無人機(jī)無刷直流數(shù)字式舵機(jī)控制器設(shè)計
摘要：針對小功率無刷直流電動舵機(jī)，設(shè)計了一種基于c8051F340單片機(jī)和MsK4310專用芯片的無刷直流電機(jī)伺服舵回路控制器。簡述了舵回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案和控制策略。采用該控制器構(gòu)成的直流伺服舵回路具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善的優(yōu)點，仿真和試驗結(jié)果表明其靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；無刷直流舵機(jī)；無刷直流電動機(jī)；伺服控制器；舵回路
1 無人機(jī)無刷直流舵回路構(gòu)成與工作原理無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)一般由飛控計算機(jī)分系統(tǒng)、伺服作動分系統(tǒng)、傳感器分系統(tǒng)等部分組成。伺服作動分系統(tǒng)又被稱為舵回路，由舵機(jī)及其控制器組成，是整個飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它接收指令給定裝置或飛控計算機(jī)給定的指令信號，通過齒輪傳動裝置驅(qū)動飛機(jī)舵面，實現(xiàn)對無人機(jī)的飛行控制，其性能的高低直接影響飛行控制系統(tǒng)的性能。
某型無人機(jī)選用由無刷直流電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、磁電編碼器、電位計傳感器等裝置構(gòu)成的無刷直流舵機(jī)。其數(shù)字式舵機(jī)控制器以c8051F340單片機(jī)、MSK4310為核心芯片，加上外圍電路模塊構(gòu)成。磁電編碼器、電位計分別為舵回路的速度反饋信號、位置反饋信號測量元件，從而構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。舵機(jī)輸出的控制信號帶動無人機(jī)相應(yīng)的舵面，最終實現(xiàn)對無人機(jī)飛行姿態(tài)地控制。數(shù)字式無刷直流舵回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
數(shù)字式無刷直流舵回路的基本工作原理為：
1)飛控計算機(jī)與舵機(jī)控制器通過串口進(jìn)行實時通信；2)位置反饋信號調(diào)理單元對位置反饋信號進(jìn)行濾波、衰減、電平平移等外部電路處理后，再經(jīng)過cPu內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換。cPu根據(jù)位置給定信號和位置反饋信號綜合后形成的誤差信號進(jìn)行控制律的解算，并將控制信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后作為速度給定信號輸出給MsK43lO內(nèi)部誤差放大器的同相輸入端；3)速度反饋信號調(diào)理單元對編碼器輸出的脈沖反饋信號進(jìn)行鑒相、計數(shù)、速度計算，并以PwM信號輸出，PwM信號經(jīng)過濾波后以模擬信號方式輸出給MsK43 lO誤差放大器的反相輸入端；4)由MK43lO芯片內(nèi)部的PwM調(diào)制模塊、驅(qū)動電路、H橋IGErr功率管逆變電路實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的速度、電流雙閉環(huán)控制。其輸出的控制信號通過改變電機(jī)繞組上的電壓大小來控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；
5)經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)輸出的舵面控制信號帶動相應(yīng)舵面，控制舵面運動；6)電機(jī)霍爾輸出信號在MSK,4：310芯片內(nèi)部實現(xiàn)電機(jī)繞組的電子換向控制；7)整個舵機(jī)控制器和舵機(jī)構(gòu)成硬反饋控制系統(tǒng)。
2無刷直流舵回路控制系統(tǒng)設(shè)計
2．1關(guān)鍵器件選取
1)c8051F340控制芯片c8051F340器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCu，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDI)監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在線系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全地控制，可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。
