基于DSP的數字化電動舵系統改進設計

王 亭，徐 波，趙紅超

（1.海軍航空工程學院七系，山東煙臺264001；2.91467部隊，山東膠州266300）

電動舵系統是飛航式導彈控制系統（自動駕駛儀）的伺服機構（伺服執行設備），其作用是根據控制信號控制導彈的舵面、副翼動作，對導彈進行姿態控制和航向控制[1]，有著體積小、結構簡單、造價低的優點，在滿足性能指標的前提下，是采用的首選。隨著導彈作戰性能要求的提高，導彈武器系統也不斷地發展，要求導彈有更高的穩定性和機動性，傳統的模擬式電動舵機的性能由于其控制方式相對落后而難以適應導彈性能提高的要求。因此，設計采用嵌入式處理器，運行先進的控制算法的舵機數字化控制器，已成為相關工程技術人員研究的重點[2-5]。

與傳統的模擬控制方式的舵系統相比，數字化舵機具有控制精度高、可靠性高、抗干擾能力強等優點，而且一個重要的特點是便于控制參數調整和控制算法優化，以適用于不同的要求和對控制器設計的改進。越來越多的研究人員開始選用各種微處理器與數字控制模式來設計電動舵機系統[6-10]。

本文利用先進的DSP（TMS320LF2407A）控制技術，對一套基于單片機的導彈數字化電動舵機系統（樣機）進行了技術改進，并深入研究了線性/變結構控制方法在導彈電動舵機系統中應用的可行性，這對于研究新型控制方法在電動舵機系統中的應用以及提高舵機性能具有重要意義。

1 數字化舵系統改進設計方案

1.1 原舵機系統簡介

某型數字電動舵系統是由單片機數字控制器、H橋式PWM功率放大器、永磁式直流伺服電機、諧波減速器、角度電位計等組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 某型數字電動舵系統原理圖Fig.1 Principle diagram of a digital electric rudder system

圖1 中，數字舵機控制器主要包括：INTEL N80C196-16 單片機、ADC 轉換器AD1674、DAC 轉換器DAC7545 和其他工作電路；PWM 功率放大器由PWM 脈沖信號發生器、光—電隔離電路和H 橋式功率放大電路組成；控制對象是帶精密諧波減速器的永磁式直流伺服電動機。

考慮對舵機的快速性和穩定性的要求，數字舵系統控制算法采用了線性/變結構控制復合控制[11]，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 原數字化舵機控制原理框圖Fig.2 Original block diagram of digital rudder

其基本控制策略是：在整個控制過程舵機受到u=V1的PD控制；當切換函數σ的值大于設定的閾值后就在PD控制的基礎上疊加變結構控制量V2，此時，控制器的控制量u=V1+V2。這樣，既提高了舵機的一定響應速度，也可消除變結構控制引起的顫振現象。

1.2 存在問題及改進設計方案

實驗分析發現：通過改進控制算法，還能夠進一步提高舵機的快速性；另一重要問題是，盡管原有的數字化舵機的線性/變結構控制復合控制算法針對舵機負載變化（相當于導彈飛行時空氣動力干擾力矩擾動）帶來的舵機模型中b的變化具有很好魯棒性[2]，但在對系統電源噪聲和數字電路本身的開關噪聲比較敏感，在角度給定信號不變的情況下，容易引起舵機軸的脈動和突顫。因此，需要對數字化舵機控制器進行改進。

本文在3 個方面進行了改進設計：一是對控制算法進行了改進，增加了系統分段PID的控制方法；二是對舵系統偏差e進行數字濾波后再進入控制算法的計算；由于進行了上述改進，增加了數字控制器的計算量，通過實驗測定，單片機N80C196-16 在實時計算1個周期需要1.66 ms，大于設定的1 ms控制周期，在不能延長控制周期的前提下，進行了第3個改進設計，即采用運行速度大大快于單片機的DSP 作為控制器的CPU，對原舵機數字控制器電路進行升級改造，利用DSP擴展ADC、DAC轉換電路，完成基于DSP的數字化舵系統控制器的硬件設計，如圖3所示。

