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摘要：针对某型空空导弹设计了基于DSP控制的数字伺服控制系统，介绍了系统的组成原理、硬件设计方案和控制算法等。与模拟控制系统相比，该控制系统具有修改参数方便、控制精度高、抗干扰能力强等优点。试验结果表明，该系统具有良好的静态和动态特性。
关键词：数字伺服控制系统；无刷直流电动机；DSP
中图分类号：TJ765 文献标识码：A 文章编号：1673—5048（2013）03—0018—03
0 引言
伺服控制系是空空导弹不可缺少的关键组成部分，其性能直接决定着导弹飞行过程的动态品质。传统的模拟伺服控制系统控制参数需要通过更改硬件进行调整，调试繁琐且很难实现复杂的控制算法。抗干扰能力弱，而数字控制系统抗干扰能力强，参数调整可通过软件完成。这样可在较短的时间内调试出性能优良的系统。本文介绍了一种基于TI公司TMS320F2812 DSP的数字伺服控制系统。
1 系统功能及硬件设计
导弹伺服控制系统将来自飞控系统的舵控信号，经过变换和功率放大，克服气动铰链力矩和弯曲力矩。驱动伺服电动机带动空气舵以一定角速度偏转，形成与控制信号成比例的舵偏角，改变弹体的飞行姿态，从而控制导弹的飞行轨迹。
空空导弹数字伺服控制系统由控制电路、反馈信号采样电路、功率驱动电路、功率逆变电路、串行通信接口电路及控制软件组成，伺服电机采用无刷直流电机。系统组成框图如图1所示。
1.1 控制电路
为了实现伺服控制系统的动、静态技术指标，同时协调四通道舵机工作和实时数据处理。控制系统需要实时处理大量数据，这里选用TI公司专为电机控制设计的高性能DSP TMS320F2812作为CPU，TMS320F2812 DSP的设计基于增强的哈佛结构，三级流水线操作，指令执行速度大幅提高，最高可达150 MIPS。最多可提供16路模数转换通道，专为电机控制的两个事件管理器模块包括16路PWM调制通道和4个通用定时器，为4通道舵机控制提供了极大的便利。
控制电路主要由以TMS320F2812为核心的PWM生成电路和逻辑综合电路组成。分别完成PWM调速功能和换相功能。
PWM是电机调速常用的一种方法，TMS320F-2812根据飞控计算机给定的舵偏信号以及舵反馈信号，通过一系列的运算产生控制信号。利用该控制信号调整PWM占空比以控制功率管的开关时间，实现对伺服电机的控制，同时一旦产生故障，通过软件及时封锁PWM输出直至故障消除。这里通过事件管理器PWM电路输出PWM调制信号。
逻辑综合电路采用GAL20V8可编程逻辑器件实现，无刷电机中三个霍尔元件给出互差120°、脉冲宽度为180°的转子位置信息，其组合在一个周期内给出六个状态，即每60°变换一个状态。GAL电路将霍尔传感器给出的信号、PWM调制信号、电机正反转信号综合进行逻辑运算，将运算结果送给驱动芯片IR2130，IR2130的六个输出信号控制功率管的导通和关断，实现电机的正反转控制、调速控制等功能，连接示意图如图2所示。
1.2 主电路及驱动电路
直流无刷电机的主电路可以采用三相半控电路和三相全控电路。三相半控电路的特点是电路简单，需要的功率器件少。但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用，而且在运动过程中转矩的波动较大，所以在要求比较高的场合，一般采用三相全控电路。
由于逻辑综合电路输出的PWM控制信号不足以驱动功率管的通断，因此要在PWM控制信号与主电路之间加上驱动电路。电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子系统的重要环节。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对系统的运行效率、可靠性和安全性有重要的意义。
本系统主电路为三相全桥控制电路，三相全桥六个功率开关器件，需要六个驱动器来控制其导通或关断。而每个驱动器又需要一路独立的电源，这给系统设计带来了不便，而且系统较为庞大。IR2130是美国国际整流器公司生产的功率MOS器件栅极驱动集成电路，它能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。
以IR2130为主构成驱动电路如图3所示。由控制部分产生六路PWM信号分别送到IR2130的2—7管脚，经IR2130内部处理产生六路驱动信号分别驱动V1～V6功率MOS管。图中C1，C2，C3是自举电容。为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D7，D8，D9的作用是防止上桥臂导通时的直流母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D7，D8，D9应选用快速恢复二极管，而且自举电容容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5 kHz时，该电容值应不小于0.1μF。
