方向舵調(diào)整片操縱裝置研究

董峰 張宗鮮 陳映文

摘要：本文主要介紹了某型飛機(jī)的方向舵調(diào)整片操縱裝置的研究成果，首先通過(guò)數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，然后采用經(jīng)典的尸舊算法實(shí)現(xiàn)位置、速度雙閉環(huán)的控制方式，從而達(dá)到用戶(hù)要求的功能要求和性能要求。在本文中以多種形式詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)說(shuō)明對(duì)技術(shù)指標(biāo)的滿(mǎn)足性。

關(guān)鍵詞：方向舵調(diào)整片操縱裝置;位置閉環(huán);速度閉環(huán);PID

中圖分類(lèi)號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

結(jié)合某型飛機(jī)對(duì)飛行控制系統(tǒng)中方向舵調(diào)整片操縱裝置的改進(jìn)，提升方向舵調(diào)整片操縱裝置的控制可靠性、步長(zhǎng)控制精度、電磁兼容性等能力，實(shí)現(xiàn)了方向舵調(diào)整片操縱裝置在步進(jìn)式工作方式中對(duì)速度和位移量的精準(zhǔn)控制。

1 概述

方向舵一般安裝在垂直尾翼的后部，當(dāng)需要控制飛機(jī)的航向時(shí)，飛行員就可以通過(guò)腳蹬操縱垂直尾翼中的方向舵達(dá)到偏航目的。

方向舵調(diào)整片操縱裝置屬于某型飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的方向舵操縱系統(tǒng)，是方向舵操縱系統(tǒng)的配套產(chǎn)品。主要包括控制盒和電動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分，如圖1所示。

方向舵調(diào)整片操縱裝置主要實(shí)現(xiàn)的功能為：控制調(diào)整片電動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，使方向舵調(diào)整片偏轉(zhuǎn)，卸掉或減小駕駛員的腳蹬力;向飛行控制系統(tǒng)提供方向舵調(diào)整片位置信號(hào);向飛行控制系統(tǒng)提供方向舵調(diào)整片中立位置指示信號(hào)。

2 系統(tǒng)分析過(guò)程

方向舵調(diào)整片操縱裝置是一個(gè)行程、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使電動(dòng)機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的作動(dòng)方式（步進(jìn)式）和作動(dòng)速度作動(dòng)至相應(yīng)位置，達(dá)到行程閉環(huán)控制目的，同時(shí)向飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組警告系統(tǒng)（EICAS）提供電動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程位置信號(hào)，以便指示電動(dòng)機(jī)構(gòu)的當(dāng)前行程位置。當(dāng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)在中立位置亮區(qū)時(shí)，燃亮中立位置信號(hào)燈。

首先對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，控制模型由式（1）引出：

s=vt，t≤a;當(dāng)t=a時(shí)，s=s₁（1）式中：s為電動(dòng)機(jī)構(gòu)行程;v為電動(dòng)機(jī)構(gòu)作動(dòng)速度;t為作動(dòng)指令持續(xù)時(shí)間，a為最大脈動(dòng)步長(zhǎng)s₁作動(dòng)所需要的時(shí)間。

對(duì)于式（1）中祍s、v、t、a4個(gè)控制變量，在通過(guò)采集輸入作動(dòng)指令來(lái)精確控制變量t和a以外，還通過(guò)對(duì)無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制（速度環(huán)），精確控制變量v，使無(wú)刷電機(jī)工作在速度閉環(huán)狀態(tài)，提高電動(dòng)機(jī)構(gòu)工作速度準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，從而使變量s得到較好的結(jié)果。與此同時(shí)，在速度閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加外環(huán)控制，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)構(gòu)行程進(jìn)行直接閉環(huán)控制（行程環(huán)），最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出變量：，即電動(dòng)機(jī)構(gòu)行程的精確控制。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程

