（电力电子与电力传动专业论文）高精度舵机控制器的研制.pdf

西北工业人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m i s s i l er u d d e ri st h ee x e c u t i v ep a r to fm i s s i l ef l y i n gs y s t e m ，a n di sc l o s et ot h e a t t a c kp r e c i s i o no ft h em i s s i l e i nt h ep a p e ras e to ff u l l y - d i g i t a l s i g n a ls e r v os y s t e m f o rm i s s i l er u d d e ri sd e s i g n e da tt h eh i g ha c c u r a c yp o s i t i o ns e r v or e q u e s t ，a n di t s s t r u c t u r e ，c o n l i o lm e t h o d ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ea n a l y s e d t h i ss y s t e m 而t 1 1 b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c mf o rs h o r t ) a si t sd r i v ea d o p t st h r e e l o o pc o n t r o ls t r a t e g y t oa c h i e v et h ea i ma th i 【g l la c c u r a c yp o s i t i o nt r a i lo f r u d d e r i nt h ep a p e r , t h ep r i n c i p l eo fb l d c mi sp r e s e n t e di nb r i e f , a n ds e v e r a lc l a s s i c c o n t r o ls t r a t e g i e sf o rb l d c mi sa n a l y z e d i te x p l a i n st h ec o n s t r u c ts o u r c eo ft h e w h o l es y s t e mw t 1 1t h ek e r n e lo ft m s 3 2 0 f 2 9 1 2d s p , a n dm a k e sf u l la n a l y s i st ot h e k e y , a n dd e s i g n sc p l dc o n t r o ll o g i c ，a n dg e t st h ew a v e f o r mb ys i m u l a t i o nb a s e do n m a x p l u s i ii nt h eh a r d w a r e i td e s c r i b e st h et r a n s p l a n t a t i o no nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2o f e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m1 2 c o s - i i ，t h ep a r t i t i o na n da l l o c a t i o no ft h et a s k s ，t h e f u n c t i o nf l o w i n go fe a c ht a s ki nd e t a i l t h es y s t e ma d o p t st h ei m p r o v e dp i d a r i t h m e t i ca n dt h ec l a s s i ct h r e e l o o pc o n t r o lm e t h o d ，i nw h i c hi tu s e sp i dw i t hi t s p a r a m e t e r sa r es e r f - m o d i f i e db yf u z z y a r i t h r a e t i ci nt h ep o s i t i o nl o o p ，a n dac o m p o u n d a r i t h m e t i cw i t hb a n g - b a n ga n dt h ei n t e g r a l - s e p a r a t e dp ii nt h es p e e dl o o p ，t h e i n t e g r a l - s e p a r a t e dp ii nt h ec u r r e n tl o o p m e a n w h i l e ，c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o n o f r u d d e rc o n t r o l l e r , t h ep a p e r p r e s e n t st h et e c h n o l o g yo f a n t i - j a m m i n gf r o mh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h ei n i t i a lr e s u l ts h o w st h a t ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yc o u l da c h i e v eab e r e r p o s i t i o nt r a i l ，a n d t h er e l i a b i