全數(shù)字無刷直流電動機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 墨，胡昌華，張 偉，方世鵬

(第二炮兵工程大學(xué)，西安710025)

0 引 言

作為導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服機(jī)構(gòu)接收彈上姿態(tài)控制系統(tǒng)給出的控制指令，調(diào)整發(fā)動機(jī)噴管的擺角，以改變發(fā)動機(jī)的推力矢量，從而使導(dǎo)彈改變飛行姿態(tài)或克服干擾，按預(yù)定彈道穩(wěn)定飛行。根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)中信號和能量傳遞介質(zhì)的不同形式，可將導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)劃分為電液伺服機(jī)構(gòu)、燃?xì)馑欧C(jī)構(gòu)和電動伺服機(jī)構(gòu)［1］。現(xiàn)役導(dǎo)彈多采用電液伺服機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電液伺服機(jī)構(gòu)采用液壓油作為能源，雖然具有動態(tài)特性好、輸出精度高、輸出功率大等特點(diǎn)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、體積重量大、價格昂貴、技術(shù)難度大、難維護(hù)，以及清潔度、氣密性要求高等缺點(diǎn)。而電動伺服機(jī)構(gòu)相比于其它兩者，具有更加理想的運(yùn)動方式，省去了油箱、油泵、蓄能器及各種閥、過濾器、傳感器等系統(tǒng)構(gòu)件，大大簡化了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。同時，該機(jī)構(gòu)具有控制精度高、可靠性較高、儲存性能好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故研究并設(shè)計(jì)電動伺服機(jī)構(gòu)對于國防和軍事的建設(shè)發(fā)展具有重要意義。因無刷直流電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、效率高、控制簡單以及較好機(jī)械特性等優(yōu)點(diǎn)［2］，結(jié)合某型號導(dǎo)彈的電源配電系統(tǒng)工作實(shí)際以及伺服機(jī)構(gòu)的使用工況和技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)的電動伺服機(jī)構(gòu)選取額定電壓為28V(DC)的無刷直流電動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。

1 機(jī)構(gòu)組成及控制原理

該電動伺服機(jī)構(gòu)由伺服電動機(jī)、伺服電動機(jī)驅(qū)動器、制動電阻、減速器、位置反饋裝置(編碼器)、極限位置限位裝置、伺服作動器、伺服裝置本體、氣壓平衡裝置及傳動裝置組成，其中電動伺服機(jī)構(gòu)及傳動裝置主要包括減速器、齒輪副、滾珠絲杠副、軸承組、推桿、缸筒等。該機(jī)構(gòu)將無刷直流電動機(jī)與行星滾珠絲杠設(shè)計(jì)成整體，通過4 個齒輪副與滾珠絲杠副機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換力矩，轉(zhuǎn)變運(yùn)動方式，即將無刷直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成行星滾珠絲杠的直線運(yùn)動。絲杠通過伸縮帶動推桿運(yùn)動控制噴管擺角，改變導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動的控制。

這種設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)很多，在電動伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動全過程中能夠通過失電制動器實(shí)現(xiàn)鎖定功能;能夠?qū)崟r反饋伸出行程，運(yùn)行中間位置停止，重新啟動后反饋當(dāng)前的絕對位置;當(dāng)指令行程超出極限位置時，能夠提供可供I/O 端口接收的故障反饋信號，及時給出控制動作，以及過壓保護(hù)、極限限位、報警等功能，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，節(jié)約了使用成本。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該電動伺服系統(tǒng)主要由DSP 主控電路、功率驅(qū)動電路、主電路、信號檢測電路組成，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

位置信號由上位機(jī)給出，速度信號由位置信號經(jīng)計(jì)算得出，主控芯片選用 TI 公司生產(chǎn)的TMS320F2812。它是一款新型32 位定點(diǎn)DSP 芯片，其片內(nèi)帶Flash 存儲器，工作頻率達(dá)到150 MHz，集成了多種外設(shè)，非常適用于電機(jī)控制領(lǐng)域［3－4］。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全數(shù)字三閉環(huán)控制方式，控制框如圖2 所示。上位機(jī)通過1553B 總線給出位置信號，位置傳感器檢測伺服機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，經(jīng)過微分計(jì)算得到速度信號，經(jīng)過DSP 算法處理，產(chǎn)生一定脈寬占空比的PWM 波驅(qū)動控制電機(jī)，然后通過減速器與行星絲杠副的作用使推桿作直線運(yùn)動驅(qū)動負(fù)載。圖2 為機(jī)構(gòu)控制原理圖。

圖2 機(jī)構(gòu)控制原理圖

3 系統(tǒng)模型的建立

3.1 無刷直流電動機(jī)

根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的使用工況及實(shí)際技術(shù)要求，選用額定電壓為28 V，額定功率為2 000 W，工作時間為5 min 的兩級三相無刷直流電動機(jī)。忽略齒槽效應(yīng)、磁路飽和，得相電壓方程［5］:

式中:R 為相繞組;i 為相電流;L 為繞組自感;M 為繞組互感;eI為相反電勢。

電機(jī)的運(yùn)動方程:

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;ω 為電機(jī)機(jī)械角速度;Bv為粘滯摩擦因數(shù)。

