一種基于D S P的機(jī)電作動(dòng)器的設(shè)計(jì)

供稿|孫信星 / SUN Xin-xing

飛行器中常用的作動(dòng)系統(tǒng)有液壓作動(dòng)系統(tǒng)、電靜液作動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)[1]。機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)，即機(jī)電作動(dòng)器(Electromechanical Actuator, EMA)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。機(jī)電作動(dòng)器的工作原理是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)減速器和絲杠螺母副轉(zhuǎn)化為承載部件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。目前，機(jī)電作動(dòng)器中越來(lái)越多地使用無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源。與普通直流電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)具有壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、控制方便簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在需要高可靠性和高效率的場(chǎng)合中受到人們的青睞。數(shù)字信號(hào)處理器( DSP)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，大大簡(jiǎn)化了電動(dòng)伺服系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大，其時(shí)鐘頻率可達(dá)40 MHz，具有兩個(gè)事件管理器和多達(dá)14路的PWM信號(hào)輸出，仿真調(diào)試方便[3]。本文應(yīng)用TMS320LF2407A設(shè)計(jì)了一套全數(shù)字電動(dòng)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電作動(dòng)器的三閉環(huán)控制，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

機(jī)電作動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)電作動(dòng)器主要由無(wú)刷直流電機(jī)、齒輪減速器、絲杠螺母副以及承載部件等組成，如圖1所示。絲杠螺母副采取絲杠旋轉(zhuǎn)、螺母直線運(yùn)動(dòng)的正傳動(dòng)方式[4]。電機(jī)通過(guò)減速器將動(dòng)力傳遞給絲杠，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺母帶動(dòng)與之固連的承載部件一起作直線運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)由DSP控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)和位置檢測(cè)構(gòu)成，機(jī)電作動(dòng)器的三閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 機(jī)電作動(dòng)器結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)電作動(dòng)器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的工作原理是：上位機(jī)通過(guò)串口給定機(jī)電作動(dòng)器的位置指令，DSP控制器根據(jù)位置指令以及位置檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)得到的反饋信號(hào)形成控制信號(hào)，并通過(guò)PWM輸出給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)電作動(dòng)器運(yùn)轉(zhuǎn)。在控制器內(nèi)部，由位置指令和位置反饋形成位置誤差，通過(guò)位置調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速指令，轉(zhuǎn)速指令和轉(zhuǎn)速反饋形成轉(zhuǎn)速誤差，通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電流指令，電流指令和電流反饋形成電流誤差，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)節(jié)PWM輸出的占空比，形成系統(tǒng)的三閉環(huán)控制。

硬件設(shè)計(jì)

◆ RS422串口通信

上位機(jī)與DSP控制器之間通過(guò)RS422串口通信實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)和反饋上傳。通信模塊采用AD公司的ADM2582E芯片，該芯片具有隔離功能，最高隔離電壓15KV，數(shù)據(jù)速率可達(dá)16Mbps，并帶隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，兼容5 V和3.3 V邏輯電平，可以直接與TMS320LF2407A的SCI端口相連。

◆ PWM輸出電路

TMS320LF2407A內(nèi)部具有功能強(qiáng)大的PWM生成模塊，使用時(shí)只需進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置便可輸出PWM波。為了減小高頻信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾，采用TI公司的隔離芯片ISO7240對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行隔離，該芯片可以隔離峰值4 kV的電壓，傳輸速率達(dá)25 Mbps。

◆ 驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路采用智能驅(qū)動(dòng)模塊。該驅(qū)動(dòng)模塊的控制輸入只有一路PWM信號(hào)和方向控制信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部電路將PWM信號(hào)分為六路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和正反向控制。驅(qū)動(dòng)器模塊具有體積小、功率大、抗干擾性好、轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、使用方便等特點(diǎn)，可以使控制電路的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，并能降低成本、提高系統(tǒng)可靠性。

◆ 位置、轉(zhuǎn)速和電流信號(hào)采集

反饋信號(hào)是形成閉環(huán)控制的關(guān)鍵，其檢測(cè)精度直接影響系統(tǒng)的控制精度。本系統(tǒng)的位置傳感器采用電阻式線位移傳感器，將承載部件的直線位移轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)由TMS320LF2407A的AD端口進(jìn)行采集。轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集是通過(guò)電機(jī)上的霍爾信號(hào)間接得到。TMS320LF2407A具有6路捕獲單元，可方便地對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行采集。對(duì)于兩對(duì)磁極的無(wú)刷直流電機(jī)，其霍爾信號(hào)的上升沿間隔固定為180o機(jī)械角度，只要測(cè)得兩次上升沿的時(shí)間差，便能通過(guò)計(jì)算得到兩次時(shí)間間隔內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。電流信號(hào)通過(guò)電流傳感器得到，所用的采集芯片為ACS758，該芯片是一款采用霍爾原理的電流傳感器，內(nèi)部采用了光耦隔離，有效的防止了干擾。電流傳感器的輸出為電壓信號(hào)，通過(guò)合適的轉(zhuǎn)換電路可以由TMS320LF2407A的AD端口進(jìn)行采集，并由內(nèi)部計(jì)算轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的三閉環(huán)控制中，電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，都采用PI調(diào)節(jié)器以提高響應(yīng)速度，位置環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，并使系統(tǒng)具有較好的魯棒性。電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，使電流盡快地跟蹤電流指令的變化，加快系統(tǒng)的響應(yīng)，并在電機(jī)電流過(guò)大時(shí)，限制電流的幅值，起到保護(hù)作用[5]。轉(zhuǎn)速環(huán)的作用是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行規(guī)劃，使電機(jī)保持較大的恒定轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步提高響應(yīng)速度。位置環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，使系統(tǒng)在保持較快響應(yīng)速度和較高穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，對(duì)參數(shù)變化和外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。

主程序中，首先進(jìn)行軟件的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置、通用I/O口的選擇和各功能模塊的初始化。軟件初始化后再給控制系統(tǒng)發(fā)出初始化指令，使機(jī)電作動(dòng)器的位置歸零。接著啟動(dòng)SCI中斷和AD中斷。SCI中斷在上位機(jī)傳輸指令時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)后執(zhí)行中斷程序讀取指令內(nèi)容并上傳反饋數(shù)據(jù)。AD采集通過(guò)定時(shí)器設(shè)定采樣頻率，在每一次的中斷中，系統(tǒng)讀取所需的采樣數(shù)據(jù)，包括位置指令、位置反饋、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋，然后進(jìn)行相應(yīng)的算法計(jì)算，并通過(guò)PWM輸出控制量。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)情況如圖4所示。

階躍特性是控制系統(tǒng)輸入最為劇烈的情況，如果階躍特性良好，則說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)超調(diào)量不超過(guò)10%，上升時(shí)間約為55 ms，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間不超過(guò)100 ms，達(dá)到了較為滿意的結(jié)果。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖

[1] 薛龍獻(xiàn), 黃佑, 胡林, 等．飛行器作動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能源對(duì)比分析．機(jī)床與液壓, 2008, 36(10): 176-178.

[2] 汪軍林, 解付強(qiáng), 劉玉浩．導(dǎo)彈電動(dòng)舵機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)．制導(dǎo)與控制, 2008(3): 42-46.

[3] 夏長(zhǎng)亮．無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)．北京: 科學(xué)出版社, 2009.

[4] 沈引中．大功率電動(dòng)舵機(jī)設(shè)計(jì)研究[學(xué)位論文]．南京：南京航空航天大學(xué), 2012.

[5] 梁磊．基于DSP的電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)的研究[學(xué)位論文]．北京：北京理工大學(xué), 2009.