根據(jù)模型分析結(jié)果確立系統(tǒng)的控制策略和控制對(duì)象。

飛機(jī)發(fā)送伸出/收回工作指令給控制盒。控制盒中將工作指令從離散量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）可處理的數(shù)字信號(hào)。DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，DSP按要求（行程和速度）給出電機(jī)控制信號(hào)，控制電機(jī)動(dòng)作，輸出軸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)伸出、收回從而來(lái)控制方向舵調(diào)整片的偏轉(zhuǎn)角度。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)構(gòu)給出位置反饋信號(hào)至控制盒，經(jīng)控制盒綜合處理后，再傳送至飛機(jī)EICAS系統(tǒng)，完成整個(gè)控制過(guò)程。此外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)作動(dòng)至中立位置時(shí)，燃亮中立位置信號(hào)燈。

3.1 控制策略

3.1.1 行程環(huán)

位移傳感器的反饋信息被應(yīng)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行行程閉環(huán)控制?？刂坪型ㄟ^(guò)對(duì)行程差進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，當(dāng)行程差值達(dá)到要求最大步長(zhǎng)時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，精確控制電動(dòng)機(jī)構(gòu)最大步長(zhǎng)。行程閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖如圖2所示。

3.1.2 速度環(huán)

當(dāng)接收到作動(dòng)指示時(shí)，控制盒根據(jù)作動(dòng)指令控制電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)通過(guò)霍爾傳感器對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)其進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，達(dá)到電機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)精確控制[1]，保證電機(jī)運(yùn)行速度準(zhǔn)確、平穩(wěn)，從而使電動(dòng)機(jī)構(gòu)以一致的運(yùn)行速度進(jìn)行作動(dòng)。當(dāng)作動(dòng)指令取消，電機(jī)也能夠以一致的轉(zhuǎn)速進(jìn)行制動(dòng)，從而保證停止的精準(zhǔn)度。根據(jù)方向舵調(diào)整片操縱裝置輸出速率的要求和電動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比進(jìn)行計(jì)算，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的要求值為5800r/min，速度閉環(huán)調(diào)節(jié)框圖如圖3所示。

3.2 電動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，其內(nèi)部包含了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）、減速器、輸出軸組件、霍爾傳感器和極限開(kāi)關(guān)等[2]。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用于動(dòng)力輸出，減速器和輸出軸組件用于動(dòng)力傳輸，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作方式轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線(xiàn)位移工作方式?；魻杺鞲衅饔糜陔姍C(jī)換向和轉(zhuǎn)速采樣、位移傳感器用于位置信息的反饋，極限開(kāi)關(guān)用于行程限位。電動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成及功能圖如4所示。

3.3 控制盒

控制盒以TI公司DSP芯片TMS320 F2812為控制核心，采用C語(yǔ)言作為程序控制語(yǔ)言，控制盒通過(guò)DSP控制，采集電機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)構(gòu)的位移反饋量，閉環(huán)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)構(gòu)工作。

硬件電路設(shè)計(jì)充分考慮電源特性設(shè)計(jì)和電磁兼容特性設(shè)計(jì)，由控制、驅(qū)動(dòng)、電源等部件組成?？刂平M件由DSP最小系統(tǒng)、數(shù)模（AD）轉(zhuǎn)換電路、EICAS信號(hào)電壓輸出電路、中立位置指示電路等組成;驅(qū)動(dòng)組件由離散/開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路、光耦隔離電路、無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成;電源組件由電源輸入處理電路、二次電源電路等組成。

控制盒通過(guò)DSP芯片TMS320F2812的磁帶訪(fǎng)問(wèn)端口（CAP）捕獲無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上霍爾元件的高速脈沖號(hào)頻率，檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)轉(zhuǎn)速大小改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)輸出值，以達(dá)到速度閉環(huán)的控制目的。

TMS320F2812集成了PWM發(fā)生器端口，可直接通過(guò)I/O口輸出PWM波形。PWM波形的參數(shù)設(shè)置根據(jù)事件管理器EVA、EVB的參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)，包含PWM波形的工作方式、頻率、占空比等。定時(shí)器控制寄存器的控制字來(lái)設(shè)定PWM工作方式和頻率，通過(guò)調(diào)整比較寄存器的數(shù)值來(lái)改變PWM占空比。

