（电力电子与电力传动专业论文）高精度双余度舵机伺服系统研究.pdf

a b s t r a c t m i s s i l en l d d e ri st 1 1 ee x e c u t i v ep a no f i i l i s s i l en 撕n gs y s t 锄，a n di sc l o s et ot l l e a t t a c kp r e c i s i 伽o f t l l el l l i s s i l e t t l i sd i s s c n a t i o n 咖d u c e st h eb a c k 田u n da n ds i p 皿i f i c a n c eo f t h er e s e a f c ha n d m ep r e s 蜘ts i t u a t i o na n dd “e l o p i n gp r o s p e c to ft h ce m as e o h lm ep 印as e t o f f i i l l y - d i 舀t a l s i 鲫a ls e n ，os y s t 锄f o rm i s s i l em d d e rb 弱c do nd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) i sd e s i 肼o di na c c 琦d 姐c ew i 廿l 廿地h i 曲a c c u r a c yp o s i t i o ns e r v 0 t h es 觚l c t i i 诧a n d p 血c i p l eo ft l l ee l e c 仃i cs t e 醯ge n g i n e 她dd l l a l 利啪d 跏ym o t o ri sa l s o i n 的d u c e d 0 l l lt l 坞b 鹊i so f n l eb f i e f i m r o d u c t i 蚰o f t h em a t hm o d e lo f b l d c mw i t h o n ew i n d i i l ga n dd o i l _ b l ew i i l d i n p 甄t l l ed m 衄m i c a lm a t h 锄a t i c sm o d e lf o rb l d c l 讧 a c c o r d i n gt ot l l es t a t ee q 删o ni sp r o v i d c d ，s 伽es i m u l a t i o nw a v e f o 咖s 柚dr 锚d i t s a a c q u i 斌，m 船n w h i l e 。m et l l r c t i c a l 柚a 1 v s i so f m es y s t e mf n l 招s u c h 硝 i l w e n c r 鲫d t c hf a i l u r c ，w 砌i n gf 越l u f ea n dp o s i t i o ns e n s o rf 撕l u r ei 8g i v 吼 a c c o r d i n g t ot l l eg 即盱a ld 髓i g i l ，t h ed “l e ds y s t 锄k m l w a m 锄d 肌a r ed e s i g ni s f i i l i s h e d t l l ep o s i t i o ns e o 。sd i g i t a lc o n t r o l 卸dt h e 丘m c t i o no f t l l ed 0 i l b l ew i i l d i n g s c u r r e n tb a l a n c ei sr e a l i z c d ，t h es y s t 咖p o 髓e s s e sc 砌na b i l i t yo f d m l d a i l c y m 强a 黜朗t 觚df h u l tt o l 啪n t h lh 幽a 佗d e s i 蛐，血ec 讲咖c t i o n 肿c 嚣so ft h ew h o l es e r v o 埘t l l t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 龉l h ec o c o l l 由r o l l 盯i s 唧l a i n i ；d 。