邵瑜，李声晋，高婧（两北工业大学，陕西西安710072）

  摘要：针对飞机舵机驱动控制系统，介绍了基于DSP的无刷直流电动机模拟舵机位置伺服系统的硬件组成、软件设计及工作原理，综合运用了PD调节和积分分离PID调节控制算法，并使用I．ahwindows／CVI软件编写上位机软件列系统的跟随特性进行测试。测试结果表明，该系统响应速度快．具有较好的控制特性和实用价值。

关键词：舵机；位置伺服；Labuindows／CVI; PID算法

中国分类号：TM3S3.4  文献标识码：A  文章编号：1004 -7018(2008) 09 -0028 -03

0引言  

  舵机是控制飞行器舵面运动的伺服执行机构，用以驱动飞机舵面的偏转，从而控制飞机的飞行状态：本文设计的是一种飞机舵机的模拟位置伺服系统，由稀土永磁无刷直流电动机带动一个同轴安装的角位移传感器组成，DSP30F6010为其控制核心：该系统能够实现舵机系统的主要性能参数测试和试验，包括正反转控制、速度连续调节，舵面角度自动限位以及按照给定偏转角快速、稳定、准确的跟踪；同时可以测量电机的实时转速、系统的频率响应等参数，此钋，在过流过压时还具有故障保护功能。上位机软件采用Labwindows/CVI的开发环境，主要通过RS422串口通信进行数据发送和接收，提供在线实时测试，町设置改变输入信号等有关参数，从而使系统具有实用性。如图l所示。

    霍尔元件安装在电机内部检测转子磁极位置，霍尔信号PA、PB、PC分别与DSP的三个模拟引脚相连，将模拟引脚设置为数字接口，通过产生PWM中断来决定换向。DSP通过PWM引脚经驱动电路（本系统选用IR2130）连接到六个开关管，实现定频

WM和换向控制：设计有三路模拟量的输入，分别是给定位置信号、电机实际位置反馈信号、电源电压检测信号，模拟量的输入分别经过隔离以及滤波送至DSP。此外，还外接有两个指示灯，来指示系统的运行状态。图2只给出了一路模拟量与霍尔信号的输入图。

 

    由于本系统用电较为简单，只需要两种电源信号，同时考虑生产成本、开发周期以及功率情况，最终采用较为简单的线性电源。系统采用24 V供电，通过1.7815(15 V)给驱动芯片供电，再经过起低压差的LM1117(5 V)绘其余部分供电。

     如图3所示，驱动芯片选用IR公司的IR2130，芯片可同时控制六个大功率管的导通和关断，驱动电路非常简单、vcc是通过LM7815稳压器得到的+15 V电源。C．是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，D4的作用防止上桥臂导通时的直流电压和母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D4应有足够的反向耐压，当然由于D4与C1串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D4应选快速恢复二极管。R₁₇和R₁₂是MOSFET的栅极电阻，R₈和R₂₃，是防静电电阻，以免由于静电烧毁功率管。IR2130的HIN1 - HIN3、LINl- LIN3作为功率管的输入驱动信号与DSP的PWM输出连接。FAULT与DSP外部中断引脚连接，由DSP中断程序来处理故障。自举电容的容量取决于被驱动功率MOS门器件的开关频率，自举电容所需的最小电容值，可由式(1)计算。

   

式申.Q_g——高端器件栅极电荷；

    f——工作频率；

   I_qbs(max）——高端驱动电路****静态电流；

   I_qbs(leak）——自举电容漏电流；

    Q_Is——每个周期内，电平转换电路中的电荷要求；

    V_cc——芯片供电电压；

    V_f——自举二极管正向压降；

    V_Is——低端器件压降或高端负载压降。

    系统的功率电路采用三相全桥逆变电路，采用IRF540NS( MOSFET)作为功率开关器件，该芯片耐压为100 V，导通时的****电流可达33 A：根据霍尔信号，使开关器件两两导通，实现逆变电路的三相六状态1200导通方式，图4只给出了一个桥臂的电

路图，在逆变电路中采用RCD尖峰吸收电路，减小开关过程中电压尖峰和电流尖峰的大小，减小开关器件的开关损耗，提高开关器件承受过载和短路的能力。

   

