摘要：針對(duì)現(xiàn)代滾轉(zhuǎn)彈箭武器的發(fā)展趨勢，分析了傳統(tǒng)舵機(jī)的控制弊端，提出一種新型舵機(jī)控制思想—反旋穩(wěn)定舵機(jī)控制，選用無刷直流電機(jī)作為伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)了一套基于DSP的控制系統(tǒng)。文章選用數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320C6747）作為系統(tǒng)的主控芯片，采用三閉環(huán)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)控制原理及硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：TMS320C6747，電動(dòng)舵機(jī)，無刷直流電機(jī)，伺服控制

引言：

自從導(dǎo)彈武器系統(tǒng)出現(xiàn)后，伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)成為其中的不可或缺的重要組成部分。伴隨著科技的不斷發(fā)展，精確打擊技術(shù)已從航空航天領(lǐng)域、戰(zhàn)略打擊武器系統(tǒng)、防空反艦武器系統(tǒng)向身管發(fā)射武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和延伸。由于身管發(fā)射武器所具有的高過載、高轉(zhuǎn)速、小尺度、低成本等特殊要求，也為制導(dǎo)彈箭伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了近乎苛刻的要求。

傳統(tǒng)的火箭與導(dǎo)彈都是采用液壓舵機(jī)或者氣動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)特性好、輸出精度高、輸出功率大等特點(diǎn)，但同樣也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、體積重量大、價(jià)格昂貴、技術(shù)難度大等缺點(diǎn)。電動(dòng)舵機(jī)以其簡單可靠，能源單一，維護(hù)方便，成本低廉，易于控制等優(yōu)點(diǎn)得到人們的廣泛關(guān)注，并在滾轉(zhuǎn)彈箭上得到廣泛應(yīng)用。隨著稀土永磁無刷伺服電機(jī)技術(shù)、大功率驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)、先進(jìn)控制策略技術(shù)等的出現(xiàn)，電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展[2]。

常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)利用減速裝置，將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為舵翼繞舵軸的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)舵翼繞舵軸需要從正偏變?yōu)樨?fù)偏，電機(jī)將經(jīng)歷：高速正向轉(zhuǎn)動(dòng)→急減速→零轉(zhuǎn)速→高速反向轉(zhuǎn)動(dòng)→急減速的過程，不僅對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高，體積大，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜也是主要的弊端。為此本文提出一種新型舵機(jī)控制思路和方案，即：反旋穩(wěn)定舵機(jī)控制。

1.反旋穩(wěn)定舵機(jī)控制原理

反旋穩(wěn)定舵機(jī)是指全系統(tǒng)僅有一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)（相對(duì)于彈體的滾轉(zhuǎn)方向）的伺服執(zhí)行電機(jī)構(gòu)成，通過控制電機(jī)相對(duì)于彈體的速度，實(shí)現(xiàn)彈體姿態(tài)調(diào)整。常規(guī)舵機(jī)的舵翼與彈軸是固連在一起的，這里摒棄了復(fù)雜的齒輪或連桿結(jié)構(gòu)，將電機(jī)直接與穩(wěn)定平臺(tái)連接，通過反向旋轉(zhuǎn)抵消彈體繞彈軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得該穩(wěn)定平臺(tái)在慣性坐標(biāo)下保持沿彈體縱軸的穩(wěn)定；舵翼是安裝在該穩(wěn)定平臺(tái)上的，這樣與彈體實(shí)現(xiàn)了有效隔離，舵翼偏角維持不變。當(dāng)彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令后，利用彈體與穩(wěn)定平臺(tái)的速度差控制舵翼偏轉(zhuǎn)到指定相位，并維持穩(wěn)定，產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的控制力矩，使得彈體的姿態(tài)可控，達(dá)到伺服的目的。

圖1工作原理簡圖

2.控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

選用無刷直流電機(jī)（BLDCM）作為伺服執(zhí)行電機(jī)，主要考慮了BLDCM具有控制簡單、體積小，重量輕、效率高、運(yùn)行可靠、壽命長、保養(yǎng)維修方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。BLDCM的額定轉(zhuǎn)速8000RPM，不能與穩(wěn)定平臺(tái)直接相連，必須配合減速器使用。

彈載計(jì)算機(jī)通過串口，先將彈體的滾轉(zhuǎn)速度傳給DSP，與反饋速度值比較產(chǎn)生一定脈寬占空比的PWM信號(hào)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使穩(wěn)定平臺(tái)保持在慣性坐標(biāo)下沿彈體縱軸穩(wěn)定。當(dāng)需要調(diào)節(jié)彈體姿態(tài)的時(shí)候，彈載計(jì)算機(jī)通過串口再將舵翼位置信息傳送給主控單元，DSP接到控制指令后，調(diào)用控制算法控制舵翼發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在指定相位穩(wěn)定，總體框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)總體框圖

3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

反旋舵機(jī)控制系統(tǒng)由DSP主控電路、串口通信電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測電路、保護(hù)電路等組成。

圖3主要硬件設(shè)計(jì)原理圖

3.1：主控電路

主控芯片選用美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320C6747，它是一款新型32位浮點(diǎn)DSP芯片，主頻300MHz，片內(nèi)集成eHRPWM、eCAP、eQEP模塊，配合編碼器使用，以最少的外圍電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，非常適用于工業(yè)控制領(lǐng)域[1]。

C6747主要的工作量有：雙閉環(huán)控制算法，實(shí)現(xiàn)速度的控制、三閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)相位的控制、故障保護(hù)。C6747接收到彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令后，通過與反饋信號(hào)值比較，經(jīng)過控制器算法處理后，輸出占空比可調(diào)的PWM波，通過控制功率管的導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)。C6747片上沒有A/D模塊，通過外加ADC,采集主電路的電流、電壓，在發(fā)生過壓、過流時(shí)，能夠及時(shí)的通過軟件關(guān)閉PWM波輸出，保護(hù)功率管與電機(jī)。