缸d 证峙k e yp a r ti s 锄a l y z e d i i ld e t a i l ；m ec p l dc n d ll o g ki sd e s i 删，锄dt h ew a v e f 0 肋b ys i m u l a t i b 硒c d 0 nm 麟p l u s - hi sa l 鼬p r o v i d c d h f t w a r ed 韶i 虬t h ep 印盯d i 懈s 豁t l l ei n t e 伊砷e d 觚b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t 朋、，i r o l i l n l 龃tf b ft 奴a sh 博仃m n e m st m s 3 2 0s e r i e s d s p 觚t l y 锄dt 1 1 er e s o m 髓o fd s pw eu s e d c d l y t 1 l em a i l la l g o r i t h m - c o f n p l c t e l y d i g i t “仃i p l e - l o o pc o n t l c 嘲p o s e db yc u r 嘲tl o 叩，v e l o c i t yl o o p 锄d p o s i 6 0 nl o o pi sa d o p t e d a n dt h em u l t i - m o d cp i dc o n 仃o la l 鲥m mi su s e d n c r e t d yi l lv i e wo ft h en o n l i i 瑚r i t y 雒d 劬e c h 趾g en a t u e s p e c i a i l yi i lm e c u n 舶tl o 叩d e s i g l l a v 蹦置g ec l l r r e n ti i l j t i m e m o di sa d o p t c d ，a n dt t i em d h o di s q u i t c n v e i l i 廿l tt o i v et t 他c 瑚c r tb a l a n o ep r o b l 锄m e 孤1 w i i i l e ，m er 甜瞰l 锄c y m 锄g e m e i l _ ti sf 酗l i t a 瞳c d f i i l a u y t h e 既p e r i m c n tl 岱u n sa r ea n a l y z e d 龇di t s p r o v c d t i i a tt h es y s t e mp o s s 铭s 鹤s 仃o n gr o b u s 衄e 锝龇dg o o dd ”姗i c - s t a t i c p e r f o m a n c e a tt l l e 锄do ft h ep a p e r a nf h c t o 墙w m c h 耐i tt h e 毋噶t 锄p e r f - o 珊a n c ea r e 强a l 僦a n do p t i m i z a t i o nd e s i 毋坞a r e 口犯s e i n c d k e y w o r d s ：m u l t i m d ep d ，s e f v oc o n 的ls y s t e i n d l 黜蛐c y r u d d b m s l l l e 豁d cm o t o r 西北工业大学业学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属丁西北j 二业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名张街躇 稍年弓月，f 日 指导教师签名 油7 年9 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名缝璺 硼年弓月；日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 现代战争对制导兵器的发展提出了全新的要求，导弹无疑是具备远程打击能 力的制导兵器中的佼佼者。导弹舵机的性能直接决定着导弹飞行过程的动态品 质。 大多数传统的火箭和导弹一般沿用液压伺服系统、气压伺服系统，这些伺服 系统具有优良的动态特性和结构适应性，但是结构复杂、重量大、成本高、实现 技术难度大。近年来长期的理论和实践探索证明，用功率电传作动器取代液压作 动器已经成为一种必然的趋势。而且随着多电、全电作动技术的日益成熟，也将 迸一步加快这种发展的步伐。电力作动器和功率电传技术的引入意味着逐步缩小 并最终彻底取代集中式的液压系统，并以此作为导弹飞行操纵控制的动力源。毫 无疑问电力作动器取代液压作动器不但可以极大的提高系统在可靠性、可维修 性、保障性等各方面的性能，而且将大大减轻导弹的重量、延长使用寿命、降低 维修费用【1 l 【4 2 】。 本课题高精度双余度舵机伺服控制系统的研制，旨在为了克服液压舵机、气 压舵机的缺点，改善导弹系统的性能，使其能够完成更为复杂的飞行任务而应用 于某型导弹设计的全数字电动舵机伺服系统，而采用d s p 控制器实现舵机用 + 2 8 5 v 双余度稀土永磁无刷直流电动机驱动控制系统的全数字控制，驱动导弹 舵机动作，进而可靠地实现对导弹正常飞行的控制。该系统要求无超调，抗负载 扰动能力强，实时性、快速响应性好，可靠性高，具有快速精确的定位性能。其 中心任务就是在一个控制器的控制下，根据制导计算机给出的舵机的位置信号， 完成舵面的精确偏转，以达到控制导弹准确的飞行的目的，保证舵机的各种静、 动态性能指标。同时舵机作为导弹上关键执行机构，一旦出现故障，将会威胁导 弹安全。采用冗余技术，可以大大提高系统的可靠性，降低故障率。本系统设计 成电气驱动双余度结构模式，可以实现在一余度出现故障时，切断此电气余度的 驱动功能，同时使用另一电气余度驱动电机继续平稳运行。