     当下管开通时，对下管的V_CE进行检测，MOS管稳定导通的栅极电压为10 V（VREF1的理论值）左右，如图4所示（图中只画出了一个下管的检测电路）。由分压电阻R,38、R39得到参考电压V_REF1，此电压与LOl比较作为下管开通的标志DLOAl（大于V_REF1输出为高，下管开通）。根据数据手册可知，IRF540NS****可过电流33 A，导通时的电阻为44 mΩ，则MOS管导通时的理论****压降为33×0 044=1 452 V。DLOAl的理论****值V_maxDLOA1即为MOS管的****压降加上D7导通时的压降再加上R₂₇的压降总和，计算得到V_maxDLOA1=2.6 V（VRL,的理论值）。设计中VREF通过两个电阻分压得到。当DLOAl高于VIIFF时，对下管进行过电流保护。此外，芯片自身具有一些保护功能：

    (1)过流保护  电流检测信号ITRIP接至过流检测输入端ITRIP（9脚），当外电路发生过流或直通，ITRIP端电压高于0.5 V时，IR2130内部保护电路使其输出驱动信号全为低电平，从而使被驱动的MOS器件全部截止，保护了功率管。同时，IR2130的FALI.T(引脚8)变为低电平，该信号接CPU故障管脚，进行相应的故障处理。

    (2)欠压保护若IR2130的工作电源欠电压（即当K，下降到8 9 V），与过流保护相似，内部的欠压保护电路使其输出驱动信号全为低电平，同时从FAULT端输出故障信号。

    (3)逻辑封锁  当前一级控制电路的脉冲发生逻辑错误时，IR2130接受到功率元件同一桥臂高压侧和低压侧两功率器件的驱动信号全为高电平时，内部保护电路可保证该两路栅极驱动信号全为低电平，从而防止驱动信号有误而引起的直臂导通现象。

    如图5所示，UART部分通过SP49IE芯片转换成RS422通讯来实现数据向上位机传输和接收上位机的指令。R81、R82分别为下拉和上拉电阻，R76、R77为匹配电阻，避免长线传输中电阻不匹配容易引起的反射波干扰。

    上位机软件设计开发平台采用CVI基于C语言的开发环境，与测控技术有机结合，具有灵活的交 互式编程方法，并提供了丰富的面板功能和库函数。在本系统中开发了一套与系统硬件相配套的实时测试软件，通过RS422串口按照相关协议与下位机进行通讯。该上位机软件主要包括三个部分的功能：串行通讯及数据处理的功能、部分参数设置的功能和数据与波形显示的功能。设计了一些信号发生器，满足为系统施加各种输入信号，对系统的性能进行测试：信号参数设置还包括PID参数的给定。测试平台可以根据需要选择不同的组合，在绘制动态曲线的同时，可以根据需要修改图形控件属性以便观察波形，可以修改坐标轴的上下限、背景颜色、网格颜色和曲线颜色。DSP主控芯片的编程主要包括主程序和中断程序。主程序主要是初始化DSP所需要用到的控制寄存器、初始化1/0端口、初始化中断设备、检测电机的初始位置以及初始化需要用到的控制变量等。如图6所示。

 

    中断程序主要包括定时器中断子程序、ADC转换中断子程序、PWM中断子程序。定时器中断主要用来将待发送的数据打包并实现与上位机的通讯，ADC中断子程序主要用来读取给定位置信号和实际反馈位置信号，并进行模拟量和数字量的转换，PWM中断子程序主要用来调用PD和PID计算函数来调节占空比，改变电机的转动方向和转动速度。

    在数字PD调节控制系统中，引入积分环节的目的是为了消除静差，提高精度，但在过程的开始、结束或大幅增加给定值时，短时间内系统输出就有很大的偏差，会产生积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的****动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服电机的运行来说是不利的。为了减小电机在运行过程中积分校正对控制系统动态性能的影响，采用积分分离的PD控制，当电机的实际位置与给定期望位置的误差小于一定值时，再恢复积分校正环节，以便消除系统的静态误差。

    本系统中位置环  控制时采用此方法，如图7所示。通过DSP检测出给定位置信号产和实际反馈位置信号的偏差e，当e>|ε|时，采用PID控制，可避压产生较大的超调，又使系统有较快的响应；当e≤|ε|时，采用PID控制，保证系统的控制精度。

  该系统的稀土永磁无刷直流电动机的参数为：额定电压DC24 V，额定功率52 W，额定电流2.55A，额定转速3 000 r/min（带减速器）。减速器减速比为l：36，减速后的额定转速为3 000/36= 83. 3 r／rmn，即f=1 389 Hz。系统在如图8所示的操作界面中进行了阶跃响应和正弦波的跟随特性检测，起动并运行系统，由上位机监控的可视化运行曲线可知，速度响应快，无超调，获得了较好的系统跟随特性.该系统功能齐全，操作容易，参数设置测试方便，显示直观，同时系统的硬件成本低，具有很强的实用性和便携性。