摘要：針對現代滾轉彈箭武器的發展趨勢，分析了傳統舵機的控制弊端，提出一種新型舵機控制思想—反旋穩定舵機控制，選用無刷直流電機作為伺服電機，設計了一套基于DSP的控制系統。文章選用數字信號處理器（TMS320C6747）作為系統的主控芯片，采用三閉環控制技術，實現系統的全數字控制，文中詳細介紹了系統控制原理及硬件設計實現。

關鍵詞：TMS320C6747，電動舵機，無刷直流電機，伺服控制

引言：

自從導彈武器系統出現后，伺服執行機構成為其中的不可或缺的重要組成部分。伴隨著科技的不斷發展，精確打擊技術已從航空航天領域、戰略打擊武器系統、防空反艦武器系統向身管發射武器系統轉化和延伸。由于身管發射武器所具有的高過載、高轉速、小尺度、低成本等特殊要求，也為制導彈箭伺服執行機構提出了近乎苛刻的要求。

傳統的火箭與導彈都是采用液壓舵機或者氣動舵機伺服系統，具有動態特性好、輸出精度高、輸出功率大等特點，但同樣也存在結構復雜、加工精度高、體積重量大、價格昂貴、技術難度大等缺點。電動舵機以其簡單可靠，能源單一，維護方便，成本低廉，易于控制等優點得到人們的廣泛關注，并在滾轉彈箭上得到廣泛應用。隨著稀土永磁無刷伺服電機技術、大功率驅動電路技術、先進控制策略技術等的出現，電動舵機技術得到了進一步的發展[2]。

常規電動舵機利用減速裝置，將電機的高速旋轉運動轉換為舵翼繞舵軸的偏轉運動。當舵翼繞舵軸需要從正偏變為負偏，電機將經歷：高速正向轉動→急減速→零轉速→高速反向轉動→急減速的過程，不僅對系統的設計要求高，體積大，成本高，結構復雜也是主要的弊端。為此本文提出一種新型舵機控制思路和方案，即：反旋穩定舵機控制。

1.反旋穩定舵機控制原理

反旋穩定舵機是指全系統僅有一個反向旋轉（相對于彈體的滾轉方向）的伺服執行電機構成，通過控制電機相對于彈體的速度，實現彈體姿態調整。常規舵機的舵翼與彈軸是固連在一起的，這里摒棄了復雜的齒輪或連桿結構，將電機直接與穩定平臺連接，通過反向旋轉抵消彈體繞彈軸的旋轉運動，使得該穩定平臺在慣性坐標下保持沿彈體縱軸的穩定；舵翼是安裝在該穩定平臺上的，這樣與彈體實現了有效隔離，舵翼偏角維持不變。當彈載計算機發出控制指令后，利用彈體與穩定平臺的速度差控制舵翼偏轉到指定相位，并維持穩定，產生連續穩定的控制力矩，使得彈體的姿態可控，達到伺服的目的。

圖1工作原理簡圖

2.控制系統總體方案設計

選用無刷直流電機（BLDCM）作為伺服執行電機，主要考慮了BLDCM具有控制簡單、體積小，重量輕、效率高、運行可靠、壽命長、保養維修方便等優點[2]。BLDCM的額定轉速8000RPM，不能與穩定平臺直接相連，必須配合減速器使用。

彈載計算機通過串口，先將彈體的滾轉速度傳給DSP，與反饋速度值比較產生一定脈寬占空比的PWM信號控制電機旋轉，使穩定平臺保持在慣性坐標下沿彈體縱軸穩定。當需要調節彈體姿態的時候，彈載計算機通過串口再將舵翼位置信息傳送給主控單元，DSP接到控制指令后，調用控制算法控制舵翼發生偏轉，在指定相位穩定，總體框圖如圖2所示。

圖2系統總體框圖

3.控制系統硬件設計

反旋舵機控制系統由DSP主控電路、串口通信電路、功率驅動電路、信號檢測電路、保護電路等組成。

圖3主要硬件設計原理圖

3.1：主控電路

主控芯片選用美國德州儀器公司生產的TMS320C6747，它是一款新型32位浮點DSP芯片，主頻300MHz，片內集成eHRPWM、eCAP、eQEP模塊，配合編碼器使用，以最少的外圍電路對電機進行控制，非常適用于工業控制領域[1]。