本课题拟采用以高速 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 构成单一智能控制中心，设计简洁的、 特性优良的驱动电路和主回路，实现导弹舵面偏转角的随动控制。该伺服系统将 从根本上消除现有模拟伺服系统的控制线路体积大、限制了新控制方法的使用、 电路参数变化对伺服回路的特性影响大、可靠性差以及不易更改等缺点，将使舵 机系统的可靠性、可维护性和可升级性大大提高。本课题的研究对于促进我国的 国防现代化，提高我国在国际上的地位，保障人民群众的生命财产安全都具有重 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 要意义。 1 2 导弹舵机的国内外发展现状及发展趋势 几十年来绝大多数导弹采用液压气压伺服系统，是因为这些伺服系统具有优 良的动态特性和结构特性。如液压伺服系统具有动态特性好，输出精度高、输出 功率大等特点。各国在上述伺服系统方面进行了多年大量的工作，技术已经非常 成熟。 但这些伺服系统的缺点也是显而易见的。以液压伺服为例，虽然具有上述这 些优点，但它具有结构复杂、加工精度高、质量大、成本高、工作时间短等缺点， 因此，它仅应用于空对空、地对空等短距离的导弹系统，而无法应用于导弹等需 要较长时间的系统。鉴于上述原因，美国等西方国家早在上世纪9 0 年代初期就 开始对电动伺服系统进行了研究，并取得了卓越的成果。目前世界上的已有不少 国家在导弹上采用了电动伺服技术，如法国的马特拉5 5 5 导弹，俄罗斯的某型地 对地导弹以及美国的战斧式导弹【2 】等均采用电动伺服技术，并且美国的战斧式导 弹已在海湾战争、阿富汗战争和伊拉克等战争中得到了应用，取得了良好的效果， 导弹的性能也在不断的提高和完善。但是这些电动伺服系统采用的电机本体基本 上都是有刷直流电机。有刷直流电机虽然具有良好的调速特性，但由于这类电动 机具有换向器和电刷等机械接触部件，在地面存放时很容易受到氧化腐蚀，以致 电机可靠性较差，同时有刷直流电机的容量和转速也受到的限制。而无刷直流电 机( b u ) c m ) 没有换向器和电刷，可以消除换向火花引起的电磁干扰、消除了 电刷和换向器间的摩擦力矩，减少了对电机( 主要指对电刷) 的维护；另外，电 机的重量可明显降低，体积减小，可制成高转速、大转矩和大容量的电机。近年 来，随着稀土材料的广泛应用和微电子技术、智能功率集成电路的进一步发展普 及以及电力电子技术、电动机技术和现代控制理论等迅速的发展，稀土永磁无刷 直流电机得到了广泛应用。稀土永磁无刷直流电机的种种优点使得它正在成为未 来电动舵机乃至电动伺服领域的主力军。 尽管在过去的几十年里，各种类型的舵机分别得到了不同程度的发展，并且 凭借各自的优点在不同的飞行器上获得了应用，但是随着对飞行器更高性能的追 求，要求舵机向着体积、重量以及能量消耗不断减小，造价不断降低、动态特性 好以及易于控制等方向发展。近年来，世界各国在导弹舵机中都趋于使用电动舵 机，电动舵机以其简单可靠、成本低、动态特性好、易于控制等特性引起各国的 广泛关注和深入研究，可以预计，在不久的将来，电动伺服系统将广泛应用于各 种导弹上。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的主要研究工作 舵机控制器研制涉及到伺服系统相关各学科，工作量巨大。本人参与并取得 一定成效的主要有以下几个部分： 1 系统主控c p u 继续使用t i 公司的专用于电机控制的d s p l m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 下面 简写为f 2 8 1 2d s p ) ，并对该芯片进行了较深入的研究；在此基础上构建了双 余度硬件系统和软件平台。 2 在分析舵机系统总体功能、结构要求以及抗干扰性等方面的问题后，对硬件 系统进行了较大的改进，使系统比以前更加稳定可靠。 3 设计了基于舵机控制系统的三环控制算法，同时根据系统对动静态性能的要 求，对传统p d 算法作了改进，采用p d 参数模糊自整定的方法，并对双余 度电流均衡和余度管理方面提出了解决方法。 4 系统仿真：为了验证系统采用控制策略的可行性，利用m a t l 曲软件对控制系 统进行了系统仿真及对故障进行了理论分析。 5 参照目前的一些抗干扰性和电磁兼容性方面的技术，针对舵机伺服系统提出 了行之有效的硬件抗干扰和软件抗干扰措施。 6 分析了舵机控制系统的特性和影响系统性能的因素，并提出了系统具体的改 进方案。 3 西北工业大学硕士学位论文 第二章舵机控制器的总体方案设计 第二章舵机控制器的总体方案设计 本章主要介绍了导弹舵机双余度控制器的总体框架和各部分的基本设计理 念及方法，并对系统的基本组成部分作以简明扼要的说明。 2 1 导弹舵机系统的原理及结构嘟 舵机系统主要由舵机控制器和4 个舵机驱动机构组成，4 个舵机分别安装在 导弹尾部相互垂直的4 个方向上。舵机系统正常工作时，舵机控制器接受制导计 算机给定的舵面偏角信号，并驱动舵面偏转，保证舵面在规定的响应时间内以一 定的精度趋近给定偏角，同时将当前舵面的实际偏转角反馈给制导计算机：而当 系统发生意外故障时，舵机控制器接受制导计算机的安控指令，按预定偏转角度 驱动舵面偏转，配合导弹的自毁动作实现保护功能。