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基于DSP的反旋直流電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間:2012-09-18 16:34:00來(lái)源:王飛 楊新民 錢(qián)進(jìn)生

導(dǎo)語(yǔ):?詳細(xì)介紹了系統(tǒng)控制原理及硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘要針對(duì)現(xiàn)代滾轉(zhuǎn)彈箭武器的發(fā)展趨勢(shì),分析了傳統(tǒng)舵機(jī)的控制弊端,提出一種新型舵機(jī)控制思想—反旋穩(wěn)定舵機(jī)控制,選用無(wú)刷直流電機(jī)作為伺服電機(jī),設(shè)計(jì)了一套基于DSP的控制系統(tǒng)。文章選用數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320C6747)作為系統(tǒng)的主控芯片,采用三閉環(huán)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制,文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)控制原理及硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞TMS320C6747,電動(dòng)舵機(jī),無(wú)刷直流電機(jī),伺服控制

引言:

自從導(dǎo)彈武器系統(tǒng)出現(xiàn)后,伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)成為其中的不可或缺的重要組成部分。伴隨著科技的不斷發(fā)展,精確打擊技術(shù)已從航空航天領(lǐng)域、戰(zhàn)略打擊武器系統(tǒng)、防空反艦武器系統(tǒng)向身管發(fā)射武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和延伸。由于身管發(fā)射武器所具有的高過(guò)載、高轉(zhuǎn)速、小尺度、低成本等特殊要求,也為制導(dǎo)彈箭伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了近乎苛刻的要求。

傳統(tǒng)的火箭與導(dǎo)彈都是采用液壓舵機(jī)或者氣動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng),具有動(dòng)態(tài)特性好、輸出精度高、輸出功率大等特點(diǎn),但同樣也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、體積重量大、價(jià)格昂貴、技術(shù)難度大等缺點(diǎn)。電動(dòng)舵機(jī)以其簡(jiǎn)單可靠,能源單一,維護(hù)方便,成本低廉,易于控制等優(yōu)點(diǎn)得到人們的廣泛關(guān)注,并在滾轉(zhuǎn)彈箭上得到廣泛應(yīng)用。隨著稀土永磁無(wú)刷伺服電機(jī)技術(shù)、大功率驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)、先進(jìn)控制策略技術(shù)等的出現(xiàn),電動(dòng)舵機(jī)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展[2]。

常規(guī)電動(dòng)舵機(jī)利用減速裝置,將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為舵翼繞舵軸的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)舵翼繞舵軸需要從正偏變?yōu)樨?fù)偏,電機(jī)將經(jīng)歷:高速正向轉(zhuǎn)動(dòng)→急減速→零轉(zhuǎn)速→高速反向轉(zhuǎn)動(dòng)→急減速的過(guò)程,不僅對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高,體積大,成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜也是主要的弊端。為此本文提出一種新型舵機(jī)控制思路和方案,即:反旋穩(wěn)定舵機(jī)控制。

1.反旋穩(wěn)定舵機(jī)控制原理

反旋穩(wěn)定舵機(jī)是指全系統(tǒng)僅有一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)(相對(duì)于彈體的滾轉(zhuǎn)方向)的伺服執(zhí)行電機(jī)構(gòu)成,通過(guò)控制電機(jī)相對(duì)于彈體的速度,實(shí)現(xiàn)彈體姿態(tài)調(diào)整。常規(guī)舵機(jī)的舵翼與彈軸是固連在一起的,這里摒棄了復(fù)雜的齒輪或連桿結(jié)構(gòu),將電機(jī)直接與穩(wěn)定平臺(tái)連接,通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)抵消彈體繞彈軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使得該穩(wěn)定平臺(tái)在慣性坐標(biāo)下保持沿彈體縱軸的穩(wěn)定;舵翼是安裝在該穩(wěn)定平臺(tái)上的,這樣與彈體實(shí)現(xiàn)了有效隔離,舵翼偏角維持不變。當(dāng)彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令后,利用彈體與穩(wěn)定平臺(tái)的速度差控制舵翼偏轉(zhuǎn)到指定相位,并維持穩(wěn)定,產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的控制力矩,使得彈體的姿態(tài)可控,達(dá)到伺服的目的。

