1 引言

目前，艦載直升機助降系統(tǒng)大多為魚叉-格柵著艦助降系統(tǒng)，主要由固定在直升機上的魚叉和固定在艦船上的格柵組成。其中，魚叉是助降系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置，其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電驅(qū)動三種方式。國內(nèi)常見的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，該驅(qū)動方式需配備液壓輔助系統(tǒng)導(dǎo)致助降系統(tǒng)重量較重，并且油液易污染、泄露使維護保養(yǎng)較為復(fù)雜。氣動驅(qū)動也需配備氣動輔助系統(tǒng)導(dǎo)致助降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且重量較重。電驅(qū)動方式不需要額外的輔助設(shè)備，只需要一臺交流伺服驅(qū)動器即可完成助降系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，而且重量較輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護保養(yǎng)方便。電動魚叉交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知電動魚叉驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動器、伺服電機、電動魚叉和直流電源組成。其中，驅(qū)動器是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要完成接收飛控計算機的指令、驅(qū)動伺服電機完成著艦鎖定和起飛解鎖動作，并反饋系統(tǒng)工作狀態(tài)的功能。一些文獻雖涉及到了電動魚叉詳細結(jié)構(gòu)，但是對其伺服驅(qū)動系統(tǒng)并未做深入論述。本文將以永磁同步交流伺服電機為控制對象，采用空間矢量控制方法，進行伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，以滿足驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、操作方便、性能可靠的設(shè)計要求。

電動魚叉交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的具體功能要求如下：

1)位置環(huán)工作模式下實現(xiàn)著艦鎖定（2s內(nèi)完成）和起飛解鎖（1.5s內(nèi)完成）功能；

2)2路RS-422隔離通訊，1路RS-485隔離通訊；

3)微動開關(guān)1、微動開關(guān)2、測試使能信號輸入處理功能；

4)電機制動器和電磁鐵控制功能；

5)對關(guān)鍵部件的狀態(tài)進行監(jiān)控并實時反饋狀態(tài)信號；

6)具備自動控制模式、人機對話模式和測試模式三種工作模式；

7)計數(shù)與故障報警功能；

8)過壓、欠壓、過流、過載、IGBT過熱、通訊故障和旋變故障保護功能。

圖1 電動魚叉驅(qū)動系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上述電動魚叉伺服驅(qū)動系統(tǒng)的功能要求，首先設(shè)計系統(tǒng)框架圖，如圖3所示?？紤]到伺服電機由高轉(zhuǎn)速到零速的快速減速過程會導(dǎo)致母線電壓上升，為此選擇合適的泄放電阻對多余的電壓進行泄放。由于伺服電機工作時最高轉(zhuǎn)速可達10000r/min，如果此時驅(qū)動器發(fā)生故障導(dǎo)致關(guān)使能停機，電動魚叉由于慣性不能馬上停止運動，最終會造成機械結(jié)構(gòu)損壞的嚴重后果。即使在關(guān)使能時讓電機制動器動動作也會因為延時導(dǎo)致無法及時鎖住電機。因此需要增加動態(tài)制動器回路讓電機在故障發(fā)生時能快速停止轉(zhuǎn)動。由圖3可知硬件部分主要由主控板和電源板組成。主控板主要由主控電路模塊、電源管理模塊、功率驅(qū)動模塊、電流采樣模塊、電壓采樣模塊、旋變采樣模塊、泄放模塊、制動器控制模塊、通訊模塊和硬件保護模塊等組成。電源板主要功能是將輸入的28VDC經(jīng)升壓電路轉(zhuǎn)換成270VDC以供母線使用。

　　圖2 電動魚叉交流伺服驅(qū)動器實物圖

　　圖3 系統(tǒng)框架圖

根據(jù)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計圖4所示的主控板框架圖。按照圖4所示的主控板內(nèi)部框架圖依次對主控電路模塊、電源管理模塊、功率驅(qū)動模塊、電流采樣模塊、旋變采樣模塊、泄放和制動器控制模塊、通訊模塊等主要模塊分別進行介紹。