圖3 DSP數字化舵系統原理框圖Fig.3 Principle diagram of DSP digital rudder system

改進設計的數字化舵機系統由于采用了比單片機更加先進的DSP（TMS320LF2407）控制技術，提高了控制算法計算能力，既保持了原有的線性/變結構復合控制帶來的控制精度高、響應超調小、系統魯棒性好的優點，還提高了其響應快速性，更好地解決了因電源噪聲和數字電路開關信號帶來的干擾問題，大大改善了數字舵系統的動態性能指標和穩態品質。

2 控制算法的改進

2.1 舵機誤差信號的數字濾波

在舵機誤差信號e進入控制算法計算前，DSP 控制器連續采集N次數據，計算其平均值然后進行非值數據剔出。將采集的數據絕對值逐個與kxep（kx是范圍放大比例系數，本應用實驗確定為1.5）的絕對值進行比較，若：||ei＞||kxep，則確定ei為非值，應剔出。剔出的非值大多是供電電源等強噪聲的毛刺和尖峰引起的。

剔出非值數據后，將剩下的數據進行平均即可得到舵機偏差信號的有效數據：

式（1）中：N為采集的數據個數；X為剔出的非值個數；ep2為有效數據的平均值，即可進入控制算法的計算。

此濾波算法簡單有效，易于工程實現，濾掉了舵機偏差信號中不確定的尖峰和毛刺，消除了其對控制器的影響，從而顯著提高了數字舵系統的抗干擾能力。

2.2 分段PID控制算法

分段PID控制是針對電動舵機這一類特定控制對象提出的一種控制方法。數字控制器的輸出信號的控制對象是包括PWM功率放大器、永磁直流電動機、諧波減速器的電動舵機，其模型一般可以簡化為一個二階環節[1-2]。

任何系統都要受到功率的限制，沒有無限大功率的系統存在。由于PWM控制器和直流伺服電動機都具有飽和特性，所以舵機存在一個最大轉速，進入飽和區時，舵機的轉速最快，系統響應也最快，為了使舵機迅速轉到規定的位置，應使舵機最大限度的工作在最大轉速，即所謂的飽和區。當舵機進入線性區后就要考慮使其具有良好的動態響應效果，鑒于單一的PID 控制很難保證舵機在復雜情況下的動態性能，提出了一種分段PID控制的方法，如圖4所示。

圖4 分段PID控制原理框圖Fig.4 Principle diagram of the segmenting PID control

圖4中，X軸表示時間，Y軸表示舵機轉角，X軸和Y軸的交點表示期望的舵機轉角；曲線Ⅰ表示舵面正向期望值偏轉，此時，舵面誤差為正；同樣，曲線Ⅱ表示舵面誤差為負。+Δ 和-Δ 表示設定的線性控制區域。

當系統軌跡處于A區時，表示舵面未進入線性控制區域，此時控制信號為最大值，使功率放大器輸出電壓最大，舵面偏轉速度最快。當系統軌跡進入B區時，表示舵面進入線性控制區域，開始使用PD 控制。由于舵機正轉和反轉的性質略有不同，所以正轉和反轉使用不同的PD 參數。當系統軌跡進入C 區后，離期望值越來越近，此時，不再追求速度，而要追求其動態性能，所以，在這一區域，再選擇不同的PD參數，使其具有良好的動態響應過程。同樣，要根據誤差的正負，選擇不同的PD參數。當系統軌跡進入D區后，不論是正轉還是反轉，都取同樣的PD 參數，而此時的PD 控制器作為系統響應的精調，已不需太大的輸出能量，所以，此時的比例和微分系數都比較小。此時，系統以較好的運動性能進入E區。當系統軌跡進入E區后，已接近系統允許的誤差帶，不再要求快速性，應注重精度控制和穩態控制，因此在此區域采用PI 控制。

由于舵機是一個復雜的非線性系統，存在很多不確定性，所以分段PID參數均在實際調試實驗過程中，根據響應曲線的結果，經多次分析后調整確定，使系統有一個好的動態響應效果。