C6747主要的工作量有：雙閉環控制算法，實現速度的控制、三閉環控制，實現相位的控制、故障保護。C6747接收到彈載計算機發出的控制指令后，通過與反饋信號值比較，經過控制器算法處理后，輸出占空比可調的PWM波，通過控制功率管的導通時間實現無刷直流電機速度調節。C6747片上沒有A/D模塊，通過外加ADC,采集主電路的電流、電壓，在發生過壓、過流時，能夠及時的通過軟件關閉PWM波輸出，保護功率管與電機。

3.2：轉子位置檢測及換向實現

為了得到恒定轉矩，需要對電機換向。轉子位置信號檢測是通過安裝在定子上的三個霍爾傳感器完成的。每個傳感器輸出脈寬180°電角度信號，三個霍爾傳感器輸出互差120°相位，在一個電周期內產生六個上升、下降沿，通過DSP的eCAP進行捕獲得到六個換向時刻。

只知道換向時刻還是不夠的，還應該查詢該換哪一相，通過DSP管腳復用寄存器將eCAP捕獲功能配置為I/O功能，讀取三路霍爾信號的電平狀態，再與換向時序匹配，實現換向功能。

3.3：隔離功率驅動電路

隔離電路將控制電路與驅動電路進行有效地隔離，達到保護主控電路的目的。驅動電路選用大功率MOSFET和IGBT專用集成驅動芯片IR2110作為前置驅動，它內置死區電路，有過流、欠壓保護功能，再加上自舉技術的運用，簡化了電路設計，提高了系統的可靠性。

逆變橋選用美國fairchild公司IGBT功率管搭建,為三相全控橋。系統設計自帶硬件保護功能，發生過壓、過流、上下橋臂短路時自動關閉IR2110輸出，配合軟件保護使用，提高了系統工作性能。

從TMS320C6747輸出的PWM信號先通過隔離電路，輸出到IR2110，將電壓提升到15V，從而可以開啟IGBT管。PWM信號具有一定占空比，調節占空比可以改變加到電機上的平均電壓，達到調節電機速度的目的。

3.4.信號檢測電路

信號檢測電路主要完成電流、速度、偏角三閉環反饋的檢測，以及過壓檢測、舵翼偏轉相位檢測。

3.4.1電流檢測

系統外擴AD數據采集芯片ADS7947。ADS7947是一個雙通道12位ADC,高執行，低功耗單通道工作時最大2MSPS的采樣速率，QFN封裝只有3mm*3mm。電流采樣是通過直流母線上的取樣電阻R實現的，如圖3，采樣電壓經放大電路放大、隔離、濾波后輸送給ADS7947，采樣頻率設置為PWM頻率。

電流采樣的關鍵在于采樣時刻的選取。直流無刷電機采用全橋雙極性驅動，每一次只有不同相的上下橋臂兩只功率管同時導通，開關管在PWM周期“開”瞬間，電流上升，不穩定，不宜采集，最佳時刻選取在PWM周期“開”中間時刻，如圖所示，Q1、Q4功率管控制波形與采樣時刻選取。

圖6電流采集時刻選取

3.4.2相位檢測

舵機舵翼偏轉相位的測量通過光電編碼器配合DSP的eQEP模塊完成，編碼器輸出A、B兩相互差90°電度角的脈沖信號，可以方便的判別出旋轉方向。由前面介紹知道，以往的舵機控制系統為了達到相位控制的目的，執行電機將反復的正轉與反轉，需要隨時的判斷電機的轉動方向，而本系統中的無刷直流電機只向一個方向旋轉，不僅對電機要求變低了，而且降低了算法難度。同時還有用作參考零位的Z相脈沖信號，碼盤每轉動一周，只產生一個脈沖，用來消除積累誤差。利用編碼器可以方便的測出舵翼的偏轉角度與滾轉穩定平臺對彈體的相對速度，并且測量精度高。

4.結論

該系統的設計主控單元使用TMS320C6747，所有的軟件實現都集中在了這款高性能DSP上，不僅僅要完成三閉環控制算法，還要進行與上位機的通信、轉子換向、A/D濾波、故障檢測等等，任務非常重，如果在主控單元中引入可編程邏輯器件，輔助DSP完成相應的工作量，控制系統將會更加的完善。

本文提出的設計思想，國內領先，能夠達到降低成本、減輕重量、提高性能的目的，研究成果對于滾轉彈箭的制導控制將產生革命性的改變。

參考文獻：

1.TexasInstrumentsInc.TMS320C6745/C6747DSPSystemReferenceGuide.March,2010

2.林忠萬,符強,李玉忍.基于DSP的導彈舵機控制系統研究.航天控制,2004

3.TexasInstrumentsInc.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設.北京，清華大學出版社，2007