2.1主控電路

伺服控制器在工業(yè)上使用時常采用DSP+FPGA/CPLD的控制器架構(gòu)，兩者各取所長。DSP用于完成復(fù)雜的運算，F(xiàn)PGA/CPLD用于處理輸入輸出接口、編碼器計數(shù)、PWM生成、硬件保護等邏輯處理單元。在本設(shè)計中，需要考慮功能和體積重量兩方面的因素，因此DSP+FPGA/CPLD的方案顯然過于復(fù)雜。

在綜合考慮了系統(tǒng)運算速度、驅(qū)動器重量和成本后，本系統(tǒng)采用TI的DSP芯片TMS320F28335作為主控芯片。TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，與以往的定點DSP相比，該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲容量大、AD轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點。在電機控制接口方面，TMS320F28335包含多達18通道的PWM輸出、6個捕捉單元、2個正交脈沖編碼電路。在通信方面，集成了2個增強型的Ecan2.0B模塊，包含多達3個SCI模塊、2個McBSP模塊、1個SPI模塊、1個I2C總線接口。在模擬量采樣方面，集成了16通道12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。在內(nèi)存方面，片上有68Kb的SARAM程序運行空間和512KbFlash程序存儲空間。這些條件可以滿足永磁同步電機的矢量控制功能。更重要的是采用PQFP176封裝的芯片僅有26.2×26.2×1.45mm的大小。

　　圖4主控板內(nèi)部框架圖

根據(jù)圖4和系統(tǒng)功能要求設(shè)計了圖5所示的主控電路原理圖。圖5中所示的6路PWM輸出采用互補型EPWM并加入死區(qū)時間。3個SCI模塊全部利用了，分別對應(yīng)與飛控計算機之間的RS-422通訊，與健康管理系統(tǒng)之間的RS-422通訊，與調(diào)試上位機之間的RS-485通訊。為了方便系統(tǒng)性能調(diào)試以及后續(xù)測試，特增加了2路模擬量輸出接口。

2.2電源管理

因電動魚叉交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)是安裝在無人機上的，飛機上對系統(tǒng)的供電只提供28V大功率直流電源。28V直流電進入到驅(qū)動器后要分成兩路，一路給到主控板經(jīng)過DC-DC變換和LDO變換轉(zhuǎn)換為+15V、+5V、+3.3V、+3V、+1.9V、+1.5V等電壓以供主控板后級電路使用，另一路給到電源板經(jīng)過升壓電路轉(zhuǎn)換為270V直流電以供主控板直流母線使用。

2.3功率驅(qū)動電路

功率驅(qū)動模塊是電機驅(qū)動的核心設(shè)計模塊。目前，功率驅(qū)動模塊的設(shè)計方案主要有三種。方案一：采用IGBT驅(qū)動型光耦來驅(qū)動IGBT或者MOS管以達到隔離和功率驅(qū)動的目的，這類光耦的典型代表有A316J、A3120等光耦。方案二：采用雙通道高速光耦和專用的驅(qū)動芯片驅(qū)動IGBT或者MOS管以達到隔離和功率驅(qū)動的目的，例如：TLP2105+IR2011方案。方案三：采用雙通道高速光耦和內(nèi)部集成驅(qū)動電路與IGBT的IPM以達到隔離與功率驅(qū)動的目的。三種方案各有優(yōu)缺點，在選擇方案時要考慮驅(qū)動器最大電流15A、過流閾值為22.5A、PWM頻率20KHz、母線供電電壓270VDC（210VDC~330VDC）等因素的限制?？紤]到主控板空間的限制選擇了三菱公司生產(chǎn)的IPM模塊——PS21767-V，該模塊最大持續(xù)電流達到30A，峰值電流達到60A，最大供電電壓450VDC，PWM輸入最高頻率可到20KHz，完全滿足設(shè)計的要求，并且因為是集成式模塊為主控板節(jié)省了空間。

　　圖5主控電路原理圖

因IPM模塊是高電平有效，為了防止在上電瞬間出現(xiàn)上下橋臂誤導(dǎo)通損壞IPM的情況，需要選擇一款輸出邏輯反向的高速雙通道光耦，而HCPL-063A剛好滿足這一要求。NL27WZ16是一款高性能雙緩沖器，采用1.65至5.5V電源供電。最后得到的驅(qū)動電路原理圖如圖7所示，另外兩組驅(qū)動電路原理與圖7相似。