控制器采用高速p 州方式， 通过调整p 州脉冲宽度，实现舵机调速，控制舵面的偏转，最终达到控制导弹飞 行轨迹的目的。 本论文提出了一种双余度舵机控制器方案，其原理框图如图2 1 所示： 图2 1 双d s p 双余度伺服放大器原理框图 在图2 1 中，电机为双余度稀土永磁无刷直流电机，有两套独立的转子位置 4 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 传感器和两套定子绕组。该系统具有两套驱动器，两套d s p 控制器，两d s p 相互 通讯。从结构上说，该方案做到了真正的双余度。下面分别予以说明： 转子位置传感器 电机转子位置传感器采用霍尔传感器，用于指示当前电机转子的位置。转子 位置传感器与电机绕组存在严格的对应关系，由于电机的两套绕组相差3 0 。的电 角度，故两套h a l l 传感器也相差3 0 0 电角度关系。 驱动器 驱动器由两套独立的驱动逆变电路构成，逆变器由六个m o s f e t 管组成，它 由i r 2 1 3 0 来驱动。当某一驱动器发生故障后，系统由双余度工作模式转为单余 度工作模式，但仍能完成飞控计算机发出的命令。 d s p d s p 是控制系统的核心，本控制系统采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制器，d s p 集 成了d s p 核、f l a s hr 伽，静态r a l i ，a d 转换器及p 哪发生器，外围接口电路， 集成度很高。在系统双余度工作模式下，d s p 处于主从备份式工作模式，一个d s p 控制两个驱动器。当某一d s p 发生故障后，另一d s p 接管故障d s p 的任务。这样 的工作方式既避免了两个d s p 控制的同步性问题，又从结构上解决了双余度问 题，比单d s p 控制具有更高的可靠性。 电机 该电机的特点是只有一套转子，定子铁心上嵌放着两套独立的电枢绕组。正 常情况下，两套电枢绕组同时工作，该电机一个转子的特点提高了系统的可靠性， 同时也降低了系统的机电时间常数，提高了系统的动态性能。当某一电机绕组故 障时( 开路，短路) ，系统可从双余度工作模式转为单余度工作模式。 故障检测电路 由于涉及余度管理问题，故障检测部分在系统占很重要的一部分。整个系统 的故障涉及以下几个方面蚰1 ： 1 电机绕组故障( 开路故障、短路故障) ； 2 逆变器故障( 开关管开路故障、短路故障) ； 3 电源故障： 4 转子位置传感器故障； 5d s p 控制器故障： 6 以上故障的综合性故障。 以上所述的控制器方案一样存在着弊端： 1 虽然d s p 处于主从备份式工作模式，但真正实现双d s p 之间的互相通 讯，d s p 故障的判定和仲裁，成功实现双d s p 备份的作用，并不是容 西北工业大学硕士学位论文 第二章舵机控制器的总体方案设计 易，处理不好还有可能造成系统可靠性不升反降。 2 由于系统中采用双d s p 结构，系统的硬件以及软件复杂度进一步增 加，使得本来期望提高的系统可靠性并没有实质性的提高。 3 据不完全统计，在舵机控制器系统中，由于功率驱动部分存在着强电 信号，8 0 以上的故障都出现在这里，而不是出现在主控芯片d s p 部 分。 基于以上原因本论文采用了1 d s p + 2 驱动器+ 2 电机绕组+ 2 转子位置传感器的 余度结构方式，如下页图2 2 所示。 图2 2 单d s p 双余度电动舵机控制器的系统框图 在图2 2 所示的系统框图中，系统由双余度无刷直流电机本体、双余度控制 器、双余度转子位置传感器这几个部分构成。控制器由t l i s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控单 元，逆变器a 、绕组a 和转子位置传感器a 构成一套驱动电路。逆变器b 、绕组 b 和转予位置传感器b 构成另一套驱动电路。两余度为并联工作方式。正常情况 下，双余度工作，一旦某一余度出现故障，另一余度将担负全部负载，继续完成 位置伺服的功能。逆变器由六个m o s f e t 管组成，它由i r 2 1 3 0 来驱动。转子位置 传感器采用姒l l 位置传感器。同时为了提高系统的可靠性，设计了保护电路。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 2 2 舵机本体一双余度稀土永磁无刷直流电机 传统导弹舵机的电动伺服系统选用有刷直流电机作为舵机本体，有刷直流电 机具有良好的调速特性，但是由于它具有换向器及电刷之类机械接触部件，在航 空航天领域，由于其工作的地方海拔很高，空气稀薄，解决机械摩擦造成热量是 一个很大的问题，同时，换向器这类器件在地面保存过程中容易出现氧化腐蚀， 以致电机可靠性较差，容量和转速都受到一定的限制。近年来，随着稀土材料的 广泛应用和微电子技术、智能功率集成电路的进一步发展和普及以及电力电子技 术、电动机技术和现代控制理论等迅速的发展，稀土永磁无刷直流电机( 又称方 波电动机) 得到了广泛的应用。稀土永磁电机不仅具有传统直流电机优良调速性 能的优点，还具有以下几方面的优越性： 电机的重量可明显降低，体积减小。 