2.3 分段PID/變結構復合控制

在圖4 中，E 區就是設定的變結構控制閾值。在系統軌跡進入E 區前，采用復合控制量（V1和V2）；進入E 區后，采用V1控制（PI 控制），整個控制原理框圖如圖5所示。

圖5 分段PID/變結構復合控制原理圖Fig.5 Principle diagram of the segmenting PID/variable structure combining control

這樣，既保留了變結構控制強魯棒性、快速性的優點，對系統參數攝動和噪聲干擾都不敏感，消除系統毛刺、尖峰干擾帶來的影響，又進一步提高了系統快速性[12-13]。

3 系統的硬件設計

圖6 DSP控制舵機系統結構框圖Fig.6 Structural diagram of rudder system with DSP controller

完整的DSP 數字化舵系統的結構框圖如圖6 所示。角度位置傳感器采用電位計敏感舵偏角信號，數字控制器通過A/D采集系統誤差信號，進行濾波后經控制算法解算出控制量，通過D/A 輸出到PWM 功率放大器，驅動電動機負載舵面轉動，達到控制的目的。

圖6 中，通用計算機用來對舵系統進行調試時角度給定控制和性能指標的測試。DSP 控制器由DSP工作電路、存儲器擴展電路、ADC、DAC 擴展、偏差信號調整等部分組成。

3.1 DSP工作電路設計

選用TI 公司的控制DSP TMS320LF2407A 作為舵系統數字控制器的處理器。此DSP控制功能強，運算速度很快，30 MIPS 的執行速度使得指令周期縮短到33 ns。從而縮短了控制器的實時時間，有助于在一定控制周期內提高了運行復雜控制算法和有效濾波算法的計算能力。

DSP 要正常工作，必須完善基本的工作電路：時鐘電路、復位電路、存儲器擴展電路，以及DSP擴展其他電路需要的三類總線：數據總線、地址總線、控制總線[14]。

3.2 片外存儲器擴展設計

盡管TMS320LF2407A內部有32 kB的FLASH程序存儲器，1.5 kB的數據/程序RAM，54 B的DARAM和2 kB 的SARAM，已足夠系統應用，但是為了便于方便實驗樣機的軟件調試，設計了DSP 外部存儲器RAM：CY7C1021BV33，可尋址64 kB，由DSP 的/DS和/PS邏輯與后作為其片選信號。

通過跳線設置DSP 的MP/MC=1，則DSP 復位工作在微處理器方式，程序從擴展的片外存儲器RAM的0000H開始執行。在此方式下，可采用DSP仿真器通過JTAG 接口將用戶程序代碼下載到片外RAM 存儲器，并對舵機控制軟件進行實時仿真。

當控制程序調試完畢，可用DSP 仿真器通過JTAG接口將程序編譯代碼在線固化在DSP片內程序存儲器（FLASH EEPROM）。設置DSP 的MP/MC=0，則DSP復位工作在微控制器方式，程序從片內程序存儲器（FLASH EEPROM）的0000H 開始執行固化的用戶程序。

3.3 ADC數據采集電路設計

TMS320LF2407A 本機具有帶內置采樣/保持的10位模數轉換功能模塊，但是其分辨率和單極性的輸入范圍不能滿足本系統的要求，需擴展一片12BIT 的ADC轉換器AD1674JN。

AD1674JN是美國模擬器件公司用來替代AD574的ADC轉換芯片，封裝、功能完全兼容，但是其轉換時間由25 μs 減少到了10 μs 以內，且增加了內置采樣保持器。由于數模轉換的數據輸出具有三態輸出緩沖器，因而AD1674JN 的12 位的數據總線D0-D11 可直接和DSP的數據總線D0-D11連接。

轉換的模擬信號連接到芯片的14 管腳（20VSPAN），進行雙極性輸入變換，模擬輸入信號電壓范圍為-10 V～+10V。

舵機本身的轉角范圍-20°～+20°，舵系統傳遞系數為2°/V。必須將舵機精度位置傳感器輸出的±15 V電壓通過尺度比例轉換為±10 V 范圍，且對應角度范圍為±20°。