2.4電流采樣設(shè)計

在緊湊結(jié)構(gòu)的伺服驅(qū)動器中，采用在每相下橋臂到地之間串聯(lián)一個采樣電阻的方式實現(xiàn)電流采樣。將采樣電阻到地的壓降通過一個精密運放放大，并添加一定的偏置使采樣電壓調(diào)整到單片機ADC輸入合適的電壓工作范圍。這種電流采樣方式可行，但是增加了采樣電阻和精密運放等元器件，反而使電路變得復(fù)雜。目前，霍爾電流傳感器芯片因其集成度高、抗干擾性好、精度高和線性度好等優(yōu)點已經(jīng)廣泛應(yīng)用在變頻器、伺服驅(qū)動器等產(chǎn)品中。電動魚叉交流伺服驅(qū)動器的額定電流7.5A，最大電流15A，過流閾值按1.5倍最大電流計算就是22.5A，因此需要選擇電流測量范圍在-30A~+30A之間的霍爾電流傳感器。Allegro公司生產(chǎn)的ACS712系列霍爾電流傳感器芯片具有響應(yīng)時間短至3.5us、非線性度低至1.5%、噪聲低、測量范圍廣和帶寬可調(diào)整等優(yōu)點。其中ACS712ELCTR-30A-T這款產(chǎn)品電流測量范圍-30A~+30A之間，而且該芯片是SOIC-8封裝，極大地節(jié)省空間。綜合以上分析所得的電流采樣原理圖如圖8所示。

2.5旋變激磁反饋設(shè)計

旋變激磁反饋模塊是驅(qū)動器內(nèi)部十分重要的一個模塊，通過對反饋回來的正余弦信號進行數(shù)字鎖相環(huán)解碼，為位置環(huán)提供位置反饋信息，為速度環(huán)提供速度反饋信息，為電流環(huán)提供電角度信息。旋變反饋信號采樣穩(wěn)定性和采樣精度決定了三環(huán)控制精度。

旋轉(zhuǎn)變壓器的額定激勵電壓為4±0.4Vrms，額定激勵頻率為10±0.1KHz，額定輸出電壓2±0.2Vrms，激勵信號輸入阻抗≥400Ω。根據(jù)已知的旋變參數(shù)選擇TI公司的高速、低功耗雙路運算放大器LMH6643MA來進行激磁電路的設(shè)計，具體電路圖如圖9所示。圖9中的三極管BG501的作用是為了進一步提高旋變激磁電路的輸出能力。旋變反饋的正余弦信號是一種差分信號，提高了抗干擾的能力，但是DSP的AD采樣口只有單輸入通道，因此本方案采用運放將差分信號轉(zhuǎn)換成單通道信號，輸入到DSP的AD采樣口。

　　圖6主控板電源轉(zhuǎn)換框圖

　　圖7驅(qū)動電路原理圖

　　圖8電流采樣原理圖

2.6泄放和制動器控制設(shè)計

電動魚叉的運動控制是往復(fù)式的，在短時間內(nèi)經(jīng)歷多次啟停過程，在制動過程中電機處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的反向電動勢會抬高母線電壓。如果不對其進行處理，過高的電壓會對電路產(chǎn)生沖擊，甚至擊穿一些耐壓較低的元器件，同時由于電源電壓的波動使得計算電壓矢量偏大，會對控制產(chǎn)生較大的擾動。對這個問題，最常見最有效的處理方式是通過軟件或者硬件的方式檢測到母線電壓高于泄放點電壓時就開始泄放，當電壓低于泄放點電壓減去回差后的電壓值時就停止泄放。由圖10可知正常情況下MOS管MOS601關(guān)閉，母線上的電壓無法通過泄放電阻進行泄放，當檢測到母線電壓高于設(shè)定值時，DSP發(fā)出控制信號使光耦G601導(dǎo)通，從而導(dǎo)通MOS管MOS601將大功率電阻直接加在母線電壓兩端以達到消耗多余能量的目的。

圖10中所示的電機制動器控制電路工作原理與泄放控制原理類似，當需要電機正常工作時，DSP發(fā)出控制信號使光耦G603導(dǎo)通，從而導(dǎo)通MOS管MOS602使電機制動器得電解鎖；當驅(qū)動器發(fā)生故障或者其他不需要電機工作時，DSP發(fā)出控制信號使光耦G603不導(dǎo)通，從而MOS管MOS602不導(dǎo)通使電機制動器失電鎖緊電機。因為要對電機制動器的電流進行監(jiān)測，所以增加了一個霍爾電流傳感器芯片ACS712ELCTR-20A-T對流過制動器的電流進行檢測。

