基于双级式DDV作动器的伺服控制系统设计

基于双级式DDV作动器的伺服控制系统设计 基于双级式DDV作动器的伺服控制系统设 计 第45卷第9期 2011年9月 电力电子技术 PowerElectronics Vo1.45,No.9 September2011 基于双级式DDV作动器的伺服控制系统设计 谢奕胜,李小民,韩志华 (西安飞行自动控制研究所,陕西西安710065) 摘要:阐述了直接驱动阀(DDV)作动器的工作原理与特点,提出了以DSP和FPGA为管理核心的多闭环控制 系统,确立模拟实时闭环控制并以数字监控管理的伺服控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,建立作动器仿真模型,确定了回路参数.结 合工程实践,对关键功能电路进行阐述; 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了数字系统功能单元,并给出了软件管理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图,最后给出了原 理样机的试验结果. 关键词:作动器;数字信号处理;伺服控制系统 中图分类号:V249.122文献标识码:A文章编号:1000-100X(2011)09-0029—03 TheDesignofSevoControlSystemForDual?stageDDVActuator’ XIEYi.sheng.LIXiao—min,HANZhi.hua (用fAutomaticControlResearchlnstit”,Xi’帆710065,China) Abstract:,I1leprincipleandcharacteristicsofdirectdrivevalue(DDV)actuatorisexpatiated,amultiply closedloop controlsystemschemebasedonDSPandFPGAisofferd.Theclosedloopsisrealizedbyanalogcircuitwh ichisreal— timeandthedigitalcircuitworkasmonitororprocessor.Theappropriateparametersselectedbyemulatin gmakesure thatthesystemissuperperformance.Someofcircuitisemphasizedwhichiscrucialinproject.Thenshowt hesoftware flowchartwhichdigitalsystemwork.Theexperimentalresultsoftheservosystemarecompleted. Keywords:actuator;digitalsignalprocessing;servocontrolsystem 1引言 作动器伺服分系统是各种飞机实现飞行姿态 和飞行轨迹控制的关键飞行控制系统之一.其性 能的优劣直接决定了飞机的整体性能,如机动性, 可靠性,战伤生存力等【1.2】.在国外,基于DDV式作 动器的伺服控制已在多个先进机型中得到应用. 如F一18,F一22,B一2等.作为先进飞机标志性特点 之一的超音速巡航.要求伺服作动器能够提供巨 大的铰链力矩,同时,先进飞机向着高机动性,高 集成度,智能化,多余度方向发展,因此.对于作动 器控制系统的合理设计也提出了更高要求. 在此首先分析了双级DDV式作动器的特点. 针对作动器提出完整的伺服控制系统方案.设计 出伺服系统的闭环多回路控制结构.然后对闭环 回路进行仿真,并对关键功能进行了详细阐述,通 过工程样机试验验证了方案的可行性与正确性. 2DDV式作动器的工作原理与特点 在此控制对象为双级DDV式作动器.该作动 定稿日期:2011—03—2l 作者简介:谢奕胜(1978一),男,江西于都人,工程师,研究 方向为伺服控制电子. 