永磁转子的外径大大减小，从而减小了转子的转动惯量，降低了时间常数， 减小力矩波动。 稀土永磁电机的磁场定向性好，因而容易实现在气隙中建立类似于矩形波的 磁场，电机可以设计成方波电机，当与1 2 0 0 导通型三角逆变器相匹配时，可 实现方波驱动，从而减小力矩波动，提高了电机的输出力。 由于稀土永磁无刷直流电机具有这一系列的优点，因而在航空航天、电动汽 车、精密电子仪器与设备、工业自动化和现代家用电器等领域有广泛的应用。本 伺服系统选用稀土永磁无刷直流电机作为伺服电机。 双余度( 绕组) 无刷直流电动机是在单定子绕组的基础上引入余度概念后提 出来的，电机的定子上有2 套星型连接的集中式三相绕组套绕组相差3 0 0 ( 电角 度) ，这时如果电机两套绕组的电流相同，则电机输出转矩为每套产生转矩的2 倍，这两套逆变器的电源和控制电路相互独立，可以实现完全的双余度控制。控 制策略采用双余度同时工作方式。双电机通过同轴驱动可以提高系统的可靠性， 同时亦可降低系统的机电时间常数，提高系统的动态性能。在任一通道发生故障 时，可改为单通道运行，提高了系统的容错能力和可靠性。其具体结构在2 2 1 中做详细论述。 2 2 1 双余度电机结构与原理 在双余度无刷直流电机的结构上，具有如下的两种结构形式，一种是串联式 双余度r e p mb l d c m ，另一种是并联式双余度r e p mb l d c m 。 l 、串联式双余度电机【4 3 l 该电机的结构特点是两个独立的砌z p mb l d c m 的本体同轴同壳体安装， 7 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 形成串联式双余度结构，其结构示意图如图2 3 所示。从图中可以看出，该电机 具有两套定子，两套转子及两套位置传感器，只是具有共同的电机轴。 往萱= 鬻霁：2 l - 平l ii 黪擎引， 往萱佟啦蕃g c 赫嗣爿_ 司_ 爿= = 丢 鬣置馋薯- 2 llil 窿鏊鏊豳 2 、并联式双余度电机附1 该电机的特点是只有一套转子，定子铁心上隔槽嵌放着两套独立的电枢绕 组及相应的两套位置传感器，共用电机轴及转子，形成并联式双余度结构。其结 图2 4 并联式双余度电机结构 本系统采用的并联式双余度稀土永磁无刷直流电机作为电动舵机的执行机 构。控制策略采取双余度同时工作方式，双余度电机通过同轴驱动可以提高系统 的可靠性，同时可以降低系统的机电常数，提高系统的动态性能。 图2 - 5 双余度电机驱动结构 该双余度稀土永磁无刷直流电机的定子绕组是由两套空间相差3 0 。电角度的 三相集中绕组构成，采用双y 形接法，共用一个稀土永磁转子，极对数为2 。双 余度无刷直流电动机的两套定子绕组在电路上是独立的，但彼此间存在磁场藕 合，两套绕组间存在互感。具体结构如图2 5 所示。 双余度永磁无刷直流电机的气隙磁场设计为方波磁场，这样可以提高矩系 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 数。控制时采用脉宽调制( p w m ) 1 2 0 。方波驱动的电压源型逆变器供电，每6 0 。触 发一次换相，两套定子绕组分别由两套逆变器供电，第二套绕组在空间上滞后第 一套绕组3 0 。电角度，则在控制上第二套逆变器的供电电流应滞后于第一套3 0 4 电 角度，这样余度的换相时间也滞后3 0 电角度。则在3 6 0 电角度内，存在如表 2 1 所示的导通关系。 表2 1 双余度工作时一周期内导通关系 l 电角度 03 06 09 01 2 01 5 01 8 02 l o2 4 02 7 03 0 03 3 0 l 余度l a ba ，ba ，ca cb cb cb ，ab ac ，ac 八c bc b l 余度2 c ba ba ba ，ca ，cb cb cb ，a b ，ae | kc ，ac b 则余度1 、余度2 与双余度合成磁场的关系如图2 - 6 所示。若电机两套绕组 的电流完全相同，则电动机的输出转矩为每套产生转矩的1 9 3 2 倍，而且双余度 工作时的转矩脉动比单余度绕组工作时的转矩脉动小得多。 a 露a ，嚣叽 余度l余度2双余度 图2 6 双余度磁场关系图 2 2 2 无刷直流电机的数学模型 e i = 7 ， 医 + 匠兰墨 p 睦 + 匿 c z t ， 9 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 巳，巳定子绕组相反电动势( v ) ； i ； = 7 r j ! + 三一m 三一m 工一m p i + 三 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 电磁转矩方程为： = 鲁= 詈( 巳+ + 巳 = l ，+ 瓦 ( 2 5 ) 式中：只电磁功率； q 电机机械角频率5 行。极对数； 国角速度； l ，平均电磁转矩： l 第n 次谐波电磁转矩。 电机机械运动方程： 乃一瓦：j 睾 ( 2 6 ) 式中：丁为负载转矩，为转子惯性矩，q 为机械角速度。 电磁转矩与相电流成正比，为产生恒定的电磁转矩，需要输入的定子电流 t ，f ，f ，为方波，同时要求定子电枢绕组中感应的反电动势为梯形波，如图2 7 所 示。