2.7通訊電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)通訊要求，需要設(shè)計兩路RS-422通訊電路和一路RS-485通訊電路。RS-422是全雙工通訊方式，RS-485是半雙工通訊方式，目前兼容這兩種通訊方式的芯片種類很多，有非隔離與隔離之分?？紤]到飛控計算機與驅(qū)動器之間的通訊線比較長，易受外界電磁干擾，故RS-422通訊應(yīng)選擇隔離類的通訊芯片。RS-485通訊是系統(tǒng)調(diào)試過程中驅(qū)動器與電腦端調(diào)試軟件之間的通訊，整個通訊線比較短，其干擾相對較小可以采用非隔離類的通訊芯片。

Analog Devices公司生產(chǎn)的通訊芯片ADM2582的隔離電壓達到2500Vrms，具有±15KV的ESD防護能力，傳輸速率最高可到16Mbps，極低的數(shù)據(jù)傳輸延時，完全滿足設(shè)計要求。選用NUP2105LT1G雙向瞬態(tài)電壓抑制器來解決工作在速度環(huán)模式以100r/min的速度反轉(zhuǎn)直到堵轉(zhuǎn)電流A、B、Y、Z線路上可能存在的瞬時高壓對元器件造成損壞的問題。RS-485通訊選用SN65LBC184DR這款非隔離芯片來實現(xiàn)，（見圖11）。

　　圖9旋變激磁與反饋原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了實現(xiàn)伺服驅(qū)動器代碼的模塊化、高內(nèi)聚、低耦合和高時性的功能，將代碼進行模塊分層劃分，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。

芯片抽象層（Chip Hardware AbstractLayer）是對一個微控制器的外設(shè)寄存器的一級抽象，被認為是來自廠商對于內(nèi)核開發(fā)包裝外設(shè)的總體。例如，本文采用的是TI的TMS320F28335，其所有外設(shè)寄存器與中斷的總和描述即為一層芯片抽象層，常以開發(fā)手冊形式描述每個寄存器的功能。

板級抽象層（Board Hardware AbstractLayer）建立在芯片抽象層之上，是對特定外設(shè)的一級抽象描述，包括了該外設(shè)的初始化函數(shù)，過程處理函數(shù)，外設(shè)使能禁止函數(shù)等，是該外設(shè)對于寄存器層面到函數(shù)層面的一級抽象，向上提供外設(shè)的接口函數(shù)，實現(xiàn)寄存器對于上層應(yīng)用封裝。該模塊包含了所有應(yīng)用的到的外設(shè)提供接口函數(shù)，例如：系統(tǒng)時鐘初始化、GPIO口初始化、ADC初始化、EPWM初始化、SCI串口初始化，以及外設(shè)的處理函數(shù)。這樣處理就將應(yīng)用層程序與底層寄存器之間分離開來，在進行不同硬件平臺之間的程序移植時只需修改底層接口函數(shù)，而不用修改應(yīng)用層程序。

工程數(shù)據(jù)集包含了內(nèi)部參數(shù)數(shù)據(jù)、旋變反饋解碼數(shù)據(jù)、PID控制數(shù)據(jù)、矢量控制數(shù)據(jù)、三環(huán)控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)、故障代碼數(shù)據(jù)、輸入輸出數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)類型主要采用結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體和枚舉等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來定義，盡量減少了全局變量的使用。應(yīng)用層函數(shù)在調(diào)用這些數(shù)據(jù)時主要通過指針進行實參的傳遞。這樣減少了函數(shù)與函數(shù)之間的耦合度，使程序的模塊化設(shè)計進行得更加徹底。

系統(tǒng)的重要功能需求是著艦鎖定和著艦鎖定解除功能。這兩個功能對應(yīng)程序流程圖分別如圖13、圖14所示。根據(jù)程序流程圖編寫程序時，把著艦鎖定和著艦鎖定解除分別寫成兩個不同的功能函數(shù)。在程序中還增加了安全保護代碼，一旦發(fā)現(xiàn)給定位置與當前位置差值絕對值大于電動魚叉最大行程240mm時，相應(yīng)指令的動作不會執(zhí)行。