該系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與傳統(tǒng)分立式三相全橋開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路不同，而是采用了WBC02-10電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，將三相全橋開(kāi)關(guān)電路封裝在驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)，如圖5所示?；魻杺鞲衅髦苯优c驅(qū)動(dòng)模塊連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)三相全橋開(kāi)關(guān)電路的換向驅(qū)動(dòng)，便可增加電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、定時(shí)中斷服務(wù)程序和捕獲中斷服務(wù)程序組成。主要完成初始化、指令采集、位置采集、轉(zhuǎn)速采集、PID算法及調(diào)速控制、調(diào)節(jié)位置控制、中立位置點(diǎn)燈，機(jī)內(nèi)自檢測(cè)（BIT）等模塊。程序的主要功能流程如圖6所示。

在軟件的所有功能模塊中，其電機(jī)的調(diào)速閉環(huán)控制為核心功能，因此以下主要介紹系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速采集、PID算法及調(diào)速控制功能。

4.1 PWM波形設(shè)置

PWM波形的參數(shù)設(shè)置可根據(jù)事件管理器EVA、EVB的參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)，包含PWM波形的工作方式、頻率、占空比等。通過(guò)設(shè)定定時(shí)器中控制寄存器的控制字來(lái)確定PWM工作方式和頻率，通過(guò)調(diào)整比較寄存器的數(shù)值來(lái)改變PWM占空比，輸出可變的PWM占空比波形，如圖7所示。

圖中定時(shí)器T1工作于連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，通過(guò)TlPR設(shè)置PWM周期，一個(gè)周期為（T1PR+1）個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘時(shí)間（定時(shí)器的時(shí)鐘頻率為T(mén)CLK*10⁶Hz）。通過(guò)T 1 CMPR設(shè)置高占空比。

根據(jù)PWM產(chǎn)生的原理，可以得出PWM波形的各個(gè)參數(shù)：

T=（TIPR+1）/（TCLK×10⁶）s（2）

f=（TCLK×10⁶）/（T1PR+1）Hz（3）

D=（TlPR+1-TICMPR）/（TIPR+1）（4）

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的外部晶振為30MHz，高速外設(shè)時(shí)鐘HSPCLK頻率設(shè)置與外部晶振相同。定時(shí)器T1為設(shè)置連續(xù)增計(jì)數(shù)模式，PWM的頻率要求為20kHz。根據(jù)式（3）可計(jì)算得知TIPR=1499;再根據(jù)式（3）、式（4）可得到該系統(tǒng)閉環(huán)控制中不同占空比D所對(duì)應(yīng)的T1CMPR值。

PWM的初始化所對(duì)應(yīng)寄存器設(shè)置如下：

EvaRegs.T1CON.bit.TMODE=2;

//2為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式

EvaRegs.T1CON.bit.TPS=0;

//TlCLK=HSPCLK/2p（p=0）

EvaRegs.GPTCONA.bit.TlPIN=1;

//設(shè)置低電平有效

EvaRegs.TlPR=1499;

//30M/1500=20KHz，PWM周期為50us

EvaRegs.T1CMPR=500;

//PWM低電平為33.3%，高電平為66.7%

4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集-霍爾傳感器的捕獲

轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有測(cè)頻法（M法）、測(cè)周期法（T法）和頻率周期法（MPT法），由于該系統(tǒng)為步長(zhǎng)控制，每次運(yùn)行的時(shí)間最大約為3s，故采用了測(cè)頻法（M法）[3]。

由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)衡量，在變換過(guò)程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：

n=60/PT（5）式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，T為輸出方波信號(hào)周期，根據(jù)公式即可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

該系統(tǒng)電機(jī)上安裝有三個(gè)霍爾傳感器A、B、C，一對(duì)磁體，故電機(jī)轉(zhuǎn)一圈每個(gè)霍爾傳感器只可產(chǎn)生一個(gè)脈沖，通過(guò)DSP的事件管理器的捕獲單元捕獲霍爾傳感器的A相管腳的電平變化，兩次電平變化的時(shí)間差即為電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，通過(guò)公式：30×10⁶/32×60/時(shí)間差（其中30×10⁶為系統(tǒng)晶振頻率，32為系統(tǒng)分頻，60為秒轉(zhuǎn)化為分鐘），計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

T2定時(shí)器捕獲的初始化設(shè)置如下：

EvaRegs.T2PR=0xFFFF;

//T2計(jì)數(shù)周期

EvaRegs.T2CNT=0;