l i t y , r e a l t i m ea n de x p a n s i b i l i t yo ft h es o f t w a r ei s i m p r o v e dg r e a t l ya f t e rt r a n s p l a n t i n gt h ei _ t c o s i i k e y w o r d s ：f u z z yp i d ，s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m b c o s i i ，r u d d e r ，b r u s h l e s sd cm o t o r 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 进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。 本课题研究的目的是为了克服液压舵机、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巡航导弹设计的全数字电 动舵机伺服系统。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 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 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，而无法应用于巡航导弹 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巡航导弹等均采用电动伺服技术，并且美国的战 斧式导弹己在海湾战争、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 l d 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。 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： i 系统主控c p u 改力t i 公司的专用于电机控制的d s p t m s 3 2 0 f 2 8 t 2 ( y 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；在此基础上构建硬件系统 和软件平台，同时对各功能模块进行了调试。 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 2 西北丁业大学硕士学位论文 第一章绪论 系统进行了较大的改进，使系统比以前更加稳定可靠。 3 为提高软件的实时性、可靠性和可扩展性，在f 2 8 1 2d s p 上移植了嵌入式实 时操作系统p c o s i i ，并在此平台上构筑了舵机系统的控制软件。 4 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 i d 算法作了改进，采用p i d 参数模糊自整定的方法，并取得了 初步的成效。 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；同时考虑到本系统对模拟量信 号精度的要求，给出了几种方便且有效的数字滤波器的设计方法。 6 分析了舵机伺服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。 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 导弹舵机系统的基本原理及组成 舵机伺服系统是导弹系统中不可或缺的组成部分，它的特性直接影响导弹的 整体性能。舵机控制系统的中心任务控制舵面按要求快速、精确的偏转，保证舵 机控制器各项动静态指标。因此，舵机系统本质上就是一个典型的位置随动系统。 舵机伺服系统的总体框图如图2 1 所示，它由舵机控制器和4 台舵机本体构 成。舵机本体由无刷直流电机、谐波减速器、输出轴和舵面角度传感器组成，并 分别安装在导弹尾部相互垂直的4 个方向上，在具体使用过程中，1 群舵机和3 群 舵机配合使用，2 # 舵机和剁舵机配合使用。 主控c p u ! 控制信号 - - + i 反馈信号 调理电路 一 驱动电路 一 j ：输出轴 舵机 j j e 机控制器 图2 - 1 舵机控制器的总体框架 系统正常工作时，舵机控制器接受制导计算机给出的舵面偏转角信号，同时 按要一定的算法控制舵面偏转，保证舵面在规定的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，按预定偏转角驱动舵面偏转，以配 合导弹自毁动作的实现，以免导弹在运行过程中对非预定的目标造成意外伤害。 控制器采用脉宽调制( p w m ) 的方式，通过调节p w m 脉冲的宽度改变舵机两端工 作电压的大小，实现舵机速度的调节，进而控制舵面的偏转，最终达到控制导弹 飞行轨迹的目的。 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巢设计 2 2 伺服电机的选择 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d , t 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对，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。 2 3b l d c m 的结构与工作原理1 稀土永磁无刷直流电机系统由逆变器，永磁同步电机本体，转子位置传感器 及控制器组成，如图2 2 中虚线框内部分所示为无刷直流电机。在永磁同步电机 本体中，电枧转子由稀永磁材料制成，定子上为三相鬯枢绕组，经由逆变器按 到直流电源上。定子采用位置传感器实现电子换向，代替有刷电机的电刷和换向 器，各相逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩。 