3.4 DAC數據輸出電路設計

TMS320LF2407A 無DAC 轉換功能模塊，要將DSP 控制器算法解算的數字量控制結果轉換輸出模擬量，控制PWM功率放大器驅動伺服電機動作，DSP必須擴展12位的DAC轉換器。DAC轉換芯片采用美國B-B公司的12BIT轉換器DAC7545。

由于DAC7545輸入的數據總線為帶鎖存的12位數據總線，其數據總線D0-D11 可直接掛在DSP 的12位數據總線上；另外設計了信號調制電路，使模擬輸出電壓控制在雙極性±10 V 范圍內，調整電路中的基準電壓參考VREF采用AD1674JN的REFOUT輸出的基準電壓10.000 V。

舵系統DSP數字控制器電路的結構框圖如圖7所示。

圖7 DSP數字控制器電路圖Fig.7 Circuit diagram of DSP digital controller

4 系統的軟件設計

舵機DSP控制器軟件調試采用DSP仿真器進行，調試環境為CCStudio V3.3，并根據硬件存儲器結構配置了連接命令CMD 文件，考慮到C 和匯編語言各自的特點，控制器軟件采用ANSI C 和DSP 匯編語言混合編寫。

控制器的總體程序主要由主程序、中斷服務程序組成。主程序主要完成了DSP工作方式、內部特殊功能寄存器、中斷管理的配置，系統的初始化和各項應用設置，以及通過進行ADC、DAC轉換初始電壓的設置進行系統零位的設定。由于數字舵系統選用1 ms控制周期，通過利用DSP內部通用定時器功能模塊和輸入時鐘預定標系數設定，使其工作為1 ms定時中斷工作方式。

在DSP的中斷服務程序里完成數據采集、信號濾波算法計算，根據得到的系統誤差信號有效值，進行分段PID控制/變結構復合控制算法的計算，并將計算的控制量通過DAC輸出，控制PWM功率放大器驅動伺服電動機動作，以完成一個控制周期的控制工作。退出中斷服務程序后，回到主程序，等待下一個1 ms定時中斷。

5 實驗結果

根據舵機模型及設計的分段PID 控制/變結構復合控制器，對系統進行了計算機仿真（加階躍輸入信號，分析階躍輸出響應）。同時，通過DSP數字化舵系統實際運行得到了實驗曲線（給定階躍輸入信號，測得實際階躍輸出響應），仿真結果和實驗調試結果的響應曲線的對比圖如圖8（角度給定輸入信號為1 V階躍信號）和圖9（角度給定輸入信號為10 V 階躍信號）所示，圖中虛線為仿真結果，實線為實驗結果。通頻帶測試是頻率域的一項重要指標，通過對改進的DSP數字舵系統的通頻帶測試，其帶寬已經達到了10 Hz，系統的10 Hz的正弦信號跟蹤曲線如圖10所示。

圖8 1 V 階躍響應曲線對比圖Fig.8 Comparison diagram of 1 V step response curves

圖9 10 V 階躍響應曲線對比圖Fig.9 Comparison diagram of 10 V step response curves

圖10 舵系統10 Hz 正弦跟蹤曲線Fig.10 10 Hz Sinusoidal tracking curve of rudder system

可見，實驗響應曲線和仿真響應曲線比較趨近，不但減少了上升時間，提高了響應速度，對小信號時抗干擾性能也大大增強，消除了靜態脈動和振顫，說明設計的舵機DSP控制器很有效。

6 結束語

本文進行了數字舵機DSP 控制器的軟、硬件設計，設計的重點是應用分段PID控制/變結構復合控制實現了基于DSP 數字化舵系統的控制。從實驗和仿真結果可以看出，系統的響應速度快，抗干擾能力大大增強。同時，由于DSP 計算速度快，在不改變系統硬件的基礎上，1 ms的控制周期內還有足夠的時間余量來進行其他先進算法的研究和實驗。

[1] 錢杏芳. 導彈飛行力學[M]. 北京：北京工業學院出版社，1987：12-13.

