基于dsp的全数字化电动舵机控制器的设计与研究

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1、中国空间科学学会空间机电与空间光学专业委员会2008年学术年会基于DSP的全数字化电动舵机控制器的设计与研究章家保1’2，贾宏光1，宣明1(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；2．中国科学院研究生院，北京100039)摘要：为适应飞行器系统全数字化的要求，进行了电动舵机控制器全数字化的方案设计，并对其控制策略和控制算法进行研究。首先，以DSP为中央控制单元，增量式光电编码器为角度传感器，CAN总线结构的数据通信方式，设计了全数字化的电动舵机控制器方案。然后对电动舵机系统的三种控制策略进行了对比分析与研究。结合本方案

2、的特点。选择了位置环加速度环的双环控制策略。在此基础上进行了控制器的软硬件设计，并对其进行实验测试。实验结果表明：系统响应时间为45．8ms，调节时间为85．6ms，超调量为4．o％。满足了预期的性能指标，为电动舵机控制系统的研究提供了新思路。具有良好的工程实践价值。关t词：电动舵机；控制策略；全数字化DSP中圈分类号：TH74文献标识码：A引言随着高新技术在军事领域中的应用，有力地促进了飞行器的系统化和精确化，对其性能要求越来越高。舵机是飞行器制导与控制系统的重要组成部分，也是制导与控制系统的执行机构，其接收自动驾驶仪的控制指令，用以操纵舵翼

3、的偏转，其性能的好坏直接决定着飞行器飞行过程的动态品质[1{]。电动舵机简单可靠、工艺性好、使用维护方便、能源单一、成本低廉、易于控制等特性引起了人们的广泛注意和深入研究，并且在飞行器上得到了广泛的应用。数字信号处理器的出现，也使得舵机等伺服系统的模块化和全数字化更容易实现，使长期以来建筑在现代控制理论或其他一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行优化处理。数字式舵机的控制精度高、可靠性高、抗干扰能力强、参数便于调整和优化和容易实现自检功能等优点与基于模拟电路实现的舵机相比具有更大的优越性。因此本文提出了基于DSP的全数字舵机控制

4、器，充分利用其丰富的周边接口，使系统的结构大为简化，并能实现实时控制。2电动舵机系统基本原理舵机系统主要由舵机控制器和舵机驱动机构组成，4个舵机分别安装在飞行器尾部互相垂直的4个方向上。正常工作时，舵机控制器接受自动驾驶仪给定的舵偏信号，并驱动舵面偏转，保证舵面以一定的速度和精度趋近给定舵偏角，同时将当前舵面的实时偏转角反馈给自动驾驶仪。驱动机构由电机和减速器组成。无刷直流电机保持了传统直流电机优点的基础上，性能较传统的直流电机有很大提高，具有低噪声、高效率、无励磁需要、易维护、寿命长、控制结构简单等优点[3]，在电动舵机中获得较广泛的应用。减

5、速器有多种方式，在电动舵机驱动装置中较多采用的是谐波齿轮减速器和滚珠丝杠减速器。谐波齿轮n3传动的主要优点是：传动比大(50—500)，同时参与啮合的齿对数多、承载能力大、体积小、重量轻、传动效率较高、传动精度高、回程误差小、易于实现零侧隙传动；传动平稳、无冲击、噪声低。因而，很适合在电动舵机伺服机构中传递运动。在电动舵机中，若采用滚珠丝杠传动口]，一般将丝杠与电机轴相连，推动螺母做直线运动，通过拨叉连接舵机轴，从而实现舵机轴的回转运动，实现电动舵机的角位移输出。滚珠丝杠减速器具有传动效率高、减速比大、精度高等优点。缺172中国空间科学学会空间

6、机电与空间光学专业委员会2008年学术年会点是由于采用拨叉连接，输入输出是一个正切关系，其减速比非一个固定值，但在小角度范围内，可视为线性关系。本方案电机选用的是无刷直流电机，减速器采用的是谐波齿轮减速器，如图1所示。图1舵机结构图3数字化电动舵机控制器总体方案设计舵机系统控制器主要由中央控制单元、高速逻辑阵列、功率驱动电路、三相逆变电路、舵面偏转角度传感器和保护电路等组成。图2是某电动舵机系统控制器原理图‘6

7、。安圭蠢'电机#f位■控一主毫喀屯蠢囊■电机l膏=伸●■芝。社H堂斟篓％铲堕一倒邕屯甲转矗轴簋日皂蓐镀掣豳蓉n电鼻lLlm■鏖日嘲离号

8、图2电动舵机系统控制器原理图3．1中央控制单元早期的中央控制单元主要是由80C51或89C196K等单片机系统组成[7’8]，由于其运算速率较低，处理能力有限，现逐步被数字信号处理器(DSP)代替，DSP在工作频率和处理能力上都较单片机优越。其中以德克萨斯公司的TMS320系列为代表，DSP芯片已发展成系列产品。开始应用于舵机控制器的DSP以TMS320LF2407为主，随着TI公司技术的不断升级，高性能的TMS320F2812DSP越来越被广泛的应用于舵机控制器。3．2高速逻辑阵列高速逻辑功能如图3所示。无刷直流电机因其没有电刷，其换向控制必

9、须由外换相电路来完成。换相电路可以是由分立的逻辑芯片组成的逻辑电路、中央控制单元或者逻辑阵列。基于成本、可靠性和处理速度等因素的考虑，选择高速逻辑阵列