對式(1)、式(2)進(jìn)行拉氏變換，得:

忽略te的影響，則式(4)可簡化為一階模型:

傳遞函數(shù)框圖如圖3 所示。

圖3 傳遞函數(shù)框圖

3.2 控制模塊

該部分為整個系統(tǒng)的核心，由三閉環(huán)構(gòu)成。電流環(huán)響應(yīng)時間短，采用PI 控制算法，防止溢出。速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，采用改進(jìn)型的PI 控制算法，提高其抗干擾能力。位置環(huán)是外環(huán)，其決定系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，設(shè)計(jì)采用CMAC(小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))與PID 復(fù)合控制的控制算法［6－7］。伺服系統(tǒng)通過前饋控制在線整定kp，ki，kd的值，改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能，以達(dá)到最大限度滿足伺服機(jī)構(gòu)在不同工況條件下高質(zhì)量的運(yùn)動控制效果。

3.3 驅(qū)動、換向模塊

驅(qū)動功率模塊以IGBT 為電力電子器件，采用全橋兩兩導(dǎo)通方式。電機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵是定子繞組的換相，定子繞組的換相及導(dǎo)通時間通過位置反饋裝置控制［8］。該機(jī)構(gòu)位置反饋裝置采用分辨率為0.001 mm 的光電式多圈絕對值編碼器。該編碼器通過測量絲桿的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，反饋電動伺服機(jī)構(gòu)推桿行程，采用絕對值編碼器可在斷電后保存電動伺服機(jī)構(gòu)的絕對行程。

4 系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示。核心處理器為DSPTMS320F2812，外圍電路有限位開關(guān)電路、過熱保護(hù)輸出電路、失電制動器鎖定電路、極限限位電路，故障報警電路、電源電路。導(dǎo)彈在飛行過程中發(fā)生俯仰、偏航、滾動運(yùn)動時，姿態(tài)控制系統(tǒng)給出控制信號，伺服機(jī)構(gòu)通過彈上1553B 總線接收這些控制信號，將這些控制信號經(jīng)過DSP 算法以及軟件的調(diào)試獲得控制量，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，再通過減速傳動裝置帶動絲杠運(yùn)動，絲杠通過推桿作用于噴管上實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動的控制。

圖4 硬件原理框圖

軟件程序流程如5 圖所示。

圖5 軟件程序流程

5 系統(tǒng)仿真

被控對象為無刷直流電動伺服機(jī)構(gòu)，考慮負(fù)載為一階慣性環(huán)節(jié)，電機(jī)選用三相六狀態(tài)120°導(dǎo)通方式，定子相電樞繞組R =0.905 Ω，定子相電樞電感L=0.28 ×10－3H，轉(zhuǎn)動慣量J =0.25 ×10－3kg·m2，極對數(shù)p =2，粘滯摩擦因數(shù)Bv=1.35 ×10－4N·m·s，電機(jī)供電電壓為28 DCV，系統(tǒng)采樣頻率為20 kHz。無刷直流電動機(jī)模塊采用Simulink 庫中的Permanent Magnet Synchronous Machine 模塊，設(shè)置參數(shù)時，將反電勢波形選擇為梯形波，得到無刷直流電動機(jī)模型;IGBT 模塊使用Universal Bridage 模塊，將電力電子功率器件設(shè)置為IGBT。在MATLAB/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行仿真［7］。

初始時，系統(tǒng)空載起動，給定初始轉(zhuǎn)速為2 500 r/min;在1 s 內(nèi)，行星滾珠絲杠副行程給定為0，系統(tǒng)只有電流環(huán)和速度環(huán)參與控制，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在t=1 s 時給定行程為4 mm，此時位置環(huán)參與控制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)控制;進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，在t =1.2 s 時突然加入3 N·m 的負(fù)載，此時轉(zhuǎn)速突然減小，等到系統(tǒng)再次穩(wěn)定;在t=2 s 時重新給定行程為19 mm，轉(zhuǎn)速迅速增長而后穩(wěn)定。系統(tǒng)的仿真曲線如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)仿真曲線

從仿真曲線可以看出，初始時，給定行程為0，位置環(huán)不參與控制，系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)，靜態(tài)誤差小;在t=1 s 前系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，待系統(tǒng)接收到推桿行程指令，在該行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間只有25 ms，無超調(diào)，實(shí)時性較好，穩(wěn)態(tài)誤差小于1 mm;t=1.2 s 時系統(tǒng)加入負(fù)載，轉(zhuǎn)速很快達(dá)到給定值，系統(tǒng)經(jīng)30 ms 后重新穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

本文分析了現(xiàn)役導(dǎo)彈伺服機(jī)構(gòu)存在的不足，結(jié)合彈上伺服機(jī)構(gòu)使用工況和技術(shù)指標(biāo)要求，提出了一種新的電動伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，分析了其組成、原理，并進(jìn)行了軟硬件的原理設(shè)計(jì)，在MATLAB/Simulink 環(huán)境下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。仿真結(jié)果表明，選用的控制算法能夠滿足系統(tǒng)的預(yù)設(shè)指標(biāo)，對后續(xù)電動伺服機(jī)構(gòu)工程的整體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用具有較大的理論指導(dǎo)意義。

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