CN112650122A - 燃气扰流片式伺服控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气扰流片式伺服控制系统，包括三片扰流片，舵机包括伺服电机和角度传感器，伺服电机连接有减速器，减速器的输出端设有摆臂，角度传感器与减速器连接，摆臂与扰流片之间通过支撑杆连接；伺服控制器包括以下模块，电源转换模块用于供电；通讯接口用于处理器接收舵机的控制指令或发送伺服控制器的工作状态信息；AD采集模块用于采集角度传感器反馈信号；驱动模块用于接收处理器的PWM控制信号；处理器B主要包括FPGA芯片，通过AD采集模块获取角度传感器反馈信号，结合控制指令或调用内部预设舵机控制指令，输出PWM控制信号给驱动模块。本发明利用FPGA并行处理的优势，对多个通道的舵机并行控制，降低控制延时，提高控制精度。

Description

燃气扰流片式伺服控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种伺服控制系统，具体涉及一种燃气扰流片式伺服控制系统及方法， 属于飞行控制技术领域。

背景技术

为保持飞行器按照预定轨迹稳定飞行，需要控制力进行姿态调节，空气舵是最常见 的姿态调节方式。但在特殊情况下，如低速飞行阶段或在大气层以外时，空气舵效率较低，通常利用发动机的高温燃气产生置偏力进行姿态调节，该类装置又称为推力矢量控 制机构，其中扰流片是典型的推力矢量控制方式之一。

扰流片布置在发动机喷口处(扰流片共有三片，周向间隔120°均匀布置)，传统 的扰流片控制与舵机直接连接，扰流片偏转角度与舵机偏转角度相同，发动机尾焰上的 高温直接通过扰流片传递到舵机上，致使舵机工作温度远超设计值，长时间工作时舵机 内部结构件容易产生变形乃至卡死，影响控制效果。此外，传统舵机控制器多使用DSP 处理器或是ARM单片机，在进行多个通道的舵机控制时，不同通道之间存在延时，这对 于采用高温燃气进行矢量控制的飞行器而言是不利的。

发明内容

针对上述不足，本发明提出一种燃气扰流片式伺服控制系统，扰流片通过支撑杆与 舵机连接，使舵机远离高温热源，达到长时间进行扰流片控制的目的；此外利用FPGA并行处理的优势，实现舵控算法，完成对多个通道的舵机的并行控制，降低控制延时，提 高控制精度。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种燃气扰流片式伺服控制系统，包括三片布置在发动机喷口处的扰流片，其特征 在于，包括：

控制扰流片的舵机，包括伺服电机和角度传感器，所述伺服电机的输出端连接有减 速器，所述减速器的输出端设有摆臂，所述角度传感器与减速器连接，所述摆臂与扰流片之间通过支撑杆连接；

驱动舵机的伺服控制器，包括电源转换模块、处理器、驱动模块、AD采集模块和通讯接口，其中

所述电源转换模块与输入电源连接，并向处理器、驱动模块、AD采集模块、通讯接口、开关量检测模块和角度传感器供电；

所述通讯接口与处理器连接，用于处理器接收舵机的控制指令或发送伺服控制器的 工作状态信息；

所述AD采集模块连接处理器和三路角度传感器，用于采集角度传感器反馈信号，将 结果输出给处理器；

所述驱动模块连接处理器B和三路伺服电机，用于接收处理器的PWM控制信号，转换 为驱动电源，并控制伺服电机；

所述处理器B主要包括FPGA芯片，FPGA芯片通过AD采集模块获取角度传感器反馈信 号，结合通讯接口接收的控制指令或调用内部预设舵机控制指令，计算出舵机的控制量， 输出PWM控制信号给驱动模块。

进一步地，所述伺服控制器还包括开关量检测模块，开关量检测模块连接处理器，用于接收起控信号，并发送给处理器；当处理器B检测到起控信号后，再根据接收到的 控制指令对舵机进行控制。