图2 2 是稀土永磁无刷直流电机控制系统图。控制电路对转子位置传感器检 测到的信号与c p u 输出的脉宽调制( p w m ) 信号进行逻辑组合与变换，然后将输出 信号经过隔离驱动电路，送至逆变器各功率开关管( m o s f e t 或i g b t ) ，从而控 制电机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳变式旋转磁场。下面结合 图2 2 并以两相导通y 型三相六状态无刷直流电机为例对其工作原理“1 作一下简 单的分析。 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 c ! l 图2 - 2稀土永磁无刷直流电机控制系统围 图2 3 是稀土永磁无刷直流电机工作原理示意图。当转子位于图2 3 ( 曲中所示 位置时，检测到的磁极位置信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开 关管v 1 、v 6 导通，即a 、b 两相绕组通电，电流方向为a 进b 出，电枢绕组在空 间的合成磁场为b a ，方向如图中所示。电枢绕组合成磁场b a 与永磁转子磁场b r 相互作用产生转矩，使转子按顺时针方向旋转，在此过程中电流流通路径为：电 源正极- - v i 管一a 相绕组一b 相绕组- - v 6 管一电源负极。当转子转过6 0 0 电角度， 达到图2 - 3 中的位置时，转子位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管v 6 截止，v 2 导通。 在此换相瞬间( 即v 6 管关断，v 2 管还未导通的对刻) ，绕组中的电流按v 1 管一a 相绕组一b 相绕组一d 3 管一v 1 管的通路进行续流，此时电枢绕组合成磁场 b a 与永磁转子磁场b r 夹角为6 0 0 。 完成换相后，v 1 、v 2 导通，绕组a 、c 通电，电流方向a 进c 出，电枢绕组 在空间合成磁场为图2 3 嘞中b a ，此时电枢磁场与永磁转子磁场相互作用使转子 继续沿顺时针方向旋转，电流流通路径为：电源正极一v l 管一a 相绕组一c 相 绕组一v 2 管一电源负极。转子旋转3 0 0 后( 即此时b a 与b r 夹角9 0 0 ) ，电动机此时 产生的转矩最大，转子继续沿顺时针方向旋转3 0 0 后( 即此时b a 与b r 夹角6 0 0 ) 发 生下一次换相，如此重复进彳亍。由此看到，电枢绕组合成磁场与永磁转子磁场夹 角始终在1 2 0 0 - - r 6 0 0 范围内变化，当电动机转予沿顺时针每转过6 0 0 电角度时，功 率开关管的导通逻辑为：v 1 v 2 、v 2 v 3 、v 3 v 4 、v 4 v 5 、v 5 v 6 、v 6 v 1 ，转 子在定子电枢绕组合成磁场和永磁转子磁场的相互作用下沿顺时针方向连续转 动。若电动机转子逆时针连续转动，功率开关管的导通逻辑为：v 1 v 6 、v 6 v 5 、 v 5 v 4 、v 4 v 3 、v 3 v 2 、v 2 v l 。 +ill删ll，10 两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 图2 3稀士永磁无刷直流电机_ 作原理示意图 在图2 3 中由( a ) 到( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定 子电枢绕组合成磁场b a 在空问保持如图2 - 3 ( a ) 中的方向不变，只有当转子磁场 转够6 0 0 电角度到达图2 - 3 ( b ) q hb r 的位置时，定子电枢绕组合成磁场才从( a ) 中 b a 的位置顺时针跃变至( b ) 中b a 的位置。可见定子电枢绕组合成磁场在空间不 是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。 当转子每转过6 0 0 电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁 状态就改变一次。可见，无刷直流电机有6 个磁状态，每一状态都是两管导通， 每管导通中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 0 ，故该逆变器为1 2 0 0 导通型逆 变器。 这里采用霍尔磁敏组件检测电机转子的绝对位置。对于反电动势为梯形波， 两相导通y 型三相六状态无刷直流电机，将三个霍尔组件以彼此间隔1 2 0 0 空间 电角度安装在电机定子上，由于电机永磁体的极弧宽度为1 8 0 0 电角度，这样当 电机旋转时，三个霍尔组件交替输出三个宽为1 8 0 0 电角度、相位互差1 2 0 。电角 度的方波信号。电机旋转过程中转子位置传感器输出的位置信号与p w m 调制信 号经过逻辑组合变换后得到的逆变器功率管导通信号的时序关系将在第三章详 细阐述。 2 4 无刷直流电机伺服系统的控制策略b 1 由于普通的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，很难达到良好的性能要求，而无刷直流电机( 本文所指的 无刷直流电机指方波无刷直流电机) 具有一系列的优点，更适合于高性能的伺服 系统，所以对无刷直流电机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e 应用于实践的时间并不长，主要是由于这些方 诬北工业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案殴计 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，很多 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”或“数字伺服”。下面介绍永磁无刷直流电机 的几种常用的控制方法。 ( 1 ) p i d 控制 p i 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；它不需要知道被控对象精确的数学模 型，但一般要求被控对象具有线性性。