容差分析在舵机反馈采样控制电路中的应用

饶大伟，张昆峰

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471009）

由于制造工艺水平和使用环境特殊限制，空空导弹电路中电子元器件的实际参数总是和其标称值之间存在随机误差，这严重制约导弹电路性能可靠性。且其对产品成本有控制要求，在同时保证导弹高性能、高可靠性和经济性的背景下，如何选择合适的电子元器件参数就显得尤为重要。

容差分析就是在给定元器件参数分布范围，计算其变化对系统性能的影响。通过分析，可以评估电路系统中元器件的参数变化对系统影响的大小，从而据此来优化设计，将电路的误差控制在可靠范围内[1，3]。

舵机反馈采样控制电路通过将角位移转换为电信号实现对舵面的实时准确检测，它作为舵机中的关键电路，其精确控制性能将直接影响导弹的飞行姿态，任务完成度和产品安全性。本文将重点对舵反馈采样控制电路进行容差分析和设计。

1 Saber容差仿真分析

Saber软件凭借Windows集成开发环境，对电路容差仿真分析，大大减少建模型和复杂运算的工作量。基于Saber进行容差仿真分析，首先要选择电路系统中关键电路，及其元器件参数分布和使用环境边界条件；而后确定输入量、元器件参数和电路输出响应之间关系；之后选取一种恰当的容差分析方法，求解电路输出及偏差范围。最常用的容差分析思想是基于统计学和以灵敏度为基础的非概率统计，也即蒙特卡罗分析（Monte Carlo Analysis）和最坏情况分析（Worst-Case Analysis）[6-7]。

蒙特卡罗分析是假设电路组成部分的性能参数服从某种分布，由电路组成部分性能参数抽样来分析电路系统性能参数偏差的一种统计分析方法[3]。

最坏情况分析是利用元器件极限值来计算系统性能参数变化范围[4-5]。最坏情况分析方法容易操作，但得出的分析结果过于保守。

2 舵机反馈采样电路容差分析

2.1 舵机反馈采样电路基本工作原理

舵机反馈采样电路采用电位器反馈测量舵面实际位置，反馈电位器将舵面位移转换为直流电压信号输出，为将电位器输出的电压信号调整在后端处理电路允许的输入信号范围内，使用电阻串连在电位器两端进行电压限位。为消除反馈回路上的高频干扰，电位器输出信号采用一阶低通有源滤波电路进行滤波。为了提高反馈输出电压信号的驱动能力，将反馈信号通过运算放大器JL148BCA进行电压跟随。之后，调理后的舵面位置信号经A/D转换成位置数据，位置量被送进DSP参与控制运算，主要原理框图如图1所示。

图1 舵机反馈采样控制电路框图Fig.1 Structure diagram of sampling and control circuit of a servo feedback

舵机反馈采样控制电路对四个相互独立、对称的舵面进行位置采样控制，本文只分析其中一个通道的电路。电路正常工作时，A/D供电电路、A/D转换误差及+27 V电源滤波电路等对系统反馈采样电路性能影响极小，且A/D误差可以在后续处理运算中用软件来修正，可以不作分析，只对与反馈电位器相关的电路进行容差仿真分析。

利用Saber软件进行电路容差分析建模，搭建完成的舵反馈采样控制仿真电路图如图2所示，其中Posmeter为电位器的仿真模型，随着电位器的转动，R1和R2的比值发生变化，从而使电位器的输出Ctrl发生相应的改变。

图2 舵反馈采样控制电路仿真模型Fig.2 Simulation model of sampling and control circuit for servo feedback

2.2 基于最坏情况分析的容差分析

舵面在零位时，选择舵反馈采样控制电路中的位置跟随输出POS信号进行灵敏度分析，POS的灵敏度分析结果如图3所示。

图3 电压跟随器输出POS的灵敏度分析结果Fig.3 Sensitivity analysis results of voltage follower output POS

从图3可以看出，电位器的供电电压15 V和-15 V、电位器滑动阻值和电位器两端的串接电阻R1和R2对POS影响比较大，在扰动范围内，R1和-15 V与POS变化方向相同，R2和15 V与POS变化方向相反。

因此可以得出，影响 POS输出的器件主要是 R1、R2、MTR2815D的输出和电位器。根据灵敏度分析结果，可对R1、R2、MTR2815D和电位器取极值进行极值分析。由于电阻R1和R2的容差为±1%，电位器总阻值为4.7 kΩ，容差为±10%，MTR2815D正输出电压为14.85～15.15 V，负电源输出为-15.23～14.77 V。R1和-15 V与POS变化方向相同，R2和15 V与POS变化方向相反，采用最坏分析方法对电路进行分析。可以列出待分析的最坏情况如表1所示。

