基于新型數字電位器的伺服控制系統(tǒng)

吳建剛， 高玉文， 王 闊， 劉璐雅

（四川航天電子設備研究所， 四川 成都 610100）

0 引言

隨著精確制導技術不斷發(fā)展，導引頭技術越來越受到重視[1]。 雷達伺服系統(tǒng)是反艦導彈導引頭的重要組成部分，它對于發(fā)現目標、跟蹤目標以及精確測量目標位置都起著重要作用，它的精度直接影響到反艦導彈的制導精度[2-3]。伺服系統(tǒng)的定位精度主要取決于角度傳感器的精度，目前導引頭伺服控制系統(tǒng)較多采用旋轉變壓器作為伺服系統(tǒng)的測角元器，測角信號經旋變解調電路模塊解碼后得到角度信息，小尺寸旋轉變壓器精度從4′至12′不等，體積越小，精度越低，可靠性越差。 而導引頭整體向著小型化和高精度的方向發(fā)展， 使得采用旋轉變壓器作為測角元件的伺服系統(tǒng)無法滿足導引頭的發(fā)展需求。 本文設計開發(fā)了一款基于新型數字量電位器的雷達導引頭伺服控制系統(tǒng)， 滿足了導引頭小型化和高精度的發(fā)展需要。

1 系統(tǒng)組成及原理

該雷達伺服控制系統(tǒng)主要由控制器、 驅動器和執(zhí)行反饋單元組成，控制器以DSP 為控制核心，通過FPGA 與上位機通信，并將控制信號下發(fā)給執(zhí)行反饋單元，同時采集執(zhí)行反饋單元的角度、角速度及電流等信號，驅動器以電機驅動模塊為核心，接收經光耦隔離后的控制信號，并將其放大后用于驅動電機轉動，執(zhí)行反饋單元包括方位、俯仰電機和電位器以及運動執(zhí)行機構等，控制系統(tǒng)組成框圖見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)工作原理為控制器接收到上位機下發(fā)的指令后，進入相應的控制流程，經過DSP 運算后輸出控制信號到驅動器，經隔離放大后驅動電機帶動負載按要求轉動，電位器實時反饋角度信號并參與系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 新型數字量電位器

目前，業(yè)內傳統(tǒng)的高精度電位器線性度約為0.5%，模擬信號傳輸，需要在伺服控制電路中進行AD 采樣，采樣換算以后的測角誤差通常在12′以上[4]，精度較低，在早期的雷達導引頭伺服系統(tǒng)上有應用，對安裝要求高，需要對模擬信號傳輸線路做可靠的屏蔽處理。由于其價格優(yōu)勢，目前多應用于對角精度要求不高的舵機控制[5-6]。

新型數字量電位器組成框圖如圖2 虛線框內所示，主要包括電源預處理電路， 執(zhí)行部件，AD 采樣電路、 后處理電路以及接口電路。

圖2 新型數字量電位器組成框圖

其中， 電源預處理電路實現濾波、 穩(wěn)壓以及電壓轉換功能， 執(zhí)行轉動部件為傳統(tǒng)的電位器本體部分，即電阻體和轉動體等，用于輸出角度轉動對應用的電壓量，AD 采樣電路完成對該電壓量的模數轉換， 并將轉換后的數字量傳輸至后處理電路， 后處理電路主要完成角度值的解碼以及角度值的插值、濾波補償，并將補償后的角度值通過差分數字接口芯片發(fā)送給上位機。 新型數字量電位器的特點主要有結構尺寸小、重量輕、抗干擾能力強、角度測量精度高，安裝便捷等。與傳統(tǒng)電位器相比，增加了電源預處理電路，提高了電源品質，將AD 采樣電路與執(zhí)行部件集成為一體， 極大程度減小了模擬量長距離傳輸受干擾的風險，并且通過后處理電路補償后，使得電位器測角精度成倍提升，實現了更高精度測角。新型數字量電位器實物示意圖見圖3，大小約￠35mm×16mm。

圖3 新型電位器結構示意圖

2.2 控制器硬件電路

伺服控制器采用DSP+FPGA 硬件架構，DSP 選用TI公司的TMS320F28335，FPGA選用XILINX 公司spartan6 系列XC6SLX45。 TMS320F28335 是TI 公司推出的32 位浮點數字控制處理器（DSP），外設豐富，在電機控制通信醫(yī)療航空航天等領域有廣泛的應用[7]。 TMS320F28335DSP整合了Flash 存儲器、 快速的A/D 轉換器、 增強的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等功能， 共有6 對ePWMxA 和ePWMxB 模塊， 主頻高達150MHz，具有強大的控制和信號處理能力，能夠完成復雜的控制算法[8]。XC6SLX45 屬于高性價比邏輯控制芯片，管腳多，資源豐富，廣泛應用于工業(yè)控制領域。 控制器核心電路原理框圖見圖1。 FPGA 芯片主作為數據收發(fā)、轉換樞紐，與DSP 通過并口總線相連，與上位機、電位器通過串口收發(fā)芯片3490 相連， 與驅動器之間通過光耦隔離芯片相連，與AD 之間通過SPI 串口相連實現電流采樣。