如果在每半个周期内，方波电流的持续时间为1 2 0 0 电角度，那么理论上梯形 波反电动势的平顶宽度相应的也应为1 2 0 0 电角度，并且两者要严格同步。 由式( 2 4 ) 可以得到无刷直流电机的状态方程： 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 l 三一盯 l 一盯 l 工一 ihl 、ii ；i i 图2 7无刷直流电机相电流和反电动势的理想波形 由式( 2 4 ) 可以得到无刷直流电机的等效电路，如图2 8 所示。 图2 - 8无刷直流电机的等效电路图 2 2 3 双绕组电机数学模型 ( 2 7 ) 双余度无刷直流电动机的两套定子绕组在电路上是独立的，但彼此间存在磁 场耦合，即两套绕组间存在互感。忽略磁路饱和效应，可以得到永磁转子的双余 度无刷直流电机的电压平衡方程： u d = 黜d + l 等+ ( 2 8 ) 其中两套定子绕组上的相电压矢量以、相电流矢量l 和反电势矢量日分别为： = 。仉： = “。蚝。： l = 厶。l ： 7 = 屯。：kt ： 7 局= 易。易： 7 = 气。气。巳：巳： 7 电阻矩阵为r = 心。，其中，为相电阻，k 。为6 6 的单位矩阵。 西北工业大学硕士学位论文 第二章舵机控制器的总体方案设计 r = ro or o 0 0o o o o o o o oo ro 0， o o o o o o o o o o o o ，o or 而电感系统矩阵可以写为扛臣封 其中，厶。= k = 妄：荨 ，：= 厶r = 耋乏 式中z 为相绕组自感，m 是两套绕组电角度相差1 2 0 时的互感，肌：是两套绕组电 由于电机绕组采用星形连接，有+ + = 0 和f d ：+ 2 + f c ：= o 。于是得到： 厶，= 如= 7 了，立 ，k 咆7 = _ 三j 2 乙= ( e o - + 1 + 巳l + 2 2 + 2 乇2 + 2 2 ) 乞 ( 2 9 ) 塑：亟二型 ( 2 1 0 ) 2 2 4 无刷直流电机伺服系统的控制策略5 1 由于交流伺服电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，仅仅采用一 般的控制方法，很难达到较高的性能要求，而方波无刷直流电机具有一系列的优 点，更适合于高性能的交流伺服系统，所以对方波无刷直流电机交流伺服系统控 制策略的研究具有重要的价值和意义。现代控制理论的发展和应用促使了许多新 型的交流伺服电机控制方法的诞生，虽然各种现代控制理论都已较成熟，但真正 应用于实践的时间并不长，主要是由于这些方法较复杂，用以前的硬件来实现， 难以达到实时性的要求。随着d s p 的出现，这些问题便迎刃而解，现在的伺服电 机控制正在向全软件控制的方向发展，所以也有人称目前的伺服技术为“软伺服” 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第二章舵机控制器的总体方案设计 或“数字伺服”。 p d 控制 p d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于它具有算法简单、鲁棒性好、 可靠性高等优点被广泛用于工业过程控制；它尤其适用于可建立精确数学模型的 确定性控制系统，所以一般需要预先知道被控系统的传递函数和数学模型。但是 在工业实际中常常会随着被控对象越来越复杂，系统表现出复杂的不确定性、非 线性以及时变性的特点，难于精确建模，用传统的p d 控制器已不能满足这些复 杂对象的控制要求。 变结构控制“儿习 变结构控制( v s c ) 是一种高速切换的反馈控制，它根据系统的状态选择两个 控制量，输入其中之一，相当于系统有两种结构，即 l “+ ( 工，f ) s ( 力 o l 甜一( x ，f )s ( 五) o 其目的是使非线性对象快速到达预定的所谓“切换面”( 也称为“滑动面”) s ( 神= o ，并使其沿着这个切换面滑动，这时系统处于滑动模态。变结构控制的 设计分两步，首先确定切换面，此切换面所描述的状态就是期望系统达到的动态 指标：然后设计切换控制器，使系统向切换面运动，并将其强行维持在切换面附 近向平衡点滑动。由于变结构控制具有响应速度快、对外部扰动和参数不确定性 具有较强的鲁棒性，物理实现简单等优点，因此方波无刷直流电动机位置伺服方 式下的运行采用变结构控制是一种很好的解决方案。 设计变结构控制系统有两个关键问题：其一是判断滑动模态存在的条件，只 有当满足l i l n s s 时，才能用等效控制法进行设计；另一个关键问题是变结构控 5 寸0 制的抖颤问题。理论上，只要不确定扰动因素有界就可以通过适当的变结构控制 作用，使系统在有限时间内达到指定的切换面，从而实现滑动模态运动。但是， 实际系统由于切换装置不可避免地存在惯性，变结构系统在不同的控制逻辑中来 回切换，导致实际滑动模态不是准确地发生在切换面上，容易引起系统的剧烈抖 振，从而成为它在实际应用中的一大障碍。为了克服这种“抖振”缺陷，目前比 较流行的是采用边界层内的正则化方法，即在适当的边界层内将原变结构控制连 续化，从而达到衰减抖振的目的。但这种方法实质上已不再是传统意义上的变结 构控制，不再具有变结构控制系统良好的鲁棒性。此外，边界层厚度的选取也是 一个很困难的问题。 