1.3 舵面角度反馈信号检测
常用的角度信号检测一般选用旋转光栅码盘。从功能实现上说。旋转光栅码盘是比较理想的选择，其一，其输出的脉冲信号属于数字量，在抗干扰能力上要比模拟信号好得多；其二，DSP内部集成了正交脉冲电路（QEP），可以方便地捕获到传感器反馈的信息。但旋转光栅编码盘存在一个致命的缺点，就是抗振动能力差，在剧烈振动的情况下，里面的光栅很可能被振坏。
鉴于以上原因，舵面角度反馈检测通过高精度电阻电位器测量，将位置信号转换为电压信号，输出信号经过分压、滤波、跟随、限幅等一系列处理后，送给TMS320F2812的A/D通道。
2 算法设计及实现
空空导弹高机动大过载的特性对伺服系统提出了很高的要求，要求系统快速、无超调。要满足这些指标，好的控制算法是关键。因为伺服系统的指令位置具有很大的模糊不确定性，加之被控对象的非线性和系统参数的时变性。传统PID控制算法很难满足要求，而分段PID能起到较好的控制效果。根据分段PID控制规则，把误差划分等级。当误差较大时，增大比例系数，并且只有比例项，以提高伺服系统快速响应特性；当误差为中等的时候，增大比例项并添加微分项，在确保系统快速响应性的同时，控制系统的超调：当误差较小时，以积分项为主，以控制系统静态误差在较小的范围内。其控制算法流程图如图4所示。
伺服系统的位置反馈直接决定系统的快速性和稳态性能，通过采用分段PID控制。不仅保持了传统PID控制原理的简单、有效、鲁棒性强的特点，而且具有更大的灵活性、适应性和精确性。
3 试验结果
通过对伺服控制系统进行实际测试，得到10°阶跃响应曲线和频率10 Hz、幅值为±2°信号响应曲线，分别如图5和图6所示。从图中可以看出，所设计的控制系统跟踪误差小，系统无超调。响应速度快，具有很好的静态和动态跟踪性能。
4 结束语
本文设计的基于DSP控制的空空导弹数字伺服控制系统，采用分段PID控制策略，充分利用DSP高速运算的特点，实现了系统实时控制。试验表明：设计硬件系统工作稳定，分段PID控制算法使得系统在环境参数和系统参数变化时，依然具有快速无超调的定位性能，具有较强的鲁棒性。
参考文献：
[1]苏奎峰，吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2001.
[3]张恩琴，施颂椒，翁正新.模糊控制与PID控制方法的比较[J].上海交通大学学报，1999，33（4）：501—503.
[4]谢运祥.IR2130驱动器及其在逆变器中的应用[J].微电机，2001，34（2）：50-52.
关键词：数字伺服控制系统；无刷直流电动机；DSP
中图分类号：TJ765 文献标识码：A 文章编号：1673—5048（2013）03—0018—03
0 引言
伺服控制系是空空导弹不可缺少的关键组成部分，其性能直接决定着导弹飞行过程的动态品质。传统的模拟伺服控制系统控制参数需要通过更改硬件进行调整，调试繁琐且很难实现复杂的控制算法。抗干扰能力弱，而数字控制系统抗干扰能力强，参数调整可通过软件完成。这样可在较短的时间内调试出性能优良的系统。本文介绍了一种基于TI公司TMS320F2812 DSP的数字伺服控制系统。
1 系统功能及硬件设计
导弹伺服控制系统将来自飞控系统的舵控信号，经过变换和功率放大，克服气动铰链力矩和弯曲力矩。驱动伺服电动机带动空气舵以一定角速度偏转，形成与控制信号成比例的舵偏角，改变弹体的飞行姿态，从而控制导弹的飞行轨迹。
空空导弹数字伺服控制系统由控制电路、反馈信号采样电路、功率驱动电路、功率逆变电路、串行通信接口电路及控制软件组成，伺服电机采用无刷直流电机。系统组成框图如图1所示。
1.1 控制电路
为了实现伺服控制系统的动、静态技术指标，同时协调四通道舵机工作和实时数据处理。控制系统需要实时处理大量数据，这里选用TI公司专为电机控制设计的高性能DSP TMS320F2812作为CPU，TMS320F2812 DSP的设计基于增强的哈佛结构，三级流水线操作，指令执行速度大幅提高，最高可达150 MIPS。最多可提供16路模数转换通道，专为电机控制的两个事件管理器模块包括16路PWM调制通道和4个通用定时器，为4通道舵机控制提供了极大的便利。
控制电路主要由以TMS320F2812为核心的PWM生成电路和逻辑综合电路组成。分别完成PWM调速功能和换相功能。
PWM是电机调速常用的一种方法，TMS320F-2812根据飞控计算机给定的舵偏信号以及舵反馈信号，通过一系列的运算产生控制信号。利用该控制信号调整PWM占空比以控制功率管的开关时间，实现对伺服电机的控制，同时一旦产生故障，通过软件及时封锁PWM输出直至故障消除。这里通过事件管理器PWM电路输出PWM调制信号。
逻辑综合电路采用GAL20V8可编程逻辑器件实现，无刷电机中三个霍尔元件给出互差120°、脉冲宽度为180°的转子位置信息，其组合在一个周期内给出六个状态，即每60°变换一个状态。GAL电路将霍尔传感器给出的信号、PWM调制信号、电机正反转信号综合进行逻辑运算，将运算结果送给驱动芯片IR2130，IR2130的六个输出信号控制功率管的导通和关断，实现电机的正反转控制、调速控制等功能，连接示意图如图2所示。