QIAN XINGFANG. Missile flight dynamics[M]. Beijing：Beijing Industry College Press，1987：12-13.（in Chinese）

[2] 王亭，任曉軍，楊智勇.基于單片機的數字化舵系統設計[J].海軍航空工程學院學報，2007，22（5）：517-521.

WANG TING，REN XIAOJUN，YANG ZHIYONG. Design of digital rudder system based on chip microcomputer[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University，2007，22（5）：517-521.（in Chinese）

[3] 趙小龍，馬鐵華，劉艷莉.一種數字化舵機系統設計與實現[J].核電子學與探測技術，2012，32（5）：552-556.

ZHAO XIAOLONG，MA TIEHUA，LIU YANGLI. Design and realization of a digital rudder system[J]. Nuclear Electronics and Probing Technique，2012，32（5）：552-556.（in Chinese）

[4] 趙小龍，馬鐵華，劉艷莉.一種數字化舵機系統設計與實現[J].核電子學與探測技術，2012，32（5）：552-555.

ZHAO XIAOLONG，MA TIEHUA，LIU YANLI.The design and implementation of a set digital actuator system[J].Nuclear Electronic&Detection Technology，2012，32（5）：552-555.（in Chinese）

[5] 楊君君.基于機電聯合仿真的數字化舵機非線性控制研究[J]. 中北大學學報：自然科學版，2013，34（4）：419-423.

YANG JUNJUN. Research on nonlinear control of digital actuator based on electromechanical cosiumulation[J].Journal of North University of China：Natural Science Edition，2013，34（4）：419-423.（in Chinese）

[6] 米月星，林輝，李志.基于DSP+CPLD 的電動舵機伺服控制器設計[J].微特電機，2012，40（8）：61-63.

MI YUEXING，LIN HUI，LI ZHI.Servo controller design of eectric rudder system based on DSP and CPLD[J].Small & Special Electrical Machines，2012，40（8）：61-63.（in Chinese）

[7] 賀星，單鵬.基于DSP+FPGA 的電機伺服控制[J].航空計算技術，2012，42（5）：121-123.

HE XING，SHAN PENG. Electric motor servo control based on DSP and FPGA[J]. Aviation Computing Technology，2012，42（5）：121-123.（in Chinese）

[8] PARESH C SEN. Electric motor drives and control—past，present and future[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，1990，37（6）：562-575.

[9] 李福瑞，李擎，夏嵩.直流電動舵伺服系統設計與研究[J].北京信息科技大學學報：自然科學版，2010，25（1）：42-45.

LI FURUI，LI QING，XIA SONG.Design and research of DC electric rudder servo system[J].Journal of Beijing Institute of Machinery：Natural Science Edition，2010，25（1）：42-45.（in Chinese）

[10]鮑燕偉.基于DSP的氣動伺服系統的研究[J].液壓與氣動，2009（12）：30-33.

BAO YANWEI. The study of pneumatic servo system based on DSP[J].Chinese Hydraulics&Pneumatics，2009（12）：30-33.（in Chinese）

[11]高為炳.變結構控制的理論及設計方法[M].北京：科學出版社，1996：211-213.

GAO WEIBING. Theory and design method of variable structure control[M]. Beijing：Science Press，1996：211-213.（in Chinese）

[12]王豐堯.滑模變結構控制[M].北京：科學出版社，1996：32-33.

WANG FENGRAO. Sliding mode variable structure control[M].Beijing：Science Press，1996：32-33.（in Chinese）

[13] GU WENJIN，ZHANG YIFEI，LI CHANGPING，et al.Composite control of linear/adaptive variable structure control，Chinese Journal of Aeronautics，2001，14（1）：49-56.

[14]劉和平，王維俊，姜渝，等.TMS320LF240X DSP C 語言開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：1-99.

LIU HEPING，WANG WEIJUN，JIANG YU，et al.Development and application of TMS320LF240X DSP C language[M].Beijing：Beihang University Press，2003：1-99.（in Chinese）