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制、 自适应控制、专家系统、迭代学习控制等。智能控制系统具有自学习、自适应、 自组织等功能，能够解决模型不确定性问题、非线性控制问题以及其它较复杂的 问题。通过智能控制可以使系统具有经典控制所不具备的对信息加工处理的容错 能力，可以使系统对外界环境具有更强的适应能力和抗干扰的强鲁棒性。以b p 神经网络控制为例，它是神经网络中的一种，在自动控制系统中，b p 神经网络 被广泛应用于非线性系统辨识、控制及系统故障诊断等方面。b p 神经网络是由 若干个简单的非线性神经元组合而成的，它具有复杂的非线性处理能力、可以逼 近任意非线性函数、结构简单、学习算法明确等优点。严格地说，永磁无刷直流 电机本身是一个多变量、强耦合、非线性的动态系统，使用传统的p d 控制很难 得到最优的控制效果，利用b p 神经网络与传统的p d 控制相结合可以有效地解决 p d 控制参数难以确定和环境扰动的不确定性的种种困难。通过网络的自身学习 可以找到某一最优控制律下的p m 参数，可以取得较满意的控制效果。再比如将 模糊控制与经典白适应控制相结合，采用具有万能逼近器性能的模糊基函数来表 示模糊辨识器，为模糊自适应控制器提供参数自调整的梯度信息。模糊自适应控 制的控制器建立在自适应模糊逻辑系统的基础上，利用模糊控制的语言信息，并 结合模糊辨识器实现自适应功能。仿真实验证明，这种控制可以使系统具有良好 的静、动态特性，同时结合了模糊语言特性的自适应控制系统减小了电流的脉动， 即在一定程度上减小了转矩脉动，提高了系统的性能。 通过对上面三种控制算法的描述，现代智能控制的控制效果较好，但由于控 制算法复杂，以目前的处理器处理能力很难达到控制目的；若单独采用其它算法， 不免地存在这样那样的缺点。因此，在设计控制算法时，应该采用兼容并蓄的思 想，将这些算法中好的一面提取出来，同时摒弃对控制系统不利的地方：即将一 些算法的优点结合起来重新构成一个适合要求的控制算法。本系统将分段控制、 积分分离p i 控制与不完全微分p d 控制结合起来，在控制的不同阶段采用不同 的环节与参数，这样可以使控制器对控制对象的参数变化不敏感，即采用多模态 p d 算法来实现舵机伺服系统的控制。 2 3 系统总体方案设计 系统方案设计主要包括硬件方案设计和软件方案设计，下面分别进行介绍。 2 3 1 硬件方案设计 硬件设计主要包括d s p 及其扩展电路、c p l d 逻辑电路、隔离及驱动电路、 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章舵机控制器的总体方案设计 电流反馈检测调理电路、位置反馈调理电路等。 中央控制单元选择 为了实现伺服系统的动、静态技术指标，完成实时数据处理、控制算法和保 护功能，中央控制单元承担相当繁重的任务，因此，选择一款高性能的处理器是 提升整个控制器性能的关键之一。 在查找相关处理器资料并进行认真选择、比较后，本课题选用了t i 公司专 为电机伺服系统设计的d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为c p u ，其军用级型号为 s m 3 2 0 f 2 8 1 2 。该控制芯片是t i 公司新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上最 先进、功能最强大支持电机控制的低功耗3 2 位定点d s p 芯片之一，它采用改进 型的哈佛结构、八级流水线操作，通过6 条独立的地址和数据总线来完成读写操 作，完全可以避免从同一地址进行读写而造成的秩序混乱；它既具有数字信号处 理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能；同时拥有丰富的片内存 储器。此外，该d s p 的指令执行速度最高可达1 5 0 m 口s ，并且其片内集成1 6 路 1 2 位高速a 仍转换模块( 最高速率为1 2 5 m s p s ) 以及专为产生p w m 波精心设 计的事件管理器等。这无疑极大地简化了控制系统外围电路设计，提高了控制器 的整体可靠性。同时也为p w m 调制方式控制提供了极大的方便。 转子位置信号的检测及换向电路的实现 由安装在定子上的转子位置检测器一霍尔传感器输出的三路脉冲信号和电 机运行方向信号决定三相绕组的供电顺序，这正是电子换相的思想。本课题利用 复杂可编程逻辑器件( c p i ，d ) 来硬件实现电子换相，将电机定子输出的三相霍尔 信号、d s p 输出的载波p w m 信号、电机运行方向信号以及各种保护信号经过逻 辑运算产生换相信号，从而正确控制功率场效应管的导通次序。 功率主电路和电流采样电路 功率主电路是由m o s f e t 搭建的三相逆变器组成。驱动电路选用了专用的 集成驱动芯片匕1 3 0 ，它自带2 5 i ls 死区，内部设计有过流、过压及欠压等完 善的保护功能，加之自举技术的巧妙运用，大大将低了功率电路设计的复杂度， 有效地提高了系统的可靠性。 电流的采样是通过在主电路串联取样电阻完成，并将采样到的电流信号转换 为电压信号，再经过放大、滤波后转换为o v 的标准信号送到d s p 的a d 采 样转换输入口。 