2.3 驅動器硬件電路

驅動器以電機驅動芯片LMD18200-2D-QV 為主體開展設計。 LMD18200-2D-QV 是美國國家半導體公司設計的專用于驅動電機的芯片，額定運行參數為：額定電流3A，峰值電流6A，電源電壓可達55 V，內部包括MOS 管構成的H 橋及其邏輯控制電路，芯片內部的H 橋驅動器由4 個MOS 管構成， 通過充電泵電路為4 個MOS 管提供柵極控制電壓，輸入信號兼容TTL 和CMOS，內置過流報警和過熱報警以及自動關斷[9]。驅動器核心電路框圖如圖4。方向（DIR）、剎車（BREAK）、占空比（PWM）三路控制信號經光耦（U7）隔離后，輸入電機驅動芯片（U8），經功率放大后控制電機 轉 動（D1、D2分別為直流電機兩端接口）。

圖4 驅動器核心電路框圖

3 軟件設計

伺服控制系統(tǒng)軟件設計包括DSP 軟件設計和FPGA軟件設計。 FPGA 軟件主要實現數據收發(fā)、 串并轉換及角度、角速度反饋單元的反饋數據解碼，與DSP 之間進行并口通信，與上位機進行串口通信。 DSP 主要進行流程處理和控制算法處理，軟件由主程序模塊、分支子程序和中斷子程序模塊組成，主程序模塊包括系統(tǒng)初始化、讀寫外部端口、設置分支邏輯等；分支子程序主要有預置子程序、搜索子程序、跟蹤子程序等；中斷子程序包括位置環(huán)控制子程序和速度環(huán)控制子程序。 流程控制框圖見圖5。

圖5 流程控制框圖

系統(tǒng)上電后首先進行系統(tǒng)自檢，根據設定好的自檢流程，控制電機帶動負載轉動， 如果在規(guī)定的時間內完成自檢，則上報自檢正常，否則上報故障，中止后續(xù)流程， 系統(tǒng)處于剎車保護狀態(tài)。 整個自檢過程涵蓋了硬件控制電路、芯片、電機、執(zhí)行機構、 角度和角速度反饋元件等各個環(huán)節(jié)的檢測， 可根據故障時的數據快速準確定位哪個環(huán)節(jié)出現了故障。 自檢完成后，系統(tǒng)默認回到待機狀態(tài)，實時接收判斷上位機是否有最新指令下發(fā)。

4 試驗測試

4.1 角精度測試

以往采用旋轉變壓器做為角度反饋元件的伺服系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)級進行角精度測試，搭建如圖6 的測試系統(tǒng)， 通過專用測試工裝將機構轉軸轉到某一被測角度位置后鎖死，然后上三坐標進行測試，通常認為三坐標精度高，將其測試結果作為真值，集成控制驅動器將解碼后的角度數據發(fā)送給上位機，與三坐標上顯示的角度數據做比較，差值即為角度誤差。這種系統(tǒng)級的測試相對麻煩，且不能按照一定的步進量有規(guī)律的進行測試，測試的角度數據量相對較少。

圖6 系統(tǒng)級角精度測試示意圖

采用新型數字量電位器做為角度反饋元件的伺服系統(tǒng)，將電位器轉軸與機構轉軸同軸安裝，通過精心設計機構軸系， 電位器的角度精度即可反映伺服系統(tǒng)的角度精度，因此，可以將角精度測試由系統(tǒng)級簡化到元器件級進行測試，省時省力，還可以避免由工裝加工誤差引入的測試誤差。 新型數字量電位器角精度測試時，只需一臺小型較高精度的轉臺和上位機， 將電位器安裝到轉臺上后，控制轉臺按一定的步進量進行轉動，將轉臺顯示的結果作為真值與上位機讀取的角度數據對比，差值即為角度誤差。

表1 為某臺新型數字量電位器角精度的測試結果，由于數據量較大，表中只統(tǒng)計了每2°間隔的測試數據，圖7 為±20°以內統(tǒng)計的120 個測試點的誤差曲線（其中，±10°以內測試步進為0.2°，±10°以外測試步進為1°，橫坐標為測試點數，縱坐標為角度誤差值，單位為度）。從測試結果可知，角度誤差最大0.03°，小于2′，精度較高。

表1 某臺新型數字量電位器角精度（單位：/°）

圖7 角度誤差曲線

4.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要針對和角度相關的零位和角度預置進行了測試。 圖8 是在上位機下發(fā)零位鎖定指令后測得的角度反饋數據，圖9 是在角度預置流程中預置不同角度，系統(tǒng)反饋的實際角度數據。分析測試數據可知，采用新型數字量電位器做為角度反饋元件的伺服系統(tǒng)，在零位鎖定和角度預置狀態(tài)下，角度數據穩(wěn)定可靠，角度噪聲在0.01°以下，圖10 是圖9 矩形框框中位置的局部放大圖， 從放大圖統(tǒng)計可得，0 到20°的角度預置時間約為0.8s（預置到位約330 個采樣點，每個采樣點2.5ms），預置曲線平滑過渡，預置時間較短，滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖8 零位鎖定角度數據

圖9 預置流程角度數據

圖10 預置流程角度數據

5 結束語

設計開發(fā)了一款基于新型數字量電位器的雷達導引頭伺服控制系統(tǒng)。 介紹了新型電位器的工作原理和伺服控制系統(tǒng)的硬件、軟件設計。基于新型數字量電位器伺服控制系統(tǒng)不僅具有定位精度高， 抗干擾能力強等優(yōu)點等優(yōu)點，對于力矩電機直驅伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)角精度測試可由電位器器件級精度測試替代，減少了測試難度，節(jié)約了研制成本，具有較高的工程應用價值。