c8051 F340單片機(jī)作為控制器的主控芯片主要進(jìn)行串口通信和速度計算、控制律解算，其主頻和片上資源完全滿足系統(tǒng)需求。
2)MSK,4310控制芯片MSK4310是一款電氣絕緣密封功率集成電路，其驅(qū)動能力為55 V，10 A，具有完整的三相無刷直流電動機(jī)速度控制功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：換向控制電路、柵極驅(qū)動／控制保護(hù)電路、霍爾傳感器電路、限流電路和測速電路等。MSK,4310不需要外部的速度反饋裝置，從而在芯片內(nèi)部實現(xiàn)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。速度反饋信號和速度給定信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的誤差放大器比較后，輸出的信號經(jīng)過脈寬調(diào)制，PWM信號驅(qū)動芯片內(nèi)部的[GBT功率管導(dǎo)通或截止，從而達(dá)到通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)電機(jī)繞組電壓，實現(xiàn)對BLDCM的速度控制。
2．2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
數(shù)字式舵機(jī)控制器硬件由c8051F340及其外圍電路、MSK4310系統(tǒng)電路、反饋信號采樣電路、串口通信電路等組成，如圖2所示。
1)cPu及外圍電路設(shè)計單片機(jī)c805lF340最小系統(tǒng)的功能要求為：(1)與飛控計算機(jī)通過串口實時通信；(2)對位置反饋、速度反饋信號進(jìn)行調(diào)理；(3)實時解算控制律并輸出控制信號；(4)實現(xiàn)整個舵回路的閉環(huán)控制。
2)MSK4310雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計MSK4310雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能為：(1)利用霍爾元件輸出的反饋信號實現(xiàn)電機(jī)繞組的換相控制；(2)片內(nèi)實現(xiàn)電機(jī)的電流、速度雙閉環(huán)控制；(3)內(nèi)部實現(xiàn)PWM信號調(diào)制，PwM信號驅(qū)動H橋IGBT功率逆變電路，通過改變PwM信號的占空比來改變IGBT功率管的電壓，從而改變電機(jī)電樞繞組電壓，經(jīng)過控制逆變電路上下兩側(cè)功率管的導(dǎo)通或截止，直接對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；(4)對電機(jī)進(jìn)行限流保護(hù)等。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
3)信號調(diào)理系統(tǒng)設(shè)計信號調(diào)理模塊對無刷直流舵機(jī)經(jīng)過傳感器輸出的位置、速度反饋信號進(jìn)行處理，以便于單片機(jī)能夠全部采用數(shù)字信號計算，并解算控制律；同時將單片機(jī)輸出的控制信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以滿足MSK4310誤差放大器的輸入信號要求。
無刷直流舵回路采用電位計作為舵機(jī)位置反饋信號傳感器，磁電編碼器作為舵機(jī)速度反饋信號傳感器。由于不同回路反饋信號形式、調(diào)理原理不同，下面分別對位置反饋信號、速度反饋信號的調(diào)理進(jìn)行闡述。
(1)位置反饋信號調(diào)理單元設(shè)計電位計輸出直流電壓信號范圍為一15 V～+15 V。而舵機(jī)控制器Mcu的AD(：外部引腳的模擬量輸入范圍為O v一+3 v，因此，需要對電壓信號進(jìn)行幅值變換和電平平移，以滿足芯片對輸入信號的要求。此外，在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，還應(yīng)對信號進(jìn)行濾波處理，以去除高頻干擾信號對采樣造成的影響。設(shè)計中采用典型的二階巴特沃什有源低通濾波電路實現(xiàn)信號濾波。幅值調(diào)整的原理是在運放的輸入端采用加法電路，將不符合要求的信號與一個基準(zhǔn)電壓比例相加，得到合適的采樣電壓范圍。
由于c8051F340片內(nèi)沒有集成DAc，設(shè)計中采用fWM信號來實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。PWM信號經(jīng)過一階Rc低通濾波電路實現(xiàn)對PwM信號的解調(diào)、濾波，這樣可以使得硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。
