摘要：針對現(xiàn)代滾轉彈箭武器的發(fā)展趨勢，分析了傳統(tǒng)舵機的控制弊端，提出一種新型舵機控制思想—反旋穩(wěn)定舵機控制，選用無刷直流電機作為伺服電機，設計了一套基于DSP的控制系統(tǒng)。文章選用數(shù)字信號處理器（TMS320C6747）作為系統(tǒng)的主控芯片，采用三閉環(huán)控制技術，實現(xiàn)系統(tǒng)的全數(shù)字控制，文中詳細介紹了系統(tǒng)控制原理及硬件設計實現(xiàn)。

關鍵詞：TMS320C6747，電動舵機，無刷直流電機，伺服控制

引言：

自從導彈武器系統(tǒng)出現(xiàn)后，伺服執(zhí)行機構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，精確打擊技術已從航空航天領域、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)轉化和延伸。由于身管發(fā)射武器所具有的高過載、高轉速、小尺度、低成本等特殊要求，也為制導彈箭伺服執(zhí)行機構提出了近乎苛刻的要求。

傳統(tǒng)的火箭與導彈都是采用液壓舵機或者氣動舵機伺服系統(tǒng)，具有動態(tài)特性好、輸出精度高、輸出功率大等特點，但同樣也存在結構復雜、加工精度高、體積重量大、價格昂貴、技術難度大等缺點。電動舵機以其簡單可靠，能源單一，維護方便，成本低廉，易于控制等優(yōu)點得到人們的廣泛關注，并在滾轉彈箭上得到廣泛應用。隨著稀土永磁無刷伺服電機技術、大功率驅動電路技術、先進控制策略技術等的出現(xiàn)，電動舵機技術得到了進一步的發(fā)展[2]。

常規(guī)電動舵機利用減速裝置，將電機的高速旋轉運動轉換為舵翼繞舵軸的偏轉運動。當舵翼繞舵軸需要從正偏變?yōu)樨撈姍C將經歷：高速正向轉動→急減速→零轉速→高速反向轉動→急減速的過程，不僅對系統(tǒng)的設計要求高，體積大，成本高，結構復雜也是主要的弊端。為此本文提出一種新型舵機控制思路和方案，即：反旋穩(wěn)定舵機控制。

1.反旋穩(wěn)定舵機控制原理

反旋穩(wěn)定舵機是指全系統(tǒng)僅有一個反向旋轉（相對于彈體的滾轉方向）的伺服執(zhí)行電機構成，通過控制電機相對于彈體的速度，實現(xiàn)彈體姿態(tài)調整。常規(guī)舵機的舵翼與彈軸是固連在一起的，這里摒棄了復雜的齒輪或連桿結構，將電機直接與穩(wěn)定平臺連接，通過反向旋轉抵消彈體繞彈軸的旋轉運動，使得該穩(wěn)定平臺在慣性坐標下保持沿彈體縱軸的穩(wěn)定；舵翼是安裝在該穩(wěn)定平臺上的，這樣與彈體實現(xiàn)了有效隔離，舵翼偏角維持不變。當彈載計算機發(fā)出控制指令后，利用彈體與穩(wěn)定平臺的速度差控制舵翼偏轉到指定相位，并維持穩(wěn)定，產生連續(xù)穩(wěn)定的控制力矩，使得彈體的姿態(tài)可控，達到伺服的目的。

圖1工作原理簡圖

2.控制系統(tǒng)總體方案設計

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

彈載計算機通過串口，先將彈體的滾轉速度傳給DSP，與反饋速度值比較產生一定脈寬占空比的PWM信號控制電機旋轉，使穩(wěn)定平臺保持在慣性坐標下沿彈體縱軸穩(wěn)定。當需要調節(jié)彈體姿態(tài)的時候，彈載計算機通過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，調用控制算法控制舵翼發(fā)生偏轉，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)硬件設計

反旋舵機控制系統(tǒng)由DSP主控電路、串口通信電路、功率驅動電路、信號檢測電路、保護電路等組成。

圖3主要硬件設計原理圖

3.1：主控電路

主控芯片選用美國德州儀器公司生產的TMS320C6747，它是一款新型32位浮點DSP芯片，主頻300MHz，片內集成eHRPWM、eCAP、eQEP模塊，配合編碼器使用，以最少的外圍電路對電機進行控制，非常適用于工業(yè)控制領域[1]。

