无人机用电动舵机控制系统设计

李红燕，和 阳，蔡 鹏，姜春燕，徐 信

(1.江苏航空职业技术学院，镇江 212134；2.清华大学，北京 100084)

0 引 言

无人机依靠电动舵机来控制左右副翼、方向舵、升降舵和油门的定位，从而维持飞行姿态的稳定。随着无人机的应用越来越广泛，对电动舵机的结构及性能要求也越来越高，因此研究轻量化、性能可靠的电动舵机系统具有重要意义。

国外，很多机构为了实现无人机用电动舵机的微型化、高功率密度、高可靠性，开展了大量的试验研究[1-3]。Futaba公司研制了一系列用于无人机舵面控制的小功率舵机[4]。Parker宇航开发出具有抗干扰容错，可耐受高温苛刻环境的飞行机电作动器。此外，美国空军、海军和NASA研制的电动作动器，结构紧凑，在F/A-18B系列飞机上进行了测试。国内许多高校和研究院对电动舵机的余度控制[5]、容错设计[6]、故障诊断[7-8]等方面进行了深入研究。

本文从舵机机械结构分析、硬件结构搭建、控制算法和逻辑设计出发，旨在设计出满足高功率密度、高可靠性要求的电动舵机控制系统。

1 整体设计方案

电动舵机系统的机械结构主要包括电机、减速器、联轴器、位置传感器以及摇臂。电机选用盘式无刷直流电动机，体积小、质量轻；减速器采用谐波减速器，可提高系统的功率密度、传动精度以及扭转刚度；位置传感器采用旋转变压器(以下简称旋变)，配合旋变解调芯片完成舵机当前摇臂位置信号的测量与传递，可应对无人操作及复杂的工作环境。电动舵机机械结构如图1所示，其体积尺寸为110 mm×33 mm×50 mm，舵机与控制器集成于一体的布局，有效地利用了空间，提高了系统的集成度。

图1 舵机机械结构图

设计中，要实现电动舵机的额定扭矩为2.6N·m，最大扭矩5.8 N·m；行程范围0～30°。阶跃响应时间短，无超调和振荡。动态响应速度快，输入±3°，5 Hz的正弦信号时幅值衰减小于3 dB，相位滞后小于90°。

根据上述功能指标要求，控制器采用DSP+CPLD设计架构，系统总体设计框图如图2所示。DSP主要实现SCI/SPI通信、信号采集、控制律设计、输出PWM波等功能，具有低功耗、高可靠、浮点运算速度快和电源供电简单等优势。CPLD主要用于控制6个开关管的通断，解算电机方向，限制舵机摇臂工作范围，故障保护等。CPLD的合理应用很大程度上减轻了DSP的工作量，简化了外围电路的设计，提高了系统的工作效率。

图2 系统总体设计框图

2 硬件电路设计

舵机控制系统的硬件电路主要包括控制电路、 驱动电路和保护电路。

2.1 控制电路

控制电路框图如图3所示，控制系统的核心芯片为32位浮点型DSP(TMS320F28069)，是专用于电机控制的数字控制器。DSP通过RS-422通信总线接收给定位置指令，结合电流、位置采样信号进行闭环控制，控制律的输出通过改变PWM波的占空比实现。控制系统的辅助芯片为CPLD(LC4128)，该芯片根据PWM波，结合Hall信号完成PWM逻辑扩展，同时结合上一次Hall信号计算出电机转速信号和方向信号用于闭环控制。

图3 控制电路框图

2.2 驱动电路

2.3 保护电路

系统拥有三层保护，分别是软件过流保护、硬件电路保护以及IPM自带的电路保护。图4为过流保护框图。DSP将电流传感器测得的电压值进行滤波、A/D采样，换算成电机当前等效相电流，与设置的阈值电流进行比较。当出现过流时， DSP关断PWM信号的输出，同时给CPLD发送指令使其打开逻辑保护，实现软件过流保护。

图4 过流保护框图

IPM自带的电路保护是指其能够根据内置比较器输出的过流信号关闭芯片驱动信号的输出。

3 软件设计

软件主要由两部分组成，一部分是在DSP内部实现的位置环、速度环和电流环的PI控制算法；另一部分是在CPLD内部实现的换相、位置保护和电流保护逻辑。

3.1 DSP软件设计

图5是DSP软件设计流程。首先初始化各模块寄存器，然后开中断，执行各功能模块。上位机通过RS-422总线给DSP发送给定位置指令，程序运行2 ms时间到达时，DSP给上位机发送舵机当前位

图5 DSP软件流程图

置信息。DSP内部定时器生成一个50 μs时间周期，在50 μs时间内实时接收帧数据，当时间到达时，先对给定位置指令进行滤波去抖，再读取当前位置、转速、电流信号进行滤波和闭环控制律处理，通过控制律的输出调整控制量的输入。其中，舵机当前位置、转速信息由旋变解调芯片测得，电机母线电流由电流传感器测得，电机相电流由电机母线和PWM占空比解算得出。