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，仅用传统的 p i d 控制器已很难满足这些复杂对象的控制要求。 ( 2 ) 变结构控制瞳1 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 ”= ”+ ( x ，f ) s ( x ) o h 一( x ，f ) s ( 曲 0 其目的是使非线性对象快速到达预定的所谓“切换面”( t g 称为“滑动面”) s ( 工) = 0 ，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 m s - s 0 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。 ( 3 ) 智能控制 两北工业大学硕十学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模搦控制、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，它是神经礴络中的一种，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 i 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 i d 控制枢结合可以有效地解决 p i 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 i d 参数，可以取得较满意的控制效果。再比如将 模糊控制与经典自适应控制相结合，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，现绕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，同时摒弃掉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。本系统将模糊控制 与p i d 控制结合起来，采用p i d 参数模糊自整定的方法实现舵机伺服系统的控 制。 2 5 舵机控制器的设计方案6 舵机控制器的设计涉及控制器硬件电路的设计与软件控制策略的设计两方 面。下面分别简要介绍之。 2 5 1 控制器的硬件方案设计 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 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、 电流反馈检测调理电路、位置反馈调理电路等。 1 ) 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 ( t e x a i n s t n m a e m ) 公司专为电机伺服系统准备的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 公司最新推出的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 i p s ( m i l l i o n q n s t r u c t i o np e rs e c o n d ) ，并且其片内集成1 6 路1 2 位高速a d 转换模块 ( 最高速率为1 2 5 m s p s ) 、专为产生p w m 波精心设计的事件管理器( e v e n t m a n a g e r ) 等。这无疑极大地简化了外围电路设计，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。 2 ) 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侠电顺序，这正是电子挟相的思想。本课题利用 复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 来实现电子换相，将电机定子输出的三相霍尔信号 和d s p 输出的载波p w m 信号及电机运行方向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。 3 ) 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i r 2 1 3 0 ，它自带死区，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，大大将低了设计的复杂度，提高了系统的可 靠性。 电流的采样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0 0 v 的标准信号送到d s p 的a d 采样 转换单元。 4 ) 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 西北t 业大学硕士学位论文第二章舵机控制器的总体方案设计 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 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 单元，最终完成舵面实际偏转角度的检测。 5 ) 保护功能的实现 为了保证舵机系统安全可靠的运行，设计相应的保护功能是十分必要的。舵 机系统的保护功能主要包括：主电路的过流保护、舵面偏转角的限位保护以及舵 机的安控保护。各保护功能均由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。 当主电路发生过流时，硬件逻辑阵列关断六路p w m 波的输出。当舵面偏转 角度正向( 反向) 超出闽值限制时，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 5 2 软件方案设计 “智懂辩淤墨社圈癣 | l f d b 一”审“与亘卜一亩 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 电流环采用经典的积分分离p i 算法。