器实现了双级电气四余度,机械液压二余度,具有 壁孔式回中功能,很好地保证了作动器可靠工作. 当作动器正常工作时,控制信号驱动DDV1力马 达.使得第一级直接驱动阀阀芯运动,而阀芯运动 产生的控制压差推动DDV2的阀芯运动,DDV2分 配的负载流量经过模态选择回中阀.分别作用于 双腔串联式作动筒的两腔,推动作动筒运动.在 DDV2及作动筒上分别装有四余度LVDT形成内 外回路的位置闭环控制. 该作动筒为串联双腔作动筒,作动器采用直 线位移力马达直接驱动阀芯.从原理上大大降低 了静态泄漏,具有明显优点【.其中力马达采用稀 土永磁材料和小惯性的铁心.这样能够提供很大 的输出力.并满足高响应与高频带的要求. 3伺服控制系统方案设计 控制系统按照硬件与功能关系.主要由以下 几部分组成:伺服控制系统采用RS一422总线接收 来自飞控计算机的指令:采用A3P1000型FPGA 实现对伺服回路的逻辑控制及其故障监控.完成 DDV式作动器工作模态的切换及ADC和DAC的 转换控制:系统采用DSPSMJ320F240HFPM40来进 行控制律解算,在固定任务周期内.完成周期任务 调度功4】:CPLDCY37256接受FPGA的监控量, 29 矛q]蚕昂制 2011年9月 电力电子技术 PowerElectronics Vo1.45,No.9 September2011 完成伺服逻辑控制:模拟伺服电路实现作动器的 位置,电流的闭环控制. 图1示出控制系统方案框图.可见.系统主要 分为:数字输入输出监控(IODM)部分以及伺服闭 环回路(SA)部分.SA伺服闭环回路把作动器的 反馈信号包括作动筒位置反馈,主控阀位置反馈, 电流反闭环处理,构建三闭环控制模型,并采用 PWM功率输出,控制作动器DDV1电流.实现对 作动器的闭环稳定控制.IODM数字输入输出监 控部分则完成系统任务管理,数据通信,故障监 控,模态转换等功能. ……………一曼……………一 图1控制系统框图 3.1电流回路设计 为提高系统对作动器力马达电流控制的精 度,系统采用了电流闭环回路,电流指令与电流反 馈之间的误差值信号作为电流回路的输入.经由 PI处理后,解算出相应的方向控制指令,同时得到 占空比确定的PWM控制信号,其中PWM信号的 载波频率为3.2kHz.方向信号和PWM信号经过 电流驱动电路输出相应的电流,作为输出到作动 器DDV1的工作电流.电流回路框图如图2所示. L.一一—堕—-_J 图2电流回路控制图 DDV1力马达电流驱动电路采用功率开关集 成H桥电路作为驱动器件,辅助必要的外围电路 即可完成驱动功能.该器件瞬态最大输出电流可 达6A,可输入rITI1L或COMS电平,设计合适的参 数.当PWM控制信号占空比为100%时,力马达 线圈电流达到最大.DDV1力马达为28V供电,为 提高系统抗干扰能力.需将控制信号与功率信号 进行光电耦合隔离.以保证系统稳定工作.另外, 为消除力马达线圈的反电动势及高电感的影响. 在切除DDV1电流时.方案中采用继电器方式对 电流通路进行物理切除. 3.2DDA与作动筒回路设计 作动简回路即作动筒传感器位置信号经解调 后的直流信号与来自飞控计算机的指令信号综 合,经结构滤波处理后得到作动筒回路误差信号. 形成闭环控制回路.DDV回路即由作动筒回路误 差信号与DDV阀传感器位置信号经解调后的直 流信号,以及与其他通道电流经均衡后的信号一 起构成闭环控制.控制回路框图如图3所示. 图3DDA与DDV回路控制图 由作动筒回路与DDV回路构成的内外回路 控制,将直接决定系统的频带,稳定性及其控制精 度,其回路参数的合理选择,对于解决系统静态误 差与动态超调至关重要,用AMESim软件建立作 动器结构参数化模型.并联合Simulink环境下加 以仿真验证.图4为作动筒回路仿真结果,仿真结 果显示DDA回路截止频率大于l0Hz.同样,DDV 回路的截止频率大于80Hz,满足系统要求. 