無人機用電動舵機控制系統設計

李紅燕，和 陽，蔡 鵬，姜春燕，徐 信

(1.江蘇航空職業技術學院，鎮江 212134；2.清華大學，北京 100084)

0 引 言

無人機依靠電動舵機來控制左右副翼、方向舵、升降舵和油門的定位，從而維持飛行姿態的穩定。隨著無人機的應用越來越廣泛，對電動舵機的結構及性能要求也越來越高，因此研究輕量化、性能可靠的電動舵機系統具有重要意義。

國外，很多機構為了實現無人機用電動舵機的微型化、高功率密度、高可靠性，開展了大量的試驗研究[1-3]。Futaba公司研制了一系列用于無人機舵面控制的小功率舵機[4]。Parker宇航開發出具有抗干擾容錯，可耐受高溫苛刻環境的飛行機電作動器。此外，美國空軍、海軍和NASA研制的電動作動器，結構緊湊，在F/A-18B系列飛機上進行了測試。國內許多高校和研究院對電動舵機的余度控制[5]、容錯設計[6]、故障診斷[7-8]等方面進行了深入研究。

本文從舵機機械結構分析、硬件結構搭建、控制算法和邏輯設計出發，旨在設計出滿足高功率密度、高可靠性要求的電動舵機控制系統。

1 整體設計方案

電動舵機系統的機械結構主要包括電機、減速器、聯軸器、位置傳感器以及搖臂。電機選用盤式無刷直流電動機，體積小、質量輕；減速器采用諧波減速器，可提高系統的功率密度、傳動精度以及扭轉剛度；位置傳感器采用旋轉變壓器(以下簡稱旋變)，配合旋變解調芯片完成舵機當前搖臂位置信號的測量與傳遞，可應對無人操作及復雜的工作環境。電動舵機機械結構如圖1所示，其體積尺寸為110 mm×33 mm×50 mm，舵機與控制器集成于一體的布局，有效地利用了空間，提高了系統的集成度。

圖1 舵機機械結構圖

設計中，要實現電動舵機的額定扭矩為2.6N·m，最大扭矩5.8 N·m；行程范圍0～30°。階躍響應時間短，無超調和振蕩。動態響應速度快，輸入±3°，5 Hz的正弦信號時幅值衰減小于3 dB，相位滯后小于90°。

根據上述功能指標要求，控制器采用DSP+CPLD設計架構，系統總體設計框圖如圖2所示。DSP主要實現SCI/SPI通信、信號采集、控制律設計、輸出PWM波等功能，具有低功耗、高可靠、浮點運算速度快和電源供電簡單等優勢。CPLD主要用于控制6個開關管的通斷，解算電機方向，限制舵機搖臂工作范圍，故障保護等。CPLD的合理應用很大程度上減輕了DSP的工作量，簡化了外圍電路的設計，提高了系統的工作效率。

圖2 系統總體設計框圖

2 硬件電路設計

舵機控制系統的硬件電路主要包括控制電路、 驅動電路和保護電路。

2.1 控制電路

控制電路框圖如圖3所示，控制系統的核心芯片為32位浮點型DSP(TMS320F28069)，是專用于電機控制的數字控制器。DSP通過RS-422通信總線接收給定位置指令，結合電流、位置采樣信號進行閉環控制，控制律的輸出通過改變PWM波的占空比實現。控制系統的輔助芯片為CPLD(LC4128)，該芯片根據PWM波，結合Hall信號完成PWM邏輯擴展，同時結合上一次Hall信號計算出電機轉速信號和方向信號用于閉環控制。

圖3 控制電路框圖

2.2 驅動電路

2.3 保護電路

系統擁有三層保護，分別是軟件過流保護、硬件電路保護以及IPM自帶的電路保護。圖4為過流保護框圖。DSP將電流傳感器測得的電壓值進行濾波、A/D采樣，換算成電機當前等效相電流，與設置的閾值電流進行比較。當出現過流時， DSP關斷PWM信號的輸出，同時給CPLD發送指令使其打開邏輯保護，實現軟件過流保護。

圖4 過流保護框圖

IPM自帶的電路保護是指其能夠根據內置比較器輸出的過流信號關閉芯片驅動信號的輸出。

3 軟件設計

軟件主要由兩部分組成，一部分是在DSP內部實現的位置環、速度環和電流環的PI控制算法；另一部分是在CPLD內部實現的換相、位置保護和電流保護邏輯。

3.1 DSP軟件設計

圖5是DSP軟件設計流程。首先初始化各模塊寄存器，然后開中斷，執行各功能模塊。上位機通過RS-422總線給DSP發送給定位置指令，程序運行2 ms時間到達時，DSP給上位機發送舵機當前位

圖5 DSP軟件流程圖

置信息。DSP內部定時器生成一個50 μs時間周期，在50 μs時間內實時接收幀數據，當時間到達時，先對給定位置指令進行濾波去抖，再讀取當前位置、轉速、電流信號進行濾波和閉環控制律處理，通過控制律的輸出調整控制量的輸入。其中，舵機當前位置、轉速信息由旋變解調芯片測得，電機母線電流由電流傳感器測得，電機相電流由電機母線和PWM占空比解算得出。

