小型旋轉彈電動舵機控制系統的設計與實現

（北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

旋轉導彈的彈體在飛行過程中同時圍繞彈軸作定速滾轉運動。根據陀螺效應，旋轉式導彈相比傳統無旋彈在無控飛行時的彈體穩定性大大提升，同時系統對于安裝誤差和推動力偏心現象的魯棒性得到有效改善[1]。然而為了在彈體旋轉過程中產生某一固定方向的等效控制力，要求舵翼以與彈旋相同的頻率持續進行正弦式往復擺動。這就對舵機的動態響應性能和控制精度提出了更高的要求。

伴隨著日益突出的導彈小型化、輕量化、操作簡易化、低成本的需求，彈徑在100 mm以下的小型旋轉導彈已經成為當前各國爭相研制的熱點內容。與之對應的，對于與彈徑相匹配的、響應速度與控制精度滿足旋轉導彈要求的電動舵機控制系統的設計研究就成為了重中之重。為滿足超小彈徑旋轉導彈對于舵控系統動態性能的需求，本文提出了一種采用C2000系列高性能MCU、集成H橋功率驅動芯片DRV8872的控制系統設計方案，對于電路進行了小型化設計以滿足尺寸限制，并通過引入模糊PID算法顯著改善了舵機動態性能。經實物性能測試，本方案有效縮小了系統體積，滿足了動態特性設計指標。

1 彈載電動舵機控制器設計原理

從本質上說，舵機是一種經典的位置伺服控制系統[2]。舵機系統的整體結構框圖如圖1所示，舵機作為被控對象由直流有刷電機、減速齒輪組、傳動機構、舵翼、角度傳感器等組成，一部直流電機同時驅動兩片舵翼，分別安裝在彈首相對的兩側。

圖1 舵機系統整體框圖Fig.1 Rudder system overall block diagram

針對小型旋轉彈彈上工作環境，本方案采用單通道控制以減小舵系統體積。控制方式采取正弦擺式控制率，舵機控制系統采取輸出脈寬調制（PWM）波形的方式對減速電機進行轉速控制。以電位器作為舵片偏轉角度檢測元件，核心控制邏輯為基于離散PID算法的位置閉環反饋控制。舵機設計參數要求如表1所示。

表1 舵機設計參數要求Tab.1 Rudder design indicator

2 控制系統電路設計

舵機控制電路實現二次電源轉換、串行總線通信、控制信號生成與放大、電位器信號采樣等功能，分為電源、控制和驅動三部分來實現。器件選型及電路設計以小型化、高精度、低功耗為原則進行。

2.1 電源模塊

電源單元由輸入濾波電路、LDO電壓轉換電路、輸出濾波電路等部分構成。電源實現方案如圖2所示。

圖2 電源實現方案Fig.2 Power implementation

電源單元將外部輸入的+5 V及+12 V直流電壓作濾波穩壓處理，并將+5 V經LDO單元降壓穩定為+1.8 V及+3.3 V供各數字芯片使用；將+12 V經LDO單元降壓穩定為+3.3 V供光耦隔離模塊使用。對于電源穩定性及帶載能力具體要求為+5 V、+1.8 V及+3.3 V，電壓精度小于±5%，額定電流大于200 mA，電壓紋波小于50 mV；+12 V電壓精度小于±10%，額定電流大于500 mA，電壓紋波小于80 mV。

在所有電源相關輸出引腳及輸入引腳均就近放置去耦、旁路電容，另外在+5 V與+12 V輸入端放置大容量鉭電容作為板級去耦。為防止電機運作產生的電磁噪聲經電源耦合進入控制電路造成干擾，必須對低壓和高壓供電電路的電源線及地線進行嚴格電氣隔離。實際電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 Power module schematic diagram

電壓輸出使用2個LDO芯片來實現。在電源各路輸出端外部均放置由電感、電容組成的“π”型濾波器進行二次濾波處理，確保輸出紋波電壓滿足要求[3]。ADC基準電壓由專門的電壓參考芯片REF3140提供。與ADC相關的所有零電位均視為模擬地，與數字地之間通過鐵氧體磁珠電感隔離，起到降低高頻噪聲串擾的作用。

2.2 控制模塊

控制電路以DSP為處理核心，實現總線通信、指令判讀與反饋、舵面位置檢測、模糊PID運算等功能。控制模塊框圖如圖4所示。

圖4 控制模塊框圖Fig.4 Control module block diagram

控制單元通過RS422串行總線與導航計算機進行異步通信，工作在全雙工狀態。串行總線收發器采用MAX3462，通過RS422串行差分總線與上位機進行在線數據交換，通信頻率為921600 b/s。差分總線具有良好的抵抗電源干擾的能力。

處理器作為舵控系統的核心，采用德州儀器高性能MCU TMS320F28035，其特點為高達60 MHz的工作頻率，具有豐富的片上資源，并特別為實時控制進行結構優化，可同時輸出多達四路高精度PWM控制信號。出于小型化設計要求，選擇了該系列尺寸最小的56引腳VQFN封裝 （超薄無引線四方扁平封裝），平面尺寸僅為6.75 mm×6.75 mm。

為減輕MCU工作壓力，同時提升反饋信號采樣精度，采用外掛高精度ADC的方式進行電位計模擬信號采集。AD采樣芯片采用德州儀器SAR型精密16位傳感器ADS8319，采樣率高達500 kS/s，電壓分辨率達0.06 mV。ADC通過SPI總線與MCU進行在線數據交換。