3.2：轉(zhuǎn)子位置檢測及換向?qū)崿F(xiàn)

為了得到恒定轉(zhuǎn)矩，需要對(duì)電機(jī)換向。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測是通過安裝在定子上的三個(gè)霍爾傳感器完成的。每個(gè)傳感器輸出脈寬180°電角度信號(hào)，三個(gè)霍爾傳感器輸出互差120°相位，在一個(gè)電周期內(nèi)產(chǎn)生六個(gè)上升、下降沿，通過DSP的eCAP進(jìn)行捕獲得到六個(gè)換向時(shí)刻。

只知道換向時(shí)刻還是不夠的，還應(yīng)該查詢該換哪一相，通過DSP管腳復(fù)用寄存器將eCAP捕獲功能配置為I/O功能，讀取三路霍爾信號(hào)的電平狀態(tài)，再與換向時(shí)序匹配，實(shí)現(xiàn)換向功能。

3.3：隔離功率驅(qū)動(dòng)電路

隔離電路將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行有效地隔離，達(dá)到保護(hù)主控電路的目的。驅(qū)動(dòng)電路選用大功率MOSFET和IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110作為前置驅(qū)動(dòng)，它內(nèi)置死區(qū)電路，有過流、欠壓保護(hù)功能，再加上自舉技術(shù)的運(yùn)用，簡化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

逆變橋選用美國fairchild公司IGBT功率管搭建,為三相全控橋。系統(tǒng)設(shè)計(jì)自帶硬件保護(hù)功能，發(fā)生過壓、過流、上下橋臂短路時(shí)自動(dòng)關(guān)閉IR2110輸出，配合軟件保護(hù)使用，提高了系統(tǒng)工作性能。

從TMS320C6747輸出的PWM信號(hào)先通過隔離電路，輸出到IR2110，將電壓提升到15V，從而可以開啟IGBT管。PWM信號(hào)具有一定占空比，調(diào)節(jié)占空比可以改變加到電機(jī)上的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。

3.4.信號(hào)檢測電路

信號(hào)檢測電路主要完成電流、速度、偏角三閉環(huán)反饋的檢測，以及過壓檢測、舵翼偏轉(zhuǎn)相位檢測。

3.4.1電流檢測

系統(tǒng)外擴(kuò)AD數(shù)據(jù)采集芯片ADS7947。ADS7947是一個(gè)雙通道12位ADC,高執(zhí)行，低功耗單通道工作時(shí)最大2MSPS的采樣速率，QFN封裝只有3mm*3mm。電流采樣是通過直流母線上的取樣電阻R實(shí)現(xiàn)的，如圖3，采樣電壓經(jīng)放大電路放大、隔離、濾波后輸送給ADS7947，采樣頻率設(shè)置為PWM頻率。

電流采樣的關(guān)鍵在于采樣時(shí)刻的選取。直流無刷電機(jī)采用全橋雙極性驅(qū)動(dòng)，每一次只有不同相的上下橋臂兩只功率管同時(shí)導(dǎo)通，開關(guān)管在PWM周期“開”瞬間，電流上升，不穩(wěn)定，不宜采集，最佳時(shí)刻選取在PWM周期“開”中間時(shí)刻，如圖所示，Q1、Q4功率管控制波形與采樣時(shí)刻選取。

圖6電流采集時(shí)刻選取

3.4.2相位檢測

舵機(jī)舵翼偏轉(zhuǎn)相位的測量通過光電編碼器配合DSP的eQEP模塊完成，編碼器輸出A、B兩相互差90°電度角的脈沖信號(hào)，可以方便的判別出旋轉(zhuǎn)方向。由前面介紹知道，以往的舵機(jī)控制系統(tǒng)為了達(dá)到相位控制的目的，執(zhí)行電機(jī)將反復(fù)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，需要隨時(shí)的判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，而本系統(tǒng)中的無刷直流電機(jī)只向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，不僅對(duì)電機(jī)要求變低了，而且降低了算法難度。同時(shí)還有用作參考零位的Z相脈沖信號(hào)，碼盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，只產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用來消除積累誤差。利用編碼器可以方便的測出舵翼的偏轉(zhuǎn)角度與滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)彈體的相對(duì)速度，并且測量精度高。

4.結(jié)論

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主控單元使用TMS320C6747，所有的軟件實(shí)現(xiàn)都集中在了這款高性能DSP上，不僅僅要完成三閉環(huán)控制算法，還要進(jìn)行與上位機(jī)的通信、轉(zhuǎn)子換向、A/D濾波、故障檢測等等，任務(wù)非常重，如果在主控單元中引入可編程邏輯器件，輔助DSP完成相應(yīng)的工作量，控制系統(tǒng)將會(huì)更加的完善。

本文提出的設(shè)計(jì)思想，國內(nèi)領(lǐng)先，能夠達(dá)到降低成本、減輕重量、提高性能的目的，研究成果對(duì)于滾轉(zhuǎn)彈箭的制導(dǎo)控制將產(chǎn)生革命性的改變。

參考文獻(xiàn)：

1.TexasInstrumentsInc.TMS320C6745/C6747DSPSystemReferenceGuide.March,2010

2.林忠萬,符強(qiáng),李玉忍.基于DSP的導(dǎo)彈舵機(jī)控制系統(tǒng)研究.航天控制,2004

3.TexasInstrumentsInc.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設(shè).北京，清華大學(xué)出版社，2007