3.2 控制策略设计

图6是控制律设计框图，由内到外分别是电流环、速度环和位置环设计。系统加入反馈控制来抵制外界干扰、降低建模误差带来的影响。为了使系统准确，快速地跟踪位置指令，实现稳态误差为零，位置控制器采用比例积分设计。式(1)为位置环控制律设计：

图6 系统软件框图

ωg=Kpp(θg-θf)+Kpiθerror

(1)

式中：θg为上位机发送的给定位置；θf为反馈位置；Kpp为比例参数；Kpi为误差积分系数；θerror为误差积分量；ωg为位置环的输出，用作转速环的输入。转速控制器采用比例算法，其控制律如式(2)所示：

ig=Kω(ωg-ωf)

(2)

式中：ωg是转速输入；ωf是转速反馈；Kω是比例增益参数，ig为转速环的输出，用作电流环的输入。系统通过设计电流环来提高系统的刚度，采用比例算法，其控制律如式(3)所示：

Vout=Ki(ig-if)+Rig

(3)

式中：ig为电流输入；if是电流反馈；Ki是比例参数；R是电枢绕组阻值；Vout是电机电枢电压。

3.3 CPLD软件设计

利用CPLD强大的逻辑编辑功能，在其内部分别实现了换相逻辑、位置保护逻辑和过流保护逻辑功能。

3.2.1 换相逻辑设计

CPLD根据电机内置霍尔传感器测得的信号状态，结合PWM占空比的输出，来决定6个全桥功率管的开关，实现电机电子换相，其逻辑表述如下：

Q1=(PWM &&((DIR && HA &&!HB)||

(!DIR &&!HA && HB)));

Q2=((HA &&!HB)||(!HA && HB));

Q3=(PWM &&((DIR && HB &&!HC)||

(!DIR &&!HB && HC)));

Q4=((HB &&!HC)||(!HB && HC));

Q5=(PWM &&((DIR && HC &&!HA)||

(!DIR &&!HC && HA)));

Q6=((HC &&!HA)||(!HC && HA))

其中：Q1～Q6表示6个MOSFET开关管的通断。为了减小开关管的损耗，增加系统可靠性，系统设计采用单极性PWM波调制方式。DIR是电机正反转方向信号，DIR=1时，电机正转。HA～HC是无刷直流电机内部霍尔传感器状态信号。

3.2.2 位置保护逻辑设计

舵机工作行程范围是0～30°，需要设计行程限制来保护被控舵面等负载。图7为逻辑功能图。图7中POS1和POS2是旋变解调芯片输出的舵机位置信号，DIR_cmd是舵机转动方向信号。当舵机响应超出工作行程范围时，POS1和POS2输出低电平，经逻辑处理，输出高电平给控制器开启多层保护模式并报警。

图7 行程限制逻辑图

3.2.3 电流保护逻辑设计

设备工作过程中，电流过大会损坏电机，因此设计了电流保护逻辑，如图8所示。当过流时，LIM_IA为0，PWM_out为0，CPLD关断PWM波的输出，电机停止运转。当电流降至安全范围内时，为了防止尖峰脉冲引起控制电压骤变，PWM_out输出在下一次PWM上升沿来临时才恢复正常。

图8 过流保护逻辑图

4 实验结果与分析

设计中，试验样机选用Maxon公司生产的EC32电机，扁平式Φ32 mm，无刷，15 W，带霍尔传感器，查阅相关使用手册可知，主要参数如表1所示，选用减速比为100∶1的减速器。

表1 试验样机参数

舵机空载时，通过上位机给舵机发送30°满量程阶跃输入，实验结果如图9所示。可以看出，阶跃响应延迟时间小于1 s，没有出现振荡现象，满足空载条件下满量程范围内阶跃响应要求。

图9 30°满量程阶跃响应图

通过电动舵机对正弦输入的跟踪响应情况来验证系统的动态性能。带额定负载时，通过上位机给舵机发送频率5 Hz、幅值±3°的正弦周期指令信号，图10为响应结果。实验得出，响应幅值达到±2.6°，幅值衰减1.24 dB，低于系统设计要求的3 dB；相位滞后小于90°，满足设计要求。

图10 5 Hz正弦响应结果

5 结 语

本文设计了一种无人机用机电一体化电动舵机控制系统。通过优化舵机结构，实现了集成化设计；控制器以DSP+CPLD为核心，采用PI控制算法，提高了系统的可靠性，结合IPM驱动器，简化了外围电路设计。实验结果表明该系统性能可靠，集成度高，适用于无人机系统。