3.2 控制策略設計

圖6是控制律設計框圖，由內到外分別是電流環、速度環和位置環設計。系統加入反饋控制來抵制外界干擾、降低建模誤差帶來的影響。為了使系統準確，快速地跟蹤位置指令，實現穩態誤差為零，位置控制器采用比例積分設計。式(1)為位置環控制律設計：

圖6 系統軟件框圖

ωg=Kpp(θg-θf)+Kpiθerror

(1)

式中：θg為上位機發送的給定位置；θf為反饋位置；Kpp為比例參數；Kpi為誤差積分系數；θerror為誤差積分量；ωg為位置環的輸出，用作轉速環的輸入。轉速控制器采用比例算法，其控制律如式(2)所示：

ig=Kω(ωg-ωf)

(2)

式中：ωg是轉速輸入；ωf是轉速反饋；Kω是比例增益參數，ig為轉速環的輸出，用作電流環的輸入。系統通過設計電流環來提高系統的剛度，采用比例算法，其控制律如式(3)所示：

Vout=Ki(ig-if)+Rig

(3)

式中：ig為電流輸入；if是電流反饋；Ki是比例參數；R是電樞繞組阻值；Vout是電機電樞電壓。

3.3 CPLD軟件設計

利用CPLD強大的邏輯編輯功能，在其內部分別實現了換相邏輯、位置保護邏輯和過流保護邏輯功能。

3.2.1 換相邏輯設計

CPLD根據電機內置霍爾傳感器測得的信號狀態，結合PWM占空比的輸出，來決定6個全橋功率管的開關，實現電機電子換相，其邏輯表述如下：

Q1=(PWM &&((DIR && HA &&!HB)||

(!DIR &&!HA && HB)));

Q2=((HA &&!HB)||(!HA && HB));

Q3=(PWM &&((DIR && HB &&!HC)||

(!DIR &&!HB && HC)));

Q4=((HB &&!HC)||(!HB && HC));

Q5=(PWM &&((DIR && HC &&!HA)||

(!DIR &&!HC && HA)));

Q6=((HC &&!HA)||(!HC && HA))

其中：Q1～Q6表示6個MOSFET開關管的通斷。為了減小開關管的損耗，增加系統可靠性，系統設計采用單極性PWM波調制方式。DIR是電機正反轉方向信號，DIR=1時，電機正轉。HA～HC是無刷直流電機內部霍爾傳感器狀態信號。

3.2.2 位置保護邏輯設計

舵機工作行程范圍是0～30°，需要設計行程限制來保護被控舵面等負載。圖7為邏輯功能圖。圖7中POS1和POS2是旋變解調芯片輸出的舵機位置信號，DIR_cmd是舵機轉動方向信號。當舵機響應超出工作行程范圍時，POS1和POS2輸出低電平，經邏輯處理，輸出高電平給控制器開啟多層保護模式并報警。

圖7 行程限制邏輯圖

3.2.3 電流保護邏輯設計

設備工作過程中，電流過大會損壞電機，因此設計了電流保護邏輯，如圖8所示。當過流時，LIM_IA為0，PWM_out為0，CPLD關斷PWM波的輸出，電機停止運轉。當電流降至安全范圍內時，為了防止尖峰脈沖引起控制電壓驟變，PWM_out輸出在下一次PWM上升沿來臨時才恢復正常。

圖8 過流保護邏輯圖

4 實驗結果與分析

設計中，試驗樣機選用Maxon公司生產的EC32電機，扁平式Φ32 mm，無刷，15 W，帶霍爾傳感器，查閱相關使用手冊可知，主要參數如表1所示，選用減速比為100∶1的減速器。

表1 試驗樣機參數

舵機空載時，通過上位機給舵機發送30°滿量程階躍輸入，實驗結果如圖9所示。可以看出，階躍響應延遲時間小于1 s，沒有出現振蕩現象，滿足空載條件下滿量程范圍內階躍響應要求。

圖9 30°滿量程階躍響應圖

通過電動舵機對正弦輸入的跟蹤響應情況來驗證系統的動態性能。帶額定負載時，通過上位機給舵機發送頻率5 Hz、幅值±3°的正弦周期指令信號，圖10為響應結果。實驗得出，響應幅值達到±2.6°，幅值衰減1.24 dB，低于系統設計要求的3 dB；相位滯后小于90°，滿足設計要求。

圖10 5 Hz正弦響應結果

5 結 語

本文設計了一種無人機用機電一體化電動舵機控制系統。通過優化舵機結構，實現了集成化設計；控制器以DSP+CPLD為核心，采用PI控制算法，提高了系統的可靠性，結合IPM驅動器，簡化了外圍電路設計。實驗結果表明該系統性能可靠，集成度高，適用于無人機系統。