基于DSP的四舵机交流伺服系统控制器设计

^驱动控制

and control'詪基于

DSP的四舵机交流伺服系统控制器设计

王惠敏，郝振洋

(南京航空航天大学，南京210016)

:弹用舵机控制系统是一个精确位置伺服，是导弹制导系统的执行机构。将具有高效数据处理能力的

DSP与具有复杂逻辑运算能力的CPLD相结合，实现单DSP控制4台永磁同步交流舵机。通过并行方式对4台舵机 进行控制，提高数据处理效率。使用IPM模块驱动舵机，从而提高系统可靠性并且降低系统的体积和质量。通过实 验证明，用单DSP控制4台舵机能够大大减小系统的体积与质量，同时能够实现对4台舵机的独立闭环控制，且动

摘要态性能较好。

关键词：四舵机系统数字信号处理（

;中图分类号：TM351 DSP);复杂可编程逻辑器件（CPLD);旋转变压器;智能功率模块

文献标志码:A 文章编号:1004-7018 (2018) 07-0059-05

The Design of AC Servo Controller for Four Actuator based on DSP

WANG Hui-min ,HAO Zhen-yang

(Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Nanjing 210016 ,China)

Abstract：Control system for electro-mechanical actuator (EMA) is a precise position servo system, which is the ac­

tuation of the missile guidance system. The realization of the single digital signal processing ( DSP) control four sets of EMA based on the combine of DSP with high efficient data processing capability and complex programmable logic device (CPLD) with complex logical computing ability. The efficiency of data processing was improved by using the parallel way to control the four EMA. Intelligent power module (IPM) was used to drive the EMA, so as to improve the system reliabili­ty. Experiments show that the use of a single DSP control four EMA can greatly reduce the volume and weight of the sys­tem, can achieve the independent closed-loop control of the four EMA and has better dynamic performance.

Key words：four electro-mechanical actuator (EMA) ; digital signal processing (DSP) ; complex programmable logic device ( CPLD) ; resolver; intelligent power module (IPM)

0

引言

现代战争越来越以高科技武器为主，导弹因其 具备远程打击能力而成为现代武器中的佼佼者[1]。 导弹通常由战斗部、弹体结构系统、动力系统、制导 系统4部分组成，其中制导系统主要由探测机构、决 策机构、执行机构组成。导弹舵机作为导弹制导系 统的执行机构,是导弹制导与飞行控制的重要组成 部分，其性能好坏直接影响了导弹的飞行品质以及 制导精度⑴。

早期的舵机主要以液压作动系统和气压作动系 统为主,这些作动系统在结构和动态性能上都具有 明显的优势，如运动平稳、转动惯量小、输出力矩大、 承受负载大和快速性好等，但同时存在着结构复杂、 体积质量大、加工精度高、成本大等缺点[2]。20世 纪70年代，随着新型稀土永磁材料和专用驱动模块 的出现，电力作动系统得到大力发展。20世纪90 年代以来，许多高性能导弹采用了电动舵机结构，如 美国的中距空空导弹AM-120、沃斯普反坦克导弹

收稿日期:2016-03-28

和战斧巡航导弹，俄罗斯的蛙蛇R-77空空导弹 等[1]，其采用的电机都为有刷直流电机，虽然调速 性能优良，但换向器和电刷等机械接触部件可靠性 较差[3]。随着永磁材料的快速发展，永磁无刷直流 电机因其没有换向器和电刷，消除摩擦力矩等优点 而得到广泛使用。目前国内电动舵机使用的驱动电 机还是以有刷直流电机为主，但直流电机存在发热

DSP王

惠敏等，基于

高、体积大、维护不方便、控制精度不高等缺点[4]。 随着航空航天事业的发展，导弹对舵机系统提出了 更多的要求,未来导弹舵机将朝着小型化、轻量化、 高精度、高效率的方向发展[5,6]。永磁同步电机因 其体积小、质量轻、功率密度高、单机容量大、可维修 性好以及价格低廉等优点，在伺服应用场合体现出 越来越多的优越性[7,8]。交流伺服系统大多采用数 字化控制，将先进的控制理论和复杂的控制算法通 过DSP实现，进而实现系统性能的优化[2,9，10]。

