基于新型数字电位器的伺服控制系统

吴建刚， 高玉文， 王 阔， 刘璐雅

（四川航天电子设备研究所， 四川 成都 610100）

0 引言

随着精确制导技术不断发展，导引头技术越来越受到重视[1]。 雷达伺服系统是反舰导弹导引头的重要组成部分，它对于发现目标、跟踪目标以及精确测量目标位置都起着重要作用，它的精度直接影响到反舰导弹的制导精度[2-3]。伺服系统的定位精度主要取决于角度传感器的精度，目前导引头伺服控制系统较多采用旋转变压器作为伺服系统的测角元器，测角信号经旋变解调电路模块解码后得到角度信息，小尺寸旋转变压器精度从4′至12′不等，体积越小，精度越低，可靠性越差。 而导引头整体向着小型化和高精度的方向发展， 使得采用旋转变压器作为测角元件的伺服系统无法满足导引头的发展需求。 本文设计开发了一款基于新型数字量电位器的雷达导引头伺服控制系统， 满足了导引头小型化和高精度的发展需要。

1 系统组成及原理

该雷达伺服控制系统主要由控制器、 驱动器和执行反馈单元组成，控制器以DSP 为控制核心，通过FPGA 与上位机通信，并将控制信号下发给执行反馈单元，同时采集执行反馈单元的角度、角速度及电流等信号，驱动器以电机驱动模块为核心，接收经光耦隔离后的控制信号，并将其放大后用于驱动电机转动，执行反馈单元包括方位、俯仰电机和电位器以及运动执行机构等，控制系统组成框图见图1。

图1 控制系统组成框图

系统工作原理为控制器接收到上位机下发的指令后，进入相应的控制流程，经过DSP 运算后输出控制信号到驱动器，经隔离放大后驱动电机带动负载按要求转动，电位器实时反馈角度信号并参与系统闭环控制。

2 系统硬件设计

2.1 新型数字量电位器

目前，业内传统的高精度电位器线性度约为0.5%，模拟信号传输，需要在伺服控制电路中进行AD 采样，采样换算以后的测角误差通常在12′以上[4]，精度较低，在早期的雷达导引头伺服系统上有应用，对安装要求高，需要对模拟信号传输线路做可靠的屏蔽处理。由于其价格优势，目前多应用于对角精度要求不高的舵机控制[5-6]。

新型数字量电位器组成框图如图2 虚线框内所示，主要包括电源预处理电路， 执行部件，AD 采样电路、 后处理电路以及接口电路。

图2 新型数字量电位器组成框图

其中， 电源预处理电路实现滤波、 稳压以及电压转换功能， 执行转动部件为传统的电位器本体部分，即电阻体和转动体等，用于输出角度转动对应用的电压量，AD 采样电路完成对该电压量的模数转换， 并将转换后的数字量传输至后处理电路， 后处理电路主要完成角度值的解码以及角度值的插值、滤波补偿，并将补偿后的角度值通过差分数字接口芯片发送给上位机。 新型数字量电位器的特点主要有结构尺寸小、重量轻、抗干扰能力强、角度测量精度高，安装便捷等。与传统电位器相比，增加了电源预处理电路，提高了电源品质，将AD 采样电路与执行部件集成为一体， 极大程度减小了模拟量长距离传输受干扰的风险，并且通过后处理电路补偿后，使得电位器测角精度成倍提升，实现了更高精度测角。新型数字量电位器实物示意图见图3，大小约¢35mm×16mm。

图3 新型电位器结构示意图

2.2 控制器硬件电路

伺服控制器采用DSP+FPGA 硬件架构，DSP 选用TI公司的TMS320F28335，FPGA选用XILINX 公司spartan6 系列XC6SLX45。 TMS320F28335 是TI 公司推出的32 位浮点数字控制处理器（DSP），外设丰富，在电机控制通信医疗航空航天等领域有广泛的应用[7]。 TMS320F28335DSP整合了Flash 存储器、 快速的A/D 转换器、 增强的CAN模块、事件管理器、正交编码电路接口及多通道缓冲串口等功能， 共有6 对ePWMxA 和ePWMxB 模块， 主频高达150MHz，具有强大的控制和信号处理能力，能够完成复杂的控制算法[8]。XC6SLX45 属于高性价比逻辑控制芯片，管脚多，资源丰富，广泛应用于工业控制领域。 控制器核心电路原理框图见图1。 FPGA 芯片主作为数据收发、转换枢纽，与DSP 通过并口总线相连，与上位机、电位器通过串口收发芯片3490 相连， 与驱动器之间通过光耦隔离芯片相连，与AD 之间通过SPI 串口相连实现电流采样。