为提高转速环调节的快速性，对转速环采 用b a n g - b a n g 控制和p i d 算法相结合的算法。位置环作为最外环，是决定舵机系 统快速性及稳态性能的关键部分。由于被控对象的非线性性和系统参数的时变 性，一般的p i d 控制算法很难满足要求，为了获得优良的动态效果和静态性能， 位置环采用p i d 参数模糊自整定的算法。 西北工业人学硕士学位论文 第三章舵机控制器硬件部分详细设计 第三章舵机控制器硬件部分详细设计 在全数字舵机伺服控制系统中，控制器是它的核心，它不仅要完成外部信号 的采集、功能的保护，还要完成整个系统的控制策略，实现伺服系统的控制要求。 本控制器以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为控制核心，c p l d 为辅助控带4 单元，并配以无 刷直流电机控制中优化的外围电路，使整个舵机伺服控制系统具有集成度高、抗 干扰能力强、控制精度高、响应速度快等优点。 本章从控制器的硬件出发，首先介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的最小系统 的构建，在此基础上详细讨论主要外围电路的设计，同时较详细地对功率驱动电 路中大家在设计过程中容易忽路但又极其重要的部分进行了相应的讨论。 3 1 控制器的硬件组成 舵机伺服系统主要由舵机本体和伺服控制器组成。舵机本体由无刷直流电 机、谐波减速器、位置传感器组成；舵机控制器如图3 1 虚线部分组成。该控制 器以1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心，在c p l d 中将d s p 输出的控制信号、电机转子 位置反馈信号以及各类保护信号按照一定的逻辑组合，产生逆变器工作所需的控 制信号，该控制信号经过隔离和功率放大，驱动无刷直流电机按要求转动。安装 在舵机轴上的角度传感器提供舵面位置信号，该信号经过隔离、滤波及电平处理 之后，一部分作为舵面位置的反馈进入d s p ；另部分上传给制导计算机。主电 路的母线上串接采样电阻，经过隔离、滤波、放大之后作为电流反馈信号进入 d s p ；4 个舵机舵面的参考位置由制导计算机给定。 西北工业大学碾十学位论文 第三章舵机控制器硬件部分详细设计 图3 1 舵机控制器硬件结构框图 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 最小系统设计 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司推出的3 2 位定点d s p 控制器，是目前伺服控制领 域最先进的处理器之一。其频率高达1 5 0 m h z ，采用改进型的哈佛结构、8 条流 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，流水线保护功能可 以避免对同一地址进行读写过程中所造成的混乱，大容量的r a m 和f l a s h 为嵌 入式操作系统的移植提供了极大的方便；更重要的是，该型号同时提供了军品级 的产品，为导弹舵机系统投入实际应用提供了保障。 f 2 8 1 2d s p 为整个控制系统的核心，它主要担负了电流反馈、位置反馈以及 位置给定的采样，保护功能和控制算法的实现，电机控制信号的产生等任务。 f 2 8 1 2d s p 高速计算能力及丰富的内部集成模块，不仅简化了系统外围模块的设 计，也降低了对这些模块支持的应用程序的编写难度，从而使系统的集成度、可 西北丁业大学顿士学位论文 第三章舵帆控制器硬件部分详细设计 靠性得到提高。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的最小系统如图3 - 2 所示。主要涉及j t a g 接口配置、 存储器扩展、复位电路、a d c 模块的设置以及时钟电路的设计等。下面分别对 各模块配置过程中可能碰到的问题作一简单说明。 i j t a g 口配置 j t a g 口各引脚除按要求币常配置外，对于s e e d - x d s p p 仿真机来说，需要 注意的是j t a g 口的第5 脚的电源连接问题，由于支持f 2 8 1 2d s p 工作的所有电 源的最高值为+ 3 3 v ，因此，在设计过程中很容易想当然地将+ 3 3 v 接到j t a g 的电源引脚上，实验证明，当j t a g 接+ 3 3 v 电源时，将无法进入c c s2 ( 2 0 0 0 ) 的仿真环境，该引脚必须接+ 5 v 。 2 外部存储器的扩展5 8 ”鲫 外扩存储器是为了弥补f 2 8 1 2 d s p 内部r a m 的不足。当调试的程序过大时， 一般将程序下载到高速r a m 中进行调试，而不是将程序直接下载到f l a s h 中， 这样处理一方面避免了频繁地烧写片内f l a s h ，另一方面也加快了程序的调试 速度。上面已经提到，f 2 9 1 2d s p 片内集成的r a m 已经比较大，那么为什么 还要扩展昵? 一方面是因为调试过程中程序是下载到s r a m 中的，而控制软件 所占的空间较大，另一方面是因为嵌入了实时操作系统p c o s - i i ，其内核运行需 要占据一定的r a m ，更重要的是运行在i 1 c o s i i 上的每一个任务都要建立一个 独立的任务栈，这需要占用很大一部分r a m 空间，再者，调试过程中需要在 r a m 中暂存大量的数据：所有这些，使得1 8 k 的内部r a m 显得有点紧张。 f 2 8 1 2d s p 把外部存储器划分为5 个区域，并且对于不同的内存区域需要配 置不同的区间寄存器，因此，对于不同的外部存储空间，首先应该把这些外部存 储器空间映射到不同的外部接口空间，同时设置相应的访问时间，以提高d s p 的指令执行效率。下面以本控制器的外部存储器扩展为例，介绍外设存储器的扩 展。 