控制模塊設計原理圖如圖5所示。

2.3 驅動模塊

舵機驅動單元接收舵機控制單元產生的PWM脈寬調制信號，驅動功率H橋電路，控制電機推動舵機輸出軸轉動。為確保PWM信號由控制單元向驅動單元的單向傳輸，避免因電機運轉產生的高頻噪聲反向耦合，在兩單元間采用高速光耦進行隔離。

調研報告用戶畫像顯示，知識付費人群與出版社的讀者人群高度重合。移動互聯網時代的到來，正在改變人類的閱讀習慣。新的技術及閱讀習慣并不會導致書籍的消失，因為技術影響了需求，需求也影響了技術，它們只是相互影響，相互迭代。書籍作為社會和科學知識傳播基石的地位沒有改變，但是書的形態在未來會是多樣的，而不再拘泥與紙質書。互聯網知識付費產品正在向傳統出版業發起沖擊，試圖開拓近700億的圖書市場。因此，傳統出版業必須積極主動出擊，應對這場變革，抓住機遇，以避免被時代淘汰。

驅動電路設計原理圖如圖6所示。高速隔離光耦采用東芝TLP2161，隔離電壓為2500 Vrms，共模瞬態抗擾度20 kV/μs，電平轉換速率為15 MBd。

電機驅動器采用德州儀器單通道H橋直流電機驅動器DRV8872。該驅動器通過4個N溝道MOSFET實現了電機的雙向控制，運行峰值電流高達3.6 A。在電流衰減模式下，可通過輸入脈寬調制（PWM）波形的方式調節電機轉速。當兩路輸入均被置為低電平，DRV8872將進入休眠模式，有利于減少功耗。DRV8872還具備電流調節功能，能夠將輸出電流限制在某一水平，起到降低功耗、防止電機燒毀的作用。該驅動器無需大容量電容來維持電壓穩定，對于舵機這種需要電機反復啟動和停止的應用場景十分有益。

3 軟件與算法設計

舵機控制軟件實現422總線通訊、AD轉換信號讀取、模糊控制算法實現、PWM信號輸出等功能。軟件工作主流程如圖7所示。

RS422總線通信采用中斷接收、輪詢發送的方式工作，僅在上位機指令到達時進入中斷讀取，避免長時間占用MCU計算周期。

AD采樣子程序在每次執行PID控制前在線讀取緩存中最新的角度傳感器信號，保證了角度控制的準確性。

控制算法以離散式模糊PID作為算法核心，結合旋轉彈正弦控制率，將每個正弦周期等分為60個位置點，每個點執行次PID運算，其中n為導彈自旋轉速。通過算法結構優化，將相鄰兩次PID間隔時間壓縮到500 μs，確保了控制精度及正弦曲線的平滑度。

3.1 舵機-上位機通信協議設計

圖5 控制模塊原理圖Fig.5 Control module schematic diagram

協議同時規定，舵機在每執行一次PID后也會向上位機回傳執行結果。該回傳數據包括舵機狀態、控制指令編號、控制相位指令、PID執行次數、AD采樣結果等內容。舵機測試軟件可以根據此回傳數據進行動、靜態性能測試，實際飛行試驗中飛控計算機將舵機回傳數據另行存儲，從而在實驗結束后分析還原舵機實際執行情況。

圖6 驅動模塊原理圖Fig.6 Drive module schematic diagram

圖7 主程序流程Fig.7 Main program flow chart

3.2 模糊PID控制算法

針對傳統離散型PID單一的特征參數較難滿足旋轉彈轉速變化范圍大、動態響應要求迅速，且系統模型不確定的問題，在傳統PID算法基礎上引入了模糊PID智能控制算法[5]。該算法將系統誤差及誤差變化率作為控制量，通過模糊化與去模糊化過程，從而實現了系統工作過程中PID參數的在線動態整定。

4 實物性能測試

舵機控制系統硬件實物如圖8所示。控制電路集成在一塊六層PCB板上，可實現單通道舵機的位置反饋與控制驅動，并能與上位機通過RS422接口建立異步串行通信。

圖8 電動舵機控制電路Fig.8 Electric rudder control circuit

利用圖9所示的舵機動態性能測試軟件對于舵機控制系統進行性能測試，產生如表2的測試報告。

圖9 舵機性能測試軟件Fig.9 Rudder performance test software

表2 舵機動態測試報告Tab.2 Rudder performance test report

測試結果表明，基于本方案設計的舵機控制系統滿足了系統動、靜態性能設計指標。在表征動態特性的時域特性方面，離散型模糊PID算法的加入顯著改善了系統的上升時間與超調量[6]，使得本套電動舵機控制系統設計方案極其適合電機反復啟停、正反轉連續切換、伺服跟隨性能要求嚴格的應用場景。

5 結語

本文從模塊化設計的思路出發，提出了一種適用于小型旋轉導彈的電動舵機控制系統設計方案。通過在硬件上選取高性能MCU、AD轉換芯片、功率驅動芯片，在軟件上采用模糊PID智能控制算法、優化控制邏輯、降低系統間通信頻率的方式，實現了小型旋轉導彈對于舵控系統高動態特性的設計要求。本文的研究成果經過靜態測試、轉臺試驗的驗證，展現出了良好的動態特性，具有一定的實際應用價值。