圖1工作原理簡(jiǎn)圖

2.控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

選用無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)作為伺服執(zhí)行電機(jī),主要考慮了BLDCM具有控制簡(jiǎn)單、體積小,重量輕、效率高、運(yùn)行可靠、壽命長(zhǎng)、保養(yǎng)維修方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。BLDCM的額定轉(zhuǎn)速8000RPM,不能與穩(wěn)定平臺(tái)直接相連,必須配合減速器使用。

彈載計(jì)算機(jī)通過(guò)串口,先將彈體的滾轉(zhuǎn)速度傳給DSP,與反饋速度值比較產(chǎn)生一定脈寬占空比的PWM信號(hào)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn),使穩(wěn)定平臺(tái)保持在慣性坐標(biāo)下沿彈體縱軸穩(wěn)定。當(dāng)需要調(diào)節(jié)彈體姿態(tài)的時(shí)候,彈載計(jì)算機(jī)通過(guò)串口再將舵翼位置信息傳送給主控單元,DSP接到控制指令后,調(diào)用控制算法控制舵翼發(fā)生偏轉(zhuǎn),在指定相位穩(wěn)定,總體框圖如圖2所示。

圖2系統(tǒng)總體框圖

3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

反旋舵機(jī)控制系統(tǒng)由DSP主控電路、串口通信電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)電路、保護(hù)電路等組成。

 

圖3主要硬件設(shè)計(jì)原理圖

3.1:主控電路

主控芯片選用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320C6747,它是一款新型32位浮點(diǎn)DSP芯片,主頻300MHz,片內(nèi)集成eHRPWM、eCAP、eQEP模塊,配合編碼器使用,以最少的外圍電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,非常適用于工業(yè)控制領(lǐng)域[1]。

C6747主要的工作量有:雙閉環(huán)控制算法,實(shí)現(xiàn)速度的控制、三閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)相位的控制、故障保護(hù)。C6747接收到彈載計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令后,通過(guò)與反饋信號(hào)值比較,經(jīng)過(guò)控制器算法處理后,輸出占空比可調(diào)的PWM波,通過(guò)控制功率管的導(dǎo)通時(shí)間實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)。C6747片上沒(méi)有A/D模塊,通過(guò)外加ADC,采集主電路的電流、電壓,在發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流時(shí),能夠及時(shí)的通過(guò)軟件關(guān)閉PWM波輸出,保護(hù)功率管與電機(jī)。

3.2:轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及換向?qū)崿F(xiàn)

為了得到恒定轉(zhuǎn)矩,需要對(duì)電機(jī)換向。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)是通過(guò)安裝在定子上的三個(gè)霍爾傳感器完成的。每個(gè)傳感器輸出脈寬180°電角度信號(hào),三個(gè)霍爾傳感器輸出互差120°相位,在一個(gè)電周期內(nèi)產(chǎn)生六個(gè)上升、下降沿,通過(guò)DSP的eCAP進(jìn)行捕獲得到六個(gè)換向時(shí)刻。

只知道換向時(shí)刻還是不夠的,還應(yīng)該查詢?cè)摀Q哪一相,通過(guò)DSP管腳復(fù)用寄存器將eCAP捕獲功能配置為I/O功能,讀取三路霍爾信號(hào)的電平狀態(tài),再與換向時(shí)序匹配,實(shí)現(xiàn)換向功能。

3.3:隔離功率驅(qū)動(dòng)電路

隔離電路將控制電路與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行有效地隔離,達(dá)到保護(hù)主控電路的目的。驅(qū)動(dòng)電路選用大功率MOSFET和IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110作為前置驅(qū)動(dòng),它內(nèi)置死區(qū)電路,有過(guò)流、欠壓保護(hù)功能,再加上自舉技術(shù)的運(yùn)用,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性。

逆變橋選用美國(guó)fairchild公司IGBT功率管搭建,為三相全控橋。系統(tǒng)設(shè)計(jì)自帶硬件保護(hù)功能,發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流、上下橋臂短路時(shí)自動(dòng)關(guān)閉IR2110輸出,配合軟件保護(hù)使用,提高了系統(tǒng)工作性能。

 