1.2 主电路及驱动电路
直流无刷电机的主电路可以采用三相半控电路和三相全控电路。三相半控电路的特点是电路简单，需要的功率器件少。但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1/3时间，另外2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用，而且在运动过程中转矩的波动较大，所以在要求比较高的场合，一般采用三相全控电路。
由于逻辑综合电路输出的PWM控制信号不足以驱动功率管的通断，因此要在PWM控制信号与主电路之间加上驱动电路。电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子系统的重要环节。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对系统的运行效率、可靠性和安全性有重要的意义。
本系统主电路为三相全桥控制电路，三相全桥六个功率开关器件，需要六个驱动器来控制其导通或关断。而每个驱动器又需要一路独立的电源，这给系统设计带来了不便，而且系统较为庞大。IR2130是美国国际整流器公司生产的功率MOS器件栅极驱动集成电路，它能输出六路驱动信号，并且由于内部设有自举式悬浮电路，因此只用一路电源，使系统设计极为简化。
以IR2130为主构成驱动电路如图3所示。由控制部分产生六路PWM信号分别送到IR2130的2—7管脚，经IR2130内部处理产生六路驱动信号分别驱动V1～V6功率MOS管。图中C1，C2，C3是自举电容。为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D7，D8，D9的作用是防止上桥臂导通时的直流母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D7，D8，D9应选用快速恢复二极管，而且自举电容容量取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5 kHz时，该电容值应不小于0.1μF。
1.3 舵面角度反馈信号检测
常用的角度信号检测一般选用旋转光栅码盘。从功能实现上说。旋转光栅码盘是比较理想的选择，其一，其输出的脉冲信号属于数字量，在抗干扰能力上要比模拟信号好得多；其二，DSP内部集成了正交脉冲电路（QEP），可以方便地捕获到传感器反馈的信息。但旋转光栅编码盘存在一个致命的缺点，就是抗振动能力差，在剧烈振动的情况下，里面的光栅很可能被振坏。
鉴于以上原因，舵面角度反馈检测通过高精度电阻电位器测量，将位置信号转换为电压信号，输出信号经过分压、滤波、跟随、限幅等一系列处理后，送给TMS320F2812的A/D通道。
2 算法设计及实现
空空导弹高机动大过载的特性对伺服系统提出了很高的要求，要求系统快速、无超调。要满足这些指标，好的控制算法是关键。因为伺服系统的指令位置具有很大的模糊不确定性，加之被控对象的非线性和系统参数的时变性。传统PID控制算法很难满足要求，而分段PID能起到较好的控制效果。根据分段PID控制规则，把误差划分等级。当误差较大时，增大比例系数，并且只有比例项，以提高伺服系统快速响应特性；当误差为中等的时候，增大比例项并添加微分项，在确保系统快速响应性的同时，控制系统的超调：当误差较小时，以积分项为主，以控制系统静态误差在较小的范围内。其控制算法流程图如图4所示。
伺服系统的位置反馈直接决定系统的快速性和稳态性能，通过采用分段PID控制。不仅保持了传统PID控制原理的简单、有效、鲁棒性强的特点，而且具有更大的灵活性、适应性和精确性。
3 试验结果
通过对伺服控制系统进行实际测试，得到10°阶跃响应曲线和频率10 Hz、幅值为±2°信号响应曲线，分别如图5和图6所示。从图中可以看出，所设计的控制系统跟踪误差小，系统无超调。响应速度快，具有很好的静态和动态跟踪性能。
4 结束语
本文设计的基于DSP控制的空空导弹数字伺服控制系统，采用分段PID控制策略，充分利用DSP高速运算的特点，实现了系统实时控制。试验表明：设计硬件系统工作稳定，分段PID控制算法使得系统在环境参数和系统参数变化时，依然具有快速无超调的定位性能，具有较强的鲁棒性。
参考文献：
[1]苏奎峰，吕强.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.
[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2001.
[3]张恩琴，施颂椒，翁正新.模糊控制与PID控制方法的比较[J].上海交通大学学报，1999，33（4）：501—503.
[4]谢运祥.IR2130驱动器及其在逆变器中的应用[J].微电机，2001，34（2）：50-52.