(2)速度反饋信號調(diào)理單元設(shè)計磁電編碼器輸出的數(shù)字式脈沖信號為舵機(jī)控制器的速度反饋信號，與霍爾脈沖信號相比，500線磁電編碼器在電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈將產(chǎn)生500個脈沖信號，而霍爾元件只產(chǎn)生6個脈沖信號，這在電機(jī)低速運動時不能反應(yīng)電機(jī)實際的運動情形。
要使脈沖信號轉(zhuǎn)換為速度信號，就要對脈沖信號進(jìn)行處理。該功能模塊可實現(xiàn)下列功能：
a．對輸出脈沖信號鑒相、計數(shù)；b．速度計算；c．速度反饋信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。
系統(tǒng)設(shè)計中編碼器輸出的脈沖信號的鑒相、計數(shù)采用硬件電路實現(xiàn)，既滿足系統(tǒng)實時性要求，也節(jié)約成本，并且其硬件電路簡單。鑒相、計數(shù)主要由D觸發(fā)器和單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)器構(gòu)成，用單片機(jī)的定時／計數(shù)器T0實現(xiàn)對A相脈沖個數(shù)的計數(shù)，通過單片機(jī)外部中斷號實現(xiàn)鑒相。
電機(jī)速度計算方法通常有三種：M法、T法、M／T法。M法適用于電機(jī)高速運行，T法與M法恰好相反，而M／T法是M法和T法的綜合，既適用于電機(jī)高速，又適用于低速運行。因此采用M／T法對速度反饋信號進(jìn)行計算。其計算公式為：n號的頻率，Ⅳ為編碼器的分辨率，M2、M1分別為高頻時鐘脈沖信號和編碼器輸出的脈沖信號個數(shù))。
速度反饋信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用與位置反饋信號相同的處理方式進(jìn)行處理。
3系統(tǒng)仿真與測試
在Matlab,／Simt·link下進(jìn)行系統(tǒng)仿真。電流、速度環(huán)均采用PI控制，位置環(huán)采用P控制。其優(yōu)點是不僅可以提高伺服系統(tǒng)的快速性，還可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而更好地滿足控制系統(tǒng)的性能要求。電機(jī)參數(shù)為：額定電壓u=24 V，空載轉(zhuǎn)速n。=8 030 r／min，定子相繞組電阻Ra=1．35 Ω，電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量J=85 g·cm。，定子相電感Ld=O．34 mH，轉(zhuǎn)矩常數(shù)Km=28 mN·m／A，減速器的減速比N=400。仿真考慮到實際系統(tǒng)中電機(jī)運行情況，根據(jù)電機(jī)參數(shù)對每個控制器的輸出增加了飽和輸出環(huán)節(jié)，并在速度環(huán)中增加了延遲環(huán)節(jié)。
給定幅值為5。、周期為0．5 s的控制信號，伺服控制系統(tǒng)的仿真輸出曲線如圖4所示。
從圖4可以看出，所設(shè)計的舵機(jī)伺服系統(tǒng)在給定輸入下有很快的響應(yīng)速度和很強(qiáng)的位置跟蹤能力；系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為O．07 s，無超調(diào)、無靜差。
通過在實驗室對舵回路系統(tǒng)進(jìn)行實際調(diào)試，可得空載時實驗曲線如圖5所示。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表明所設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)基本無超調(diào)、無靜態(tài)誤差，響應(yīng)速度快，位置跟蹤能力好，具有很好的動態(tài)和靜態(tài)特性，滿足設(shè)計要求。
4結(jié)論
基于C8051F340單片機(jī)和MSK4310控制器設(shè)計的數(shù)字式無刷直流舵機(jī)控制器具有體積小、靈活性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點。系統(tǒng)仿真和測試結(jié)果表明，舵機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)特性，既保證了系統(tǒng)的快速性，也保證了系統(tǒng)的跟蹤精度，具有一定的實用價值。
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作者簡介：魏林(1975)，男，碩士研究生，從事舵機(jī)控制系統(tǒng)研究。
陳欣(1958一)，男，研究員，從事飛行控制系統(tǒng)研究和開發(fā)工作。
呂迅站(1974一)，女，助理研究員，從事飛行控制系統(tǒng)研究和開發(fā)工作。
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