伺服驅(qū)動器工作在位置環(huán)模式下，電動魚叉工作的零位非常重要，而旋變不同于絕對值編碼器在每次重新上電后會以新的位置為零位，所以在系統(tǒng)掉電后要把當前位置保存在EEPROM中，在下次上電時從EEPROM中讀取該值作為魚叉所在的位置。在系統(tǒng)首次調(diào)試時，必須要進行一次回零位操作，當伺服驅(qū)動器接收到回零指令時，驅(qū)動器驅(qū)動電機工作在速度環(huán)模式以100r/min的速度反轉(zhuǎn)直到堵轉(zhuǎn)電流達到1.5A時再切換到位置環(huán)模式正轉(zhuǎn)使電動魚叉前進4mm，并記錄該位置為電動魚叉工作的零位。

圖10 泄放和制動器控制原理圖

圖11 RS-422通訊電路原理圖

圖12 伺服驅(qū)動代碼結(jié)構(gòu)圖

在完成伺服驅(qū)動軟件代碼的編寫、調(diào)試后通過SVN版本管理工具及時把代碼上傳到公司服務(wù)器上，在上傳前應(yīng)簡要說明軟件實現(xiàn)功能。如果下次對軟件有更改，則在更改并調(diào)試完成后需要再次上傳代碼（只上傳修改了代碼文件），并簡要說明修改了的地方。使用SVN的好處在于軟件代碼的每個版本在服務(wù)器端都有記錄可供查詢，并可以十分方便地比較兩個版本代碼之間的差異。

4 測試結(jié)果及結(jié)論

在樣機制作出來后開始進行軟件和硬件間的聯(lián)合測試工作。首先，是在不帶魚叉負載情況下，對電機控制性能進行測試，主要利用示波器觀察電流環(huán)模式下Q軸電流的階躍響應(yīng)，并調(diào)整電流環(huán)的PI參數(shù)至合適值，在速度環(huán)模式下速度的階躍響應(yīng)，并調(diào)整速度環(huán)的PI參數(shù)至合適值，然后在位置環(huán)模式下調(diào)整位置環(huán)比例系數(shù)P、位置環(huán)前饋系數(shù)和前饋平滑系數(shù)至合適值，通過示波器觀測到的波形如圖15所示。圖15中所示的通道1測試的是實際速度值，通道2測試的是反饋的位置值，從中可以看出初始位置和最終位置的一致性，沒有較大的位置誤差。

圖13著艦鎖定程序流程圖

圖14著艦鎖定解除程序流程圖

圖15空載測試時位置、速度波形

其次，是在帶魚叉負載的情況下完成系統(tǒng)回零位測試、旋變位置掉電保存測試、最高速度限制模式下的定位精度測試、自動控制模式測試、手動控制模式測試和測試使能模式下測試，具體的測試波形如圖16、圖17所示。圖16、圖17中通道1測試的是Q軸電流，通道2測試的是反饋速度，其中圖16反應(yīng)的是一個完整的著艦鎖定和著艦鎖定解除動作時Q軸電流和速度波形。圖17反應(yīng)的是在最高轉(zhuǎn)速達10000r/min情形下進行滿行程往復(fù)運動時的Q軸電流和速度波形。從圖16和圖17的波形中可以看出Q軸電流和速度沒有太大的波動，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

圖16鎖定和解鎖過程中Q軸電流和速度波形

圖17往復(fù)運動時的Q軸電流和速度波形圖

最后，進行加載測試，從2000N負載開始，每次增加1000N負載，直至10000N負載。在加載測試過程中，驅(qū)動器能平穩(wěn)將負載拉起來，沒有出現(xiàn)異常情況。整個測試結(jié)果表明系統(tǒng)運行平穩(wěn)、定位準確，滿足功能和性能要求。

5 結(jié)語

整個系統(tǒng)利用主控芯片TMS320F28335與智能功率模塊PS21767-V實現(xiàn)對交流永磁同步伺服電機的控制。在RS-422通訊的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了電動魚叉的自動控制、手動控制和測試模式控制功能，并通過一系列測試驗證了系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠。通過以上控制方法研究，為其他設(shè)計人員提供一定的參考和借鑒。