 

圖4 IR2110輸入輸出時(shí)序圖

 

 

圖5 邏輯保護(hù)電路

 

從TMS320C6747輸出的PWM信號(hào)先通過(guò)隔離電路,輸出到IR2110,將電壓提升到15V,從而可以開(kāi)啟IGBT管。PWM信號(hào)具有一定占空比,調(diào)節(jié)占空比可以改變加到電機(jī)上的平均電壓,達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。

3.4.信號(hào)檢測(cè)電路

信號(hào)檢測(cè)電路主要完成電流、速度、偏角三閉環(huán)反饋的檢測(cè),以及過(guò)壓檢測(cè)、舵翼偏轉(zhuǎn)相位檢測(cè)。

3.4.1電流檢測(cè)

系統(tǒng)外擴(kuò)AD數(shù)據(jù)采集芯片ADS7947。ADS7947是一個(gè)雙通道12位ADC,高執(zhí)行,低功耗單通道工作時(shí)最大2MSPS的采樣速率,QFN封裝只有3mm*3mm。電流采樣是通過(guò)直流母線上的取樣電阻R實(shí)現(xiàn)的,如圖3,采樣電壓經(jīng)放大電路放大、隔離、濾波后輸送給ADS7947,采樣頻率設(shè)置為PWM頻率。

電流采樣的關(guān)鍵在于采樣時(shí)刻的選取。直流無(wú)刷電機(jī)采用全橋雙極性驅(qū)動(dòng),每一次只有不同相的上下橋臂兩只功率管同時(shí)導(dǎo)通,開(kāi)關(guān)管在PWM周期“開(kāi)”瞬間,電流上升,不穩(wěn)定,不宜采集,最佳時(shí)刻選取在PWM周期“開(kāi)”中間時(shí)刻,如圖所示,Q1、Q4功率管控制波形與采樣時(shí)刻選取。

圖6電流采集時(shí)刻選取

3.4.2相位檢測(cè)

舵機(jī)舵翼偏轉(zhuǎn)相位的測(cè)量通過(guò)光電編碼器配合DSP的eQEP模塊完成,編碼器輸出A、B兩相互差90°電度角的脈沖信號(hào),可以方便的判別出旋轉(zhuǎn)方向。由前面介紹知道,以往的舵機(jī)控制系統(tǒng)為了達(dá)到相位控制的目的,執(zhí)行電機(jī)將反復(fù)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),需要隨時(shí)的判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,而本系統(tǒng)中的無(wú)刷直流電機(jī)只向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),不僅對(duì)電機(jī)要求變低了,而且降低了算法難度。同時(shí)還有用作參考零位的Z相脈沖信號(hào),碼盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,只產(chǎn)生一個(gè)脈沖,用來(lái)消除積累誤差。利用編碼器可以方便的測(cè)出舵翼的偏轉(zhuǎn)角度與滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)彈體的相對(duì)速度,并且測(cè)量精度高。

4.結(jié)論

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主控單元使用TMS320C6747,所有的軟件實(shí)現(xiàn)都集中在了這款高性能DSP上,不僅僅要完成三閉環(huán)控制算法,還要進(jìn)行與上位機(jī)的通信、轉(zhuǎn)子換向、A/D濾波、故障檢測(cè)等等,任務(wù)非常重,如果在主控單元中引入可編程邏輯器件,輔助DSP完成相應(yīng)的工作量,控制系統(tǒng)將會(huì)更加的完善。

本文提出的設(shè)計(jì)思想,國(guó)內(nèi)領(lǐng)先,能夠達(dá)到降低成本、減輕重量、提高性能的目的,研究成果對(duì)于滾轉(zhuǎn)彈箭的制導(dǎo)控制將產(chǎn)生革命性的改變。

參考文獻(xiàn):

1.TexasInstrumentsInc.TMS320C6745/C6747DSPSystemReferenceGuide.March,2010

2.林忠萬(wàn),符強(qiáng),李玉忍.基于DSP的導(dǎo)彈舵機(jī)控制系統(tǒng)研究.航天控制,2004

3.TexasInstrumentsInc.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設(shè).北京,清華大學(xué)出版社,2007

 

 

 

 

 

 

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