机载导弹一控四电动舵机控制器研究与设计

摘要：电动舵机作为导弹飞行的执行机构，其体积重量的减少有利于导弹性能的提升。为了减小体积重量和节约成本，电动舵机采用三相无刷直流电机+滚珠丝杠直连式结构，采用一个控制器来控制四路舵机。介绍了控制器的硬件结构方案和控制策略，控制器以DSP+CPLD为核心架构，采用位置、速度双闭环PI控制，实现单一控制器同时控制四套电动舵机相互独立工作。实验结果表明，控制器可以正常工作，舵机带宽可达到25Hz。

舵机系统是导弹控制系统的执行机构，在导弹飞行过程中舵机控制器接收弹载计算机的舵偏角信号，控制电机旋转，从而驱动舵面偏转，产生弹体所需要的控制力矩控制弹体飞行。随着导弹性能要求不断提升，人们对于电动舵机系统的整体要求向着体积不断减小，承载能力不断增强，控制性能不断提高的方向发展。稀土永磁材料和新型大功率电子器件使电动舵机的小型化成为可能。本文舵机系统采用三相无刷直流电机+滚珠丝杠直连式结构。为了减小舵机的体积和重量，舵机系统采用一个舵机控制器控制四套舵机。控制器以DSP+CPLD为核心架构，DSP作为主控CPU，CPLD用于做接口处理，采用位置环和速度环进行双闭环控制。

1 舵机控制器硬件设计

舵机控制器硬件结构如图1所示。舵机控制器以DSP为核心控制器，用CPLD做逻辑处理，DSP和CPLD之间通过数据线、地址线和控制线相连。外部电路包括电源转换电路，电位计的AD采集电路，串口和CAN总线接口电路，霍尔信号和编码器信号接口电路，隔离驱动电路，三相桥式功率主电路。

舵机控制器分为功率电路、数字电路、模拟电路3部分。图1中虚框1为数字电路部分，虚框2中为模拟电路部分，虚框3中为功率电路部分。舵机控制器的功率地和弹上热电池的地是共在一起的，通过两个隔离的DC—DC模块分别将数字地和模拟地与功率地进行隔离，数字地和模拟地通过磁珠单点连接在一起。

电源转换电路将弹上热电池的28 V电压转换成舵机控制器上数字电路部分所需的+5 V、+3.3 V和+1.9 V，模拟电路部分所需的±15 V，功率电路部分所需的+5 V和+15 V。

DSP为整个控制系统的核心，完成电位器AD采样的控制，系统保护、控制算法的实现和通信等任务。TMS320F28335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、可靠性得到提高。由于整个系统多达4个舵机，有 12路霍尔信号和12路编码器脉冲信号，因此外加逻辑器件来实现逻辑仲裁和脉冲信号的采样，CPLD型号为Altera公司的EPM1270，CPLD主要完成速度环的采样和PWM控制信号的生成。编码器输出信号为差分信号，通过TI公司的芯片SN65175D转换为单端信号，再通过电平转换芯片 SN74LVC4245与CPLD相连，在CPLD内完成对编码器输出脉冲个数的计数，通过数据线、地址线和控制线与DSP进行通信，完成系统对电机速度信号的采集。三路霍尔信号与DSP输出的PWM信号以及方向信号在CPLD内进行逻辑组合，得到驱动舵机电机所需的六路驱动信号。

舵机系统采用电位器检测位置信号，与舵机输出轴相连的电位器由电压基准芯片MAX6176提供+10V的压基准，电位器输出抽头部分的电压经由运算放大器 INA128构成的射极跟随器后通过AD转换与DSP相连。DSP自带的12位的AD无法满足系统位置分辨率小于0.001°的要求，所以外扩一个16位的AD转换器，型号为AD公司的AD7606。

主电路与控制电路之间通过磁耦进行隔离，隔离芯片型号为ADUM1401，驱动芯片采用IR公司的IR2136，它由单电源供电，工作频率可达十万赫兹以上，具有强大的欠压和过流保护功能。

舵机控制器的通信接口包括CAN总线接口和隔离式RS-422串口。CAN总线接口用于调试使用，驱动芯片选择TI公司的SN65HVD230。隔离式 RS-422串口用于与弹上其他设备进行通信，驱动芯片选择AD公司的ADM2582。为了能够在线配置系统参数。利用DSP的SPI接口外扩了 EEPROM芯片。

通过以上设计，控制器可实现舵机的自动控制与对外通信等功能。

2 舵机控制器软件设计

舵机控制器能够实现位置外环和速度内环双闭环控制，舵机的控制系统框图如图2所示。

舵机控制器软件包括DSP部分的程序和CPLD部分的程序。控制主程序在DSP完成，CPLD完成编码器脉冲的计数和PWM控制波的生成。DSP内程序主要完成以下工作：

1)通过RS-422总线接收并解码弹载计算机发出的控制指令，并发送舵偏角反馈指令给弹载计算机;

2)对位置、速度传感器数据的采集与处理;

3)控制律计算;

4)生成PWM波。

根据、DSP内程序的主要功能，DSP内程序由以下几部分组成：

1)初始化模块;

2)数据采集与处理模块;

3)控制律计算模块;

4)PWM波生成模块;

5)串口通信模块。

舵机控制器的软件流程图如图3所示。

3 实验结果

根据导弹技术指标要求，电动舵机技术指标如表1所示。

舵机系统采用三相无刷直流电机+滚珠丝杠直连式结构，减速比为143。舵机跟踪20°阶跃信号结果如图4所示，超调量小于5%。舵机跟踪1°25 Hz正弦信号结果如图5所示，跟踪幅值衰减到0.8°，大于0.707°，延迟时间为8 ms，小于12 ms。图4和图5中虚线为位置指令，实线为舵机实际跟踪曲线。

4 结论

实验结果表明，电动舵机系统的性能指标达到技术指标要求，本文所设计的以DSP+FPGA为核心的一控四舵机控制器设计合理，工作可靠，减小了舵机系统的体积和重量，可以应用于导弹舵机系统当中。