2.3 驱动器硬件电路

驱动器以电机驱动芯片LMD18200-2D-QV 为主体开展设计。 LMD18200-2D-QV 是美国国家半导体公司设计的专用于驱动电机的芯片，额定运行参数为：额定电流3A，峰值电流6A，电源电压可达55 V，内部包括MOS 管构成的H 桥及其逻辑控制电路，芯片内部的H 桥驱动器由4 个MOS 管构成， 通过充电泵电路为4 个MOS 管提供栅极控制电压，输入信号兼容TTL 和CMOS，内置过流报警和过热报警以及自动关断[9]。驱动器核心电路框图如图4。方向（DIR）、刹车（BREAK）、占空比（PWM）三路控制信号经光耦（U7）隔离后，输入电机驱动芯片（U8），经功率放大后控制电机 转 动（D1、D2分别为直流电机两端接口）。

图4 驱动器核心电路框图

3 软件设计

伺服控制系统软件设计包括DSP 软件设计和FPGA软件设计。 FPGA 软件主要实现数据收发、 串并转换及角度、角速度反馈单元的反馈数据解码，与DSP 之间进行并口通信，与上位机进行串口通信。 DSP 主要进行流程处理和控制算法处理，软件由主程序模块、分支子程序和中断子程序模块组成，主程序模块包括系统初始化、读写外部端口、设置分支逻辑等；分支子程序主要有预置子程序、搜索子程序、跟踪子程序等；中断子程序包括位置环控制子程序和速度环控制子程序。 流程控制框图见图5。

图5 流程控制框图

系统上电后首先进行系统自检，根据设定好的自检流程，控制电机带动负载转动， 如果在规定的时间内完成自检，则上报自检正常，否则上报故障，中止后续流程， 系统处于刹车保护状态。 整个自检过程涵盖了硬件控制电路、芯片、电机、执行机构、 角度和角速度反馈元件等各个环节的检测， 可根据故障时的数据快速准确定位哪个环节出现了故障。 自检完成后，系统默认回到待机状态，实时接收判断上位机是否有最新指令下发。

4 试验测试

4.1 角精度测试

以往采用旋转变压器做为角度反馈元件的伺服系统，需要在系统级进行角精度测试，搭建如图6 的测试系统， 通过专用测试工装将机构转轴转到某一被测角度位置后锁死，然后上三坐标进行测试，通常认为三坐标精度高，将其测试结果作为真值，集成控制驱动器将解码后的角度数据发送给上位机，与三坐标上显示的角度数据做比较，差值即为角度误差。这种系统级的测试相对麻烦，且不能按照一定的步进量有规律的进行测试，测试的角度数据量相对较少。

图6 系统级角精度测试示意图

采用新型数字量电位器做为角度反馈元件的伺服系统，将电位器转轴与机构转轴同轴安装，通过精心设计机构轴系， 电位器的角度精度即可反映伺服系统的角度精度，因此，可以将角精度测试由系统级简化到元器件级进行测试，省时省力，还可以避免由工装加工误差引入的测试误差。 新型数字量电位器角精度测试时，只需一台小型较高精度的转台和上位机， 将电位器安装到转台上后，控制转台按一定的步进量进行转动，将转台显示的结果作为真值与上位机读取的角度数据对比，差值即为角度误差。

表1 为某台新型数字量电位器角精度的测试结果，由于数据量较大，表中只统计了每2°间隔的测试数据，图7 为±20°以内统计的120 个测试点的误差曲线（其中，±10°以内测试步进为0.2°，±10°以外测试步进为1°，横坐标为测试点数，纵坐标为角度误差值，单位为度）。从测试结果可知，角度误差最大0.03°，小于2′，精度较高。

表1 某台新型数字量电位器角精度（单位：/°）

图7 角度误差曲线

4.2 系统测试

系统测试主要针对和角度相关的零位和角度预置进行了测试。 图8 是在上位机下发零位锁定指令后测得的角度反馈数据，图9 是在角度预置流程中预置不同角度，系统反馈的实际角度数据。分析测试数据可知，采用新型数字量电位器做为角度反馈元件的伺服系统，在零位锁定和角度预置状态下，角度数据稳定可靠，角度噪声在0.01°以下，图10 是图9 矩形框框中位置的局部放大图， 从放大图统计可得，0 到20°的角度预置时间约为0.8s（预置到位约330 个采样点，每个采样点2.5ms），预置曲线平滑过渡，预置时间较短，满足系统的使用要求。

图8 零位锁定角度数据

图9 预置流程角度数据

图10 预置流程角度数据

5 结束语

设计开发了一款基于新型数字量电位器的雷达导引头伺服控制系统。 介绍了新型电位器的工作原理和伺服控制系统的硬件、软件设计。基于新型数字量电位器伺服控制系统不仅具有定位精度高， 抗干扰能力强等优点等优点，对于力矩电机直驱伺服系统，系统角精度测试可由电位器器件级精度测试替代，减少了测试难度，节约了研制成本，具有较高的工程应用价值。