西北工业大学顶士学位论文 第三章舵机控制器硬件部分详细设计 图3 - 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的最小系统 外设扩展采用c y p r e s s 公司6 4 k 字的高速s r a m 芯片c y 7 c 1 0 2 1 1 2 ，主 要用于暂存位置信息、速度信息以及电流信息等：根据容量将其挂接到x i n t f z o n e 6 和z o n e 7 上，其中z o n e 6 和z o n e 7 共用一个片选信号，其容量为5 0 0 k 字， 如图3 2 所示。s r a m 的典型存取时间小y - 1 2 n s ，在软件中设置读取个外部数 西北下业大学硕士学位论文第三章舵机控制器硬件部分详细设计 据所用的数据大于1 2 n s ，这样就可必直接对该外挂r a m 进行读写而无需等待， 因此将d s p 的x r e a d y 引脚经一个电阻上拉至高电平。实践表明这样设置可以 正确地对外接s r a m 进行操作。 3 复位电路 利用阻容元件和按钮开关搭建系统的上电复位和手动复位电路，同时外加一 个硬件看门狗t p s 3 8 2 3 3 3 ，其输出端和阻容电路的复位输出端经过“与门” 接到d s p 的x r s 端。 4 a d 模块的硬件配置 a d c 的参考电压2 v 输出端( a d c r e f p ) 和1 v 输出端( a d c r e f m ) 与地之间 必须接一个低e s p 的容量约1 0 u f 的陶瓷电容，同时还需要将a d c 外部电流旁 路电阻引脚( a d c r e s e x t ) 经过一个阻值约为2 4 1 9 k 的电阻下拉到地，否则，a d 的内部参考源的精度将受到影响。 3 3 电源系统及接口电路设计 3 3 1 舵机系统电源的分配 舵机系统提供的电源有三路：动力电源有m + 2 3 5 v 、m + 1 5 、，以及制导计算 机提供的1 5 v a ；其中m + 2 8 5 v 和m + 1 5 v 共地。舵机控制器上的电源系统比 较复杂，各种独立的或非独立的电源有1 0 余种，主要分成三大类：功率部分电 源、模拟部分电源以及数字部分电源。其中功率部分电源包括主电路母线电压 m + 2 8 5 v ，主电路驱动芯片工作电压m + 1 5 v ，隔离运放工作电压m + 5 v ；模拟 部分电源包括模拟运放功放工作电压1 5 v a 、中问转接电平+ 5 v a ，d s p 中供a d 工作的模拟电源+ 3 3 、a ，模拟电流源的工作电源+ 1 2 3 v a ；数字部分电源包括 c p l d 的工作电源+ 5 v 、d s p 的外设工作电源+ 3 3 v 以及d s p 的内核工作电源 + 1 。9 v 等。 从上面可以看出，舵机控制器里的电源系统错综复杂，不但电源种类繁多， 而且强弱电并存；更重要的是舵机系统中的所有反馈信号都是模拟量，并且要求 达到较高的控制指标，同时模拟量与制导计算机共地，所有这些都要求电源系统 必需做得相当精致，否则整个舵机控制器可能无法正常工作，严重情况下还有可 能影响制导计算机工作；这方面曾有过惨痛的教i ) lj ，刚开始的时候，由于对电源 系统设计考虑得过于简单。当单个舵机运行时，系统还能勉强工作；但当有两个 舵机同时工作时，由于反馈信号以及控制驱动信号受到干扰，舵机出现了非周期 得颤抖现象，使整个控制器陷入瘫痪状态。 两北t 业大学硕士学位论文 第三章舵机控制器硬件部分详细设计 在系统的三大类电源电源中，对模拟电源精度的要求最高，可以说，模拟电 源设计的好坏直接关系到舵机控制系统研制的成败。在考虑抗干扰性的前提下， 给出电源的分配方案如下： 母线电压以及驱动芯片的供电电压直接使用外部给定的电源；模拟部分的电 源的取白1 5 v a ，然后进行相应的变换；关键是数字部分的电源的来源问题，本 控制器数字部分的电源将取自m + 1 5 v 。原因如下：由于数字部分电源与其他两 部分电源必须具有隔离功能，因此，可以确定的是，来自外部的功率电源或模拟 电源必须经过一个带隔离功能d c d c 模块作为数字部分电源系统的电源源。那 么究竟取自功率电源还是模拟电源呢? d c d c 里存在高频的脉冲信号，该信号 将会对输入端的电源产生一定的影响，若采用模拟信号作为d c d c 模块的输入 端，必然受到d c d c 内部高频脉冲的影响，这是所不希望的；因此，在保证模 拟信号干净性为目标的抗干扰设计理念下，将功率电源m + 1 5 v 作为d c d c 模 块的输入。控制系统电源的示意图如图3 - 3 所示。 m + 2 8 5 v _ 舵机母线电压 图3 - 3 舵机的电源系统示意图 3 3 2 舵机系统的上电顺序 f 2 8 1 2d s p 对各模块的上电顺序非常讲究，必须先等到外设模块的+ 3 3 v 的电 源稳定之后，才能给d s p 的内核上电：否则系统将无法正常工作。t i 公司的+ 5 v 转3 3 v 芯片t p s 7 5 7 3 3 以及3 3 v 转1 9 v 的芯片t p s 7 6 8 0 1 在硬件上为f 2 8 1 2d s p 的上电顺序提供了保障，因为t p $ 7 5 7 3 3 上电完成后，p g ( p o w e rg o o d ) 端将输出 低电平，表明+ 3 3 v 已经上电完毕；而芯片t p s 7 6 8 0 1 有一个使能端，仅当使能 端e n 为低电平时该芯片才能完成正常的转换工作。其电路连接如图3 - 4 所示。 两北工业人学硕士学位论文 第三章舵机控制器硬件部分详细设计 一争i n o u t p u t p 意打酾 图3 4d s p 上电顺序电路图 除了以上必须遵守的上电顺序外，为了提高系统的可靠性，一般情况下，先 给数字电源上电，再给模拟电源上电，最后才给主功率电路上电。如果先给主电 路上电，很可能给系统带了不可预料的结果。因为在数字信号和模拟信号上电以 前，m o s 管的栅极可以认为处于悬空状态，由于静电荷等的积累，有些管子可 能处于导通或微导通状态，此时若2 8 5 v 主电路电源已经加上，则对整个系统的 稳定性和可靠性将产生严重影q 目。模拟电源与数字电源的上电顺序推荐先给数字 电源上电，原因如下：因为d s