本文针对导弹舵机系统输出力矩大、体积质量 小、精度高、效率高的要求，将永磁同步电机与直驱 式滚柱丝杠结构相结合，使舵机本体具有质量轻、体 积小、载荷比大的优点。控制器通过优化软件结构

的

四舵机交流伺服系统控制器设计

59

3驱动控制

及算法，实现单DSP控制4台舵机的结构，大大减 小舵机控制系统的体积和质量。通过实验验证系统 能有效跟踪上位机位置给定且动态性能较好。

M特老机摇

1.2舵机系统工作原理

2018年第46卷第7期

导弹制导系统通过串口通信对舵机控制系统发 出位置指令，并监控舵面位置角度，通过位置反馈对 舵机位置进行调节，实现闭环控制[11]。舵机控制系 统接收位置指令，当检测到实际位置与指定位置存 在误差驻兹时，控制器作用，产生误差下所需的％，

Uq，通过SVPWM调制，控制电机转动从而带动丝杠

1舵机控制系统基本原理

1.1永磁同步电机数学模型

永磁同步电机建模时，通常忽略定转子铁心磁 阻、涡流和磁滞损耗。在同步旋转d，q轴系下，表贴 式永磁同步电机定子电压方程：

运动，使舵面偏转角度达到指定位置。

Ud=Rid+L did:-rLiq

棕2

(1)⑵

系统硬件电路设计

系统由直驱式电力作动器（舵机）、控制器、功

Uq=Riq+L 2 + r(Lid+ 0

棕鬃di

率变换器和通信部分组成。其中舵机主要构成部分 为永磁同步电机、滚珠丝杠、旋转变压器（以下简称 旋变）以及位移传感器。系统结构框图如图1所，示。

式中：Ud，Uq为直交轴电压;id，iq为直交轴电流;棕r 为转子角速度;R，L分别为定子电阻和电感;鬃£为 永磁体磁链。

旋变解码

电路1

惠*等

基于

图

1

系统结构框图

2.1 DSP的选择

DSP作为控制系统的核心处理器芯片，主要工

了一倍。一个F28335芯片具有6个独立的ePWM 模块，每个ePWM模块包括2路PWM信号，则每个 芯片的ePWM模块可以发出12路独立的PWM波。 另外，F28335带浮点运算，动态范围更大，并且

F28335比F2812多了 MAC单元，运算速度提高一

作有采集系统的运行数据，实现系统的控制算法，产

的

四舵机交流伺服系统控制器设计

生系统的控制信号等。目前面向运动控制的DSP 芯片主要有美国德州仪器（TI)的TMS320C2000系 列，其中以TMS320F2812和TMS320F28335最为常 见。F2812芯片具有2个事件管理器（EV)模块，适 用于运动控制和电机控制等领域。每个EV模块有 3个全比较单元，每个比较单元可以产生一对互补 的PWM波，3个比较单元可以产生6路PWM波控 制一个三相全桥电路。所以一个F2812芯片最多可 以同时控制2台电机。F28335将F2812的EV模块 分为ePWM、eQEP、eCAP 3个模块并且互不干扰，易 于实现复杂信号的输出。其中F28335的ePWM模 块相对于F2812的EV模块，其PWM输出能力提高

倍。总体而言，F28335相对于同时钟频率下的

F2812芯片执行效率提高一倍。2种芯片主要功能

对比如表1所示。

表

性能主频

1

2种DSP性能对比

DSP型号

F2812

150 MHz128 kB36 kB565

F28335150 MHz512 kB68 kB8818

60

FlashRAMGPIO独立PWM

紙特老机摇 2018年第46卷第7期

28335属于Delfino系列中的一款，相较于定点

系列，它为实时控制应用带来了领先的浮点性能和

集成度，具有精度高、功耗小、存储量大、A/D转换 快速等特点，且集成了主要的电机控制外设单元，含 有多达18路的PWM输出，其中6路为特有的更高 精度的PWM输出。这些优点不仅使得系统设计外 围电路简单方便，而且也使模块程序的软件编写 的难度降低，可以提高控制系统的集成化和可靠性。 为了实现单DSP控制4台电机，并且有较好的数学 运算性能，本文采用F28335作为系统的核心控制 单元。