C6747主要的工作量有：雙閉環(huán)控制算法，實現(xiàn)速度的控制、三閉環(huán)控制，實現(xiàn)相位的控制、故障保護。C6747接收到彈載計算機發(fā)出的控制指令后，通過與反饋信號值比較，經過控制器算法處理后，輸出占空比可調的PWM波，通過控制功率管的導通時間實現(xiàn)無刷直流電機速度調節(jié)。C6747片上沒有A/D模塊，通過外加ADC,采集主電路的電流、電壓，在發(fā)生過壓、過流時，能夠及時的通過軟件關閉PWM波輸出，保護功率管與電機。

3.2：轉子位置檢測及換向實現(xiàn)

為了得到恒定轉矩，需要對電機換向。轉子位置信號檢測是通過安裝在定子上的三個霍爾傳感器完成的。每個傳感器輸出脈寬180°電角度信號，三個霍爾傳感器輸出互差120°相位，在一個電周期內產生六個上升、下降沿，通過DSP的eCAP進行捕獲得到六個換向時刻。

只知道換向時刻還是不夠的，還應該查詢該換哪一相，通過DSP管腳復用寄存器將eCAP捕獲功能配置為I/O功能，讀取三路霍爾信號的電平狀態(tài)，再與換向時序匹配，實現(xiàn)換向功能。

3.3：隔離功率驅動電路

隔離電路將控制電路與驅動電路進行有效地隔離，達到保護主控電路的目的。驅動電路選用大功率MOSFET和IGBT專用集成驅動芯片IR2110作為前置驅動，它內置死區(qū)電路，有過流、欠壓保護功能，再加上自舉技術的運用，簡化了電路設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。

逆變橋選用美國fairchild公司IGBT功率管搭建,為三相全控橋。系統(tǒng)設計自帶硬件保護功能，發(fā)生過壓、過流、上下橋臂短路時自動關閉IR2110輸出，配合軟件保護使用，提高了系統(tǒng)工作性能。

從TMS320C6747輸出的PWM信號先通過隔離電路，輸出到IR2110，將電壓提升到15V，從而可以開啟IGBT管。PWM信號具有一定占空比，調節(jié)占空比可以改變加到電機上的平均電壓，達到調節(jié)電機速度的目的。

3.4.信號檢測電路

信號檢測電路主要完成電流、速度、偏角三閉環(huán)反饋的檢測，以及過壓檢測、舵翼偏轉相位檢測。

3.4.1電流檢測

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

電流采樣的關鍵在于采樣時刻的選取。直流無刷電機采用全橋雙極性驅動，每一次只有不同相的上下橋臂兩只功率管同時導通，開關管在PWM周期“開”瞬間，電流上升，不穩(wěn)定，不宜采集，最佳時刻選取在PWM周期“開”中間時刻，如圖所示，Q1、Q4功率管控制波形與采樣時刻選取。

圖6電流采集時刻選取

3.4.2相位檢測

舵機舵翼偏轉相位的測量通過光電編碼器配合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，可以方便的判別出旋轉方向。由前面介紹知道，以往的舵機控制系統(tǒng)為了達到相位控制的目的，執(zhí)行電機將反復的正轉與反轉，需要隨時的判斷電機的轉動方向，而本系統(tǒng)中的無刷直流電機只向一個方向旋轉，不僅對電機要求變低了，而且降低了算法難度。同時還有用作參考零位的Z相脈沖信號，碼盤每轉動一周，只產生一個脈沖，用來消除積累誤差。利用編碼器可以方便的測出舵翼的偏轉角度與滾轉穩(wěn)定平臺對彈體的相對速度，并且測量精度高。

4.結論

該系統(tǒng)的設計主控單元使用TMS320C6747，所有的軟件實現(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，還要進行與上位機的通信、轉子換向、A/D濾波、故障檢測等等，任務非常重，如果在主控單元中引入可編程邏輯器件，輔助DSP完成相應的工作量，控制系統(tǒng)將會更加的完善。

本文提出的設計思想，國內領先，能夠達到降低成本、減輕重量、提高性能的目的，研究成果對于滾轉彈箭的制導控制將產生革命性的改變。

參考文獻：

1.TexasInstrumentsInc.TMS320C6745/C6747DSPSystemReferenceGuide.March,2010

2.林忠萬,符強,李玉忍.基于DSP的導彈舵機控制系統(tǒng)研究.航天控制,2004

3.TexasInstrumentsInc.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設.北京，清華大學出版社，2007