//定時(shí)器2計(jì)數(shù)寄存器清零

EvaRegs.T2CON.a11=0;

//定時(shí)器2控制寄存器初值為0

EvaRegs.T2CON.bit.TMODE=2;

//連續(xù)增模式

EvaRegs.T2CON.bit.TPS=5;

EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE=1;

//使能T2計(jì)數(shù)

EvaRegs.CAPCONA.all=0;

//捕獲控制寄存器

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12EN=1;

//使能CAP12捕獲

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAPlEDGE=1;

//刀檢測(cè)上升沿

EvaRegs.CAPCONA.bit.CAP12TSEL=0;

//CAP1選擇定時(shí)器T2

EvaRegs.CAPFIFOA.bit.CAP1FIF0=0;

//CAPIFIFO空

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAP1INT=1，

//清CAP1中斷標(biāo)志位

EvaRegs.EVAIMRC.bit.CAP1INT=1;

//CAP1中斷使能

根據(jù)捕獲程序的初始化設(shè)置，將定時(shí)器T2控制寄存器T2CON的TPS的值設(shè)置為5，故T2CLK=HSPCLK/32=30/32MHz。

結(jié)合式（5）可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

Speed=60*T2CLK*10⁶/k=56250000/k;

//k=CAP_K1-CAP_K2;

T2定時(shí)器捕獲中斷程序如下：

interrupt void CAPINT1_ISR（void）

{

EvaRegs.EVAIFRC.bit.CAPlINT=1;

//清CAP1中斷標(biāo)

EvaRegs.T2CNT=0;

//定時(shí)器2計(jì)數(shù)寄存器清零

CAP_K1=EvaRegs.CAPlFIF0;

CAP_K2=EvaRegs.CAP1FIF0;

//讀寄存器內(nèi)兩次的計(jì)數(shù)值

if（CAP_K2>CAP_K1）

{//計(jì)算捕獲數(shù)值

k=CAP_K2-CAP_K1;

}

else

{

k=CAP_K2+（OxfffF-CAP_K1）;

}

Speed=56250000/（float）k;

//計(jì)算轉(zhuǎn)速

}

4.3 PWM占空比的調(diào)節(jié)-PID調(diào)速算法

該程序中采用的PID算法來(lái)調(diào)節(jié)PWM的占空比，進(jìn)行電機(jī)調(diào)速。

根據(jù)PID位置算法公式：式中：凡、凡、戈為比例、微分、積分系數(shù)。通過(guò)PID算法PWM波占空比的調(diào)節(jié)使得電機(jī)速度保持在要求的5800r/min左右。

具體調(diào)速程序如下：

void Tiaosu（void）

{

ActSpeed=Speed;//速度實(shí)際值=Speed

Err=5800-ActSpeed;

//偏差值=5800-速度實(shí)際值

PWM_Err-Kp*Err+Kd*（Err-Err_last）;

//PWM偏差值

Err_last=Err;

//偏差值作為上一個(gè)偏差值

SetSpeed=PWM-PWM_Err;

//速度設(shè)定值=PWM-PWM偏差值

if（（SetSpeed>=1）&&（SetSpeed<=1499））

//速度設(shè)定值在有效范圍內(nèi)

{

PWM=（int）SetSpeed;

//PWM的值=速度設(shè)定值

}

}

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)要求，在額定工作電壓額定負(fù)載狀態(tài)下對(duì)產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)電流、負(fù)載轉(zhuǎn)矩[4]、行程精度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。某試驗(yàn)波形如圖8所示。

通過(guò)采用雙閉環(huán)控制以及數(shù)字調(diào)速，實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式下，電機(jī)在各種負(fù)載、不同供電電壓范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速能夠保持恒定，轉(zhuǎn)速差在100r內(nèi)，行程誤差可小于0.1mm，具有良好的一致性。

6 結(jié)論

通過(guò)在系列產(chǎn)品上的改進(jìn)實(shí)施，提高了系統(tǒng)控制精度，保證方向舵調(diào)整片操縱裝置在飛機(jī)上復(fù)雜的工作環(huán)境中，當(dāng)供電電源在18～32V電壓大范圍變化時(shí)，系統(tǒng)均能穩(wěn)定的保持恒速工作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。

參考文獻(xiàn)

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