舵面转角信号检测 舵面的实际偏转角是通过角度传感器检测的。位置传感器选用精密导电塑料 线性电位器，该传感器具有耐磨性好，抗振动能力强，同时采用精密电位计检测 反馈位置在原理上消除了阶梯误差，具有工作温度范围宽和分辨率高的特点。位 西北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 置检测电位器与舵机同轴相连，当舵面偏转时，反馈电位器的阻值将线性变化， 输出电压值也随之线性变化。该电压信号经调理电路处理后，输入到d s p 的a d 输入口，最终完成舵面实际偏转角度的检测。 余度管理及保护功能的实现 为了保证双余度舵机系统安全可靠的运行，设计相应的余度管理及保护功能 是十分必要的。舵机的余度管理及保护功能主要包括：主电路的余度过流自动切 换和保护、舵面偏转角的限位保护以及舵机的安控保护。各功能均由c p l d 直接 仲裁，以提高保护动作的响应速度和可靠性，同时将保护信号回馈给d s p ，以协 调逻辑阵列和主控d s p 间的保护措施。 当某一余度驱动电路发生过流时，硬件逻辑阵列关断六路p w m 波的输出， 同时切断此余度功率电路母线电压，继而完全切断此余度。当舵面偏转角度正向 ( 反向) 超出阈值限制时，迅速控制舵面反向旋转进入阈值范围。当接收到安控 指令时，系统自动屏蔽来自制导计算机的给定偏转角度信号，优先执行安控指令， 由逻辑阵列将舵面偏转至既定位置实现导弹自毁。 2 3 2 软件方案设计 本系统中，微处理器采用f 2 8 1 2 ，对它的软件编程涉及到舵面给定位置信号 检测、舵面实际位置信号检测、主电路电流检测、电机转速计算、p w m 信号的 产生和输出、舵机运行方向控制、余度管理以及故障检测与保护等。整个程序包 括对d s p 程序空间、数据空间、外部的空间、外部事件管理器模块、a d 转换 模块、看门狗等资源的操作。开发语言采用以c 2 0 0 0 系列d s p 优化c 语言为主 体，配合以适当的汇编语言。程序的调试采用t i 公司的c c s2 0 0 0 集成开发环 境( d e ) 。 舵机控制系统的控制策略是保证满足舵面动、静态性能要求的关键，控制系 统的结构原理如图2 9 所示，控制系统为三闭环控制，即位置环、速度环、电流 环。最外环为位置环，输入是给定的舵面转角的期望值，与舵机位置传感器的实 际偏转角之间形成舵面角的偏差，此误差位置调节的输入信号，经过p i 调节， 位置控制的输出作为速度环的给定信号，与实际的舵面偏转速度比较进行转速积 分分离的p d 调节，产生电流的给定信号，而电机的实际转速是通过对实际舵面 位置信号进行不完全微分并经数字滤波后得到的。转速控制输出作为电流环的给 定信号，与实际的电机采样电流进行比较进行电流环的调节，产生p w m 波形， 与电机转子实际位置的霍尔信号进行逻辑译码，产生6 路p w m 信号来控制主电 路中功率器件的导通，以达到调节电机转速和位置的目的。增加转速环和电流环 的目的是为了增加系统的响应速度，改善系统的动态性能。控制律采用多模态 西北工业大学硕士学位论文 第二章舵机控制器的总体方案设计 p d 算法，其动态、静态性能将全面优于给定的性能指标。另外，可以通过外部 开关量的给定以及故障信号，经c p l d 逻辑运算后产生低电平跳变，引起c p u 功率中断保护，切断相应的定时器的p w m 波的输出，并通过继电器切断相应余 度的母线电压，即完全切断相应余度的驱动功能，使舵机剩余余度继续驱动电机 转动，实现舵面控制功能。 设计三闭环调速系统就是应用工程设计方法来设计三个调节器( 电流调节器 a c r 、转速调节器a s r 和位置调节器a q r ) ，其设计方法是：先设计内环a c r ， 再将整个电流环作为伺服系统的一个环节，设计a s r ，最后把里面的双环同样 作为伺服系统的一个环节来设计a q r 。具体的控制算法包含对电流环、转速环 和位置环三个闭环的控制，图2 9 是控制算法的结构原理框图。 位置 反馈 图2 - 9 导弹舵机系统的软件结构原理框图 下面将以图2 9 为背景，简要地叙述控制器双余度电流均衡及余度管理问 题。 ( 1 ) 双余度电流均衡 由于器件及制造上的各种原因，系统两个通道的参数不可能完全相同，因此 在双绕组同时工作时，系统还需要解决电流“均衡”问题。双余度工作时两套绕 组的电流大小不一样，将会使电流较大的一套绕组发热，对电机的工作情况不利。 因此，从电机的工作状况和性能的角度出发考虑，在控制时应尽力使两套绕组的 电流大小趋于一致，保证电流的均衡，使电机尽可能地运行在良好状态。 从图2 9 可知，d s p 可同时获知双余度电机的电流值。双余度工作时将速度 环给出电流参考值一分为二，两余度分别按给定电流参考值的l 2 进行电流闭 环，决定各自驱动器的p 删斩波信号的占空比。这样就在电流环程序中解决了双 余度电流均衡问题。 ( 2 ) 余度管理策略 在正常的情况下，双余度同时工作。在系统出现故障时，在余度管理软件的 支持下，可进行动态重构。 1 ) h a l l 片位置传感器处于主动并列式工作模式，当某一余度的m l l 坏了的 时候，此余度将停止工作，另一余度担负起全部负载。由于两套h a l l 互