2.2.1 极小值情况分析

设置 R1=788.04，R2=803.96，正电压输出 V=15.225，负电压输出V=-15.345。

1）当电位器总阻值为5.17 kΩ时，POS的仿真输出如图4（a）所示。

表1 极值表Tab.1 Extreme values

2）当电位器总阻值为4.23 kΩ时，POS的仿真输出如图4（b）所示。

2.2.2 极大值情况分析

设置 R1=788.04，R2=80.3.96，正电压输出 V=14.775，负电压输出V=-14.655。

1）当电位器总阻值为5.17 kΩ时，POS的仿真输出如图4（c）所示。

图4 最坏情况仿真结果Fig.4 Simulation results of worst-case analysis

2）当电位器总阻值为4.23 kΩ时，POS的仿真输出如图4（d）所示。

综合以上分析结果，可以得到，POS的极大值为0.059668V，极小值为-0.060 0339 V。

2.3 基于蒙特卡罗的容差分析

DC/DC 电路 MTR2815D 输出电压为+15（1±1.5%）V、-15（1±2.3%）V，C1、C3、C8、C9、C10、C11精 度 等 级为±10%，C2、C4精度等级为±10%，R1为金属氧化膜电阻精度等级为 1%，R14、R15、R16、R17为 10 kΩ 精 度 等 级±5%，R6、R7为 金 属 膜 电 阻796Ω精度等级为±1%，R41为精密导电塑料电位器，标称阻值为 4.7 kΩ±10%，有效电行程为 300±3°。

设置所有参数的分布为随机分布，对舵机反馈采样控制仿真电路进行蒙特卡罗分析。

设置舵面在零位时：

1）电位器总阻值为5.17 kΩ时，POS的蒙特卡罗分析结果如图 5（a）所示。

2）电位器总阻值为4.23 kΩ时，POS的蒙特卡罗分析结果如图 5（b）所示。

从上述仿真分析可以看出，JL148BCA跟随输出POS幅值的极限变化范围-0.326 53 V～0.325 53 V，且在±0.3 V和0 V电平值附近出现频率较高。

图5 蒙特卡罗仿真结果Fig.5 Simulation results of Monte Carlo analysis

3 容差仿真结果分析

综合以上结论，采用极值分析和蒙特卡罗分析，可以看到舵反馈采样控制电路的输出均在TLC2578允许的输入信号范围内，完全满足设计要求。其中，对舵反馈采样控制电路的输出影响比较大的元器件为R1、R2、MTR2815D，在电路中选用时精度等级都相对比较高，从而使该电路的输出精度比较高。而电路中电位器器的误差等级为±10%，误差等级比较低，在不考虑其他参数影响的情况下，电位器阻值为4.7 kΩ和电位器阻值为5.17 kΩ时，导致JL148BCA的跟随输出在舵偏角为0°时偏差最大可以达到0.054 5 V，这个差值将导致TLC2578输出的数字量差值为11，反应在角度上差值为0.2°。在舵面正常工作±39°之间时，通过文中方法分析其在任意范围内的电路性能，其结果反应一致。所以，为提高舵反馈的精度，可以考虑在现有电路系统中采用精度等级更高的电位器，并在后续舵机工程化应用中得到验证。

4 结束语

容差分析是电路系统可靠性设计与分析的一个重要措施[2，8]。文中采用Saber仿真分析软件对某空空导弹的舵机反馈采样电路进行容差分析研究，预测电路系统性能的稳定性以及电路中元器件参数变化对性能的影响，找出影响舵反馈电路性能的重要因素，并提出下一步改进设计的方案。容差分析可以对所舵机电路的性能进行评估，同时，为电路系统的可靠性设计提供了一种有效方法，对导弹舵机工程化具有重要价值。

[1]凌燮亭.电路参数的容差分析与设计[M].北京：复旦大学出版社，1991.

[2]石君友，康锐.基于EDA技术的电路容差分析方法研究[J].北京航空航天大学学报，2001，27（1）:121-124.SHI Jun-you，KANG Rui.Research on method of circuits tolerance analyses based EDA technology[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2001，27（1）:121-124.

[3]刘维罡，沈颂华，骆明珠.航空电源系统的容差分析及仿真研究[J].测控技术，2007，26（6）:79-82.LIUWei-gang，SHENSong-hua，LUOMing-zhu.Circuittolerance analysis and simulation study for aviation power system[J].Measurement&Control Technology，2007，26（6）:79-82.

[4]刘婉如，徐信之.参数设计与容差设计[M].北京：国防工业出版社，1988.

[5]张晓辉，陈绍炜，史新建.大电流恒流源电路Monte Carlo分析[J].科学技术与工程，2010，10（34）:8549-8552，8557.ZHANG Xiao-hui，CHEN Shao-wei，SHI Xin-jian.The monte carlo analysis of high constant current source circuit[J].Science Technology and Engineering，2010，10（34）:8549-8552，8557.

[6]李红，付兴武.基于容差分析的电路参数中心值设计研究[J].现代电子技术，2007（23）:88-90.LI Hong，FU Xing-wu.Research of central value design of circuit parameter based on tolerance analysis[J].Modern Electronic Technique，2007（23）:88-90.

[7]LIANG Hui-min，REN Wan-bin，YE Xue-rong.Research on the reliability tolerance analysis method of electromagnetic relay in aerospace[J].Chinese Journal of Aeronautics，2005（1）:65-71.

[8]郭富强.基于径向基函数网络的模拟电路故障诊断设计[J].电子设计工程，2011（9）:89-92.GUO Fu-qiang.Fault diagnosis design for analog circuit based on radial basis function neural networks[J].Electronic Design Engineering，2011（9）:89-92.