29(5):160-166.

[9]KIMSH,TAHKM-J,LEEH-J.Experimentalstudyonintegratedservocontrolforcanard-controlledmissiles[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems,2016,52(3):1467-1474.

[10] 禹昌宏,馬國進,高明煜,等.基于FPGA的三軸交流伺服系統電流環設計[J].微特電機,2016,44(3):41-44.