2.2 PWM信号的产生

单个F28335的

ePWM模块最多能发出12路

PWM波，仅能驱动2台舵机。将DSP与CPLD结 合，增加PWM数量以控制4台舵机。CPLD由可编 程互连矩阵单元组成，具有复杂的I/O单元互连结

构，可根据需要编写软件生成特定的电路结构，完成 相应的功能。选择芯片型号为LC4256,主要完成的

工作是拓展PWM波、对

PWM信号进行封锁、处理 过流信号等。三相逆变电路的桥臂上下管为180。 互补导通。由于PWM驱动信号会由于各种原因产

生延迟，可能造成一个开关管还未完全关断，另外半 桥的开关管已开通，此时上下管直通，电流突增，造 成功率器件过流。为了防止直通造成的器件损坏， 上下管的PWM驱动信号中需添加死区，通过CPLD

的移相和逻辑运算功能插人死区。将

F28335发出 的12路PWM波送至CPLD，对这12路PWM波进 行移相，将移相前的PWM波和移相后的PWM波进 行“与非”逻辑运算，得到三相桥电路上管的驱动 PWM波;将移相前的PWM波和移相后的PWM波 进行“或”逻辑运算，得到三相桥电路下管的驱动 PWM波，如图2所示。

“或”......................，下管驱动

运算.

图2

驱动

PWM波产生

由此得到的驱动波形，既保证了上下管互补导 通，同时又插人了死区，防止上下直通。

?/p.s (20 ^is/div)

图

3 CPLD发出PWM波图4 PWM波死区局部放大 CPLD除了具有拓展PWM，使之足够驱动4台

r驱动控制

舵机的功能，还具有信号封锁和过流保护功能。当 检测到过流信号时，CPLD接收反馈低电平，通过

“或非”门之后与驱动信号进行“与”逻辑运算，进而 封锁PWM波，实现对系统的保护。2.3转子位置检测

在永磁同步电机定转子上放置旋变来进行转子 位置的读取，位置解码电路包括旋变解码芯片解码 电路和旋变激磁信号的放大电路2部分组成。解码 电路使用芯片AD2S1200对旋变输出信号进行解 码，根据Type域闭环跟踪原理，跟踪输人信号，将正 弦和余弦输人端的信息转化为输人角度和速度所对 应的数字量，其输出的转子角度只与正余弦信号的 比值有关，而与绝对值无关，因而误差小，噪声抑制 能力强。AD2S1200自身集成了片上可编程正弦波 振荡器，为旋变提供正弦波激励信号。这个参考激 励输出外部需接一个激磁信号的放大电路，来提供 增益以及增大电流驱动旋变。激磁信号放大电路如 图5所示。

对EXC信号采用同样的放大电路进行处理。其中电容C1和电阻R2并联使用以滤除EXC和EXC 输出信号上可能存在的噪声。

由于采用的旋变为多摩川TS2620N21E11，根据 王

惠敏其手册可知，其初级绕组需用7 Vrms

的电压驱动，， 等

基

初级绕组阻抗为70+j100赘，则激励缓冲放大电路

于

所需驱动电流有效值如下：

D=R U

= 707 j10049 1 -490

j70 57.346 x 10-3 蚁55。ASP的

则需提供57. 346 mA驱动电流。四4舵台舵机需4组激励信号，每组激励信号含有机交EXC和EXC 2路输出，若每个信号采用一个放大电 流伺路服，则需8个放大电路，大大增加了控制器的体积质 系统量和成本。考虑到实际情况，采用2个旋变共用一 控制组激励信号的方式。则2个旋变共需114. 69 mA的 器设驱动电流，考虑到2倍裕量，缓冲放大电路的运算放 计

大器输出电流为229. 38 mA。选用LM759作为缓

冲放大电路的运算放大器，其输出电流典型值为 500 mA，最小为325 mA，满足要求。激励及正弦余 弦信号波形如图6 ~图8所示。

61

3驱动控制

f/jis (40 ns/div)