一 5 茎l015 \r 通道电流均衡处理能有效解决通道电流误差 导致的作动器力纷争现象,有助于提高余度系统 一 致性及系统控制性能.回路中引入结构滤波器 是为避免作动器系统在特定频率下,导致谐振而 使系统不稳定.回路中的解调电路对保证系统的 控制精度至关重要.方案中采用了无相敏解调电 路,传感器的高,低端对中心抽头分别解调,解调 精度大于1%,纹波小于5mV.另外,切断阀(SOV) 电流放大器为SOV线圈提供电流,根据IODM的 控制逻辑.该放大器有复位,保持和断开3种工作 方式.电路在不同情况下能提供不同的电流,以提 供作动器在不同情况下接通SOV的电流需求. 4数字控制设计 数字伺服将完成系统的任务调度,控制律计 基于双级式DDV作动器的伺服控制系统设计 算,数据通讯,D/A转换,故障监控,逻辑控制,模 态转换,自我检测等功能,设计中采用了基于 FPGA和DSP为核心的数字伺服管理方案. 4.1数字系统功能单元 ?主控制器采用专用于运动控制的DSP SMJ32OF240处理器,适用于单片解决方案.该处理 器内含16Kx16bit静态FLASH存储器,544x16bit 动态RAM存储器,能满足系统要求;?NVM电路 选用广泛应用的STK14C68.由两片芯片组成8Kx 16bit,作为动态RAM或用来数据记录;?采用外 部CPLD构成WD电路,完成主处理器的监控功 能;?离散输入信号经滤波,限幅,电平变换,缓冲 等环节处理,离散输出信号经缓冲,锁存,电平转 换后送至飞控计算机.离散输出信号具有短路保 护功能.离散输出信号通过增加回绕检测电路,以 完成在线监控;?数据通讯接口电路用控制器与 飞控计算机或者DFTI设备,MBIT设备的数据通 讯,数字系统提供RS一422数据通讯接口,通讯速 率为115200bps. 4.2伺服控制器的软件设计 在数字伺服控制软件中实现的基本功能包括 信号处理功能,伺服控制律计算功能,故障检测处 理等.该系统应用软件任务调度模块通过对小帧 计数器的判别,实现小帧和大帧各功能的调度.任 务调度软件完成数据采集,信号处理,模式控制, 控制律,故障监控,飞行中机内自检测(IFBIT)和 信息申报等管理.软件流程如图5所示. 飞控系统上电 伺服控制器初始化 据上电标志判 上电还是复位 f上电自检测l 复位 习I 启动定时三 =3==l数据获取 ==亡I 模式控制 ====I 信号处理 控制律计算等待定时结束 图5任务调度软件流程图 5样机试验验证 5.1频率响应 试验通过扫频仪给系统输入指令为0.5的 正弦信号,监控作动器位置反馈结果.验证系统对 指令的频率特性.单余度同时工作时试验结果如 图6所示.可见,单余度同时工作时,截止频率为 8.5Hz.经试验验证,当双,三,四余度时,截止频 率均高于单余度的频率响应.符合系统性能要求. ? 蝈 磐 毯 器 f/Hz 图6频率响应测试曲线 5.2阶跃响应 试验通过信号发生器给系统输入指令分别 为4-1V的阶跃信号,监控作动器工作时的位置反 馈.测试曲线如图7所示.经试验验证,系统在?5V, ?9V指令时,均能快速响应阶跃信号,动态无超 调,稳态性能良好,满足系统要求. t/(500ms/格) 图7阶跃响应试验曲线 6结论 直接驱动阀式作动器以其输出扭矩大,高可 靠,易维修等诸多优点成为先进战机的伺服作动 器的首选,而伺服控制的多闭环控制设计,将保证 系统能够稳定,可靠,准确工作.针对DDV式作动 器的工作特点与性能提出了完整的伺服控制方 案,对闭环回路进行仿真验证.结合工程实践,对 关键功能电路进行详细阐述.经工程样机的试验 验证表明,该伺服系统工作正常,性能符合设计要 求,验证了方案设计的可行性. 参考文献 [1】金钰,胡佑德,李向春.伺服系统设计指导[M].北 京:北京理工大学出版社,2000. 【2】李宜达.控制系统设计与仿真[M】.北京:清华大学出 版社.2004. 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