图

7

正弦信号波形

//^is (40 jxs/div)

图

8

余弦信号波形

位置信号的读取分为串口方式和并口方式。串 口方式读取需12滋s，而并口方式读取仅需3滋s，当 开关频率为10 kHz时，程序运行空间仅为100滋s。 米用串口方式读取4路输出信号周期较长，不利于 电机的控制。为了减少程序运行周期，保证程序正 常运行，采用并口方式读取输出信号，通过DSP对 旋变解码芯片进行片选来实现对4台电机的位置速 度信号读取，程序流程图如图9所示。

4路解码器的时钟由NB3N551分频电路获得， D以此来加强旋变解码芯片工作的同步性，分频电路 SP如图10所示。

图

10

时钟分频电路

2.4功率电路设计

功率电路由保护电路、隔离电路和驱动电路组

成。保护电路检测电流信号并反馈至DSP进行过 流保护。当直流母线过流时，会影响功率管的工作， 甚至使功率管等器件损坏，从而不能正常工作，故必 须对系统的母线电流进行监视。采用电流检测芯片

2

ACS709LLFTR-35BB-T进行监测，当母线过流时，

M特老机摇

2018年第46卷第7期

会产生信号反馈到DSP以封锁PWM信号。

隔离电路采用光耦将控制电与驱动电隔离，使 之没有直接电气连接，防止不必要的干扰。采用光 耦HCPL0454,改变PWM信号电平后送给功率模 块。信号的单向传输，完全实现了输人端与输出端 的电气隔离。

驱动电路通常由分离元器件搭建或者使用智能

功率模块（IPM)搭建而成。考虑到独立的MOS管 搭建电路体积较大，且电路调试过程较为复杂，使用 IPM构建功率电路。由于受控舵机的直流工作电压 为90 V，则三相逆变电路的功率管承受的最大反向 电压为90 V，考虑到2倍裕量，MOS管耐压需达到 180 V。选用MSK公司的功率模块，型号4322。

MSK4322内部集成了耐压200 V的MOSFET，最大

承受电流20 A，内部能产生2滋s上下管驱动死区防 止直通。

3系统软件设计

由于弹用舵机控制系统本身对体积质量及功率 密度要求较高，因此提出了单DSP控制4台舵机的 硬件方案。为了实现该方案，同时保证系统的精确 度，选取合适的开关频率并对程序进行精简。取开 关频率为10 kHz，程序流程图如图11所示。

图

11

程序流程图

采用模块化的编程方式，在TI提供的开发环境

CCS中进行系统软件设计。整个程序包含头文件、

库文件、地址分配文件和源文件等。主程序主要完

成控制系统的初始化，包括各模块寄存器的配置和 程序中使用参数变量的初始化。中断源采用定时器 下溢中断，当中断发生，进人中断子程序执行系统核 心控制算法，包括电机位置读取、AD电流采样处 理、转速计算、故障检测、坐标变换、PI调节器和数 字SPWM调制等。对舵机实行外环位置环、内环电 流环的双闭环控制，采用的控制策略为矢量控制，控 制框图如图12所示。

王

惠敏，等基于

的

四舵机交流伺服系统控制器设计

6紙特老机摇 2018年第46卷第7期

r驱动控制

第一个半周期内，位置跟随存在超调，随后跟随

三相逆变器

性能良好。

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II

-•一旋变

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4实验结果

在已搭建的Labview平台上对舵机系统进行位

置闭环测试。给定幅值3 mm的阶跃信号，观察位 置反馈跟随状况。实验波形如图13所示。

111

卜实测

位置位移

_图

13

给定阶跃信号下位置跟随

观察波形发现，起始零位存在0.3 mm误差，在 系统允许误差范围内，动态响应时间短，无超调，无 稳态误差，跟随性能良好。

给定幅值为3 mm的正弦波信号，观察位置反 馈跟随状况。实验波形如图14所示。

图

14

给定正弦信号下位置跟随

王

惠敏，等基于

的四舵机交流伺服系统控制器设计

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