进一步地，所述处理器B还包括晶振、FLASH芯片、SDRAM芯片，所述晶振给FPGA芯片提供40MHz的时钟信号，所述FLASH芯片用于存储伺服控制程序的配置程序和软核代码，FPGA芯片在上电后从FLASH芯片加载程序代码，所述SDRAM芯片用于存储控制运算过程的临时数据。

进一步地，所述通讯接口包括RS422接口芯片，通过RS422接口芯片将FLASH芯片的CMOS电平信号转换为满足RS422电平的通讯信号。

进一步地，所述电源转换模块包括DCDC芯片、第一LDO芯片、第二LDO芯片、第三LDO芯片，所述DCDC芯片将输入电源转换为6V后提供给第一LDO芯片、第二LDO芯片和第三LDO芯片供电；第一LDO芯片将6V转换为3.3V和1.2V给处理器供电；第二LDO芯片将6V转换为3.3V给其他数字芯片供电，包括AD采集模块、通讯接口和开关量检测模块；第三LDO芯 片将6V转换为5V给AD采集模块以及角度传感器供电；同时输入电源给驱动模块的驱动部 分供电。

进一步地，所述驱动模块包括驱动芯片，FPGA芯片对驱动芯片输出有效使能信号MOTOR_EN后，输出24KHz的PWM控制信号，调节PWM控制信号的占空比，就能调节输出给 舵机的电压和方向。

进一步地，所述AD采集模块包含滤波电路和AD转换芯片两部分，角度传感器反馈信 号经过滤波后，通过一个电压跟随器连接到AD转换芯片的输入端，FPGA芯片通过SPI接口读取角度传感器反馈信号。

燃气扰流片式伺服控制系统的控制方法，其特征在于：

FPGA芯片上电配置完成后，开始检测起控信号，起控信号无效时，FPGA芯片会忽视控制指令中的舵控指令，只有当起控信号有效时，FPGA芯片才会开始执行控制指令中的 舵控指令；

FPGA芯片上电配置完成后，开始按照采样频率获取三个舵机的角度传感器反馈信号， 结合控制频率进行均值滤波处理，并转换成角度反馈值和角速度反馈值进行存储；

伺服控制器对舵机的控制采用位置环和速度环的双闭环控制策略，外环位置环的控 制周期要求小于等于控制指令的发送周期，而内环速度环的控制周期为外环位置环的控 制周期的1/5～1/10；在外环位置环控制中，伺服控制器按照内环速度环的控制周期更新 舵机的角度反馈值，结合控制指令中的舵机角度目标值，进行角度的控制计算，其计算结果作为内环速度环的速度目标值；在内环速度环控制中，伺服控制器按照内环速度环 的控制周期获取舵机的角速度反馈值，结合外环位置环的输出进行角速度的控制计算， 其结果转换为控制舵机的PWM控制信号；

PWM控制信号经过驱动模块转化为电机驱动控制信号，驱动舵机转动，实现角度和力矩的输出。

进一步地，所述支撑杆为“V”字形，夹角为转动支点C，夹角角度为α；支撑杆的 一端与摆臂活动连接，连接点为B，另一端与扰流片相互垂直固定连接；扰流片水平方 向的摆动角度δ与舵机的转动角度θ的换算关系为：

其中，L为摆臂的长度，S为摆臂的转动支点A到支撑杆的转动支点C的距离，β为∠BCA。

本发明的有益效果为：本发明中，扰流片通过支撑杆与舵机连接，使舵机远离高温热源，减少高温燃气对舵机的影响，实现长时间工作的目的；此外利用FPGA并行处理的 优势，实现舵控算法，完成对多个通道的舵机的并行控制，降低控制延时，提高控制精 度。

附图说明

图1是本发明舵机的结构示意图。

图2是本发明伺服控制器的组成框图。

图3是本发明电源转换模块的组成框图。

图4是本发明处理器的组成框图。

图5是本发明驱动模块的组成框图。

图6是本发明AD采集模块的具体实施例的电气连接图。

图7是本发明RS422接口的具体实施例的电气连接图。

图8是本发明开关量检测模块的具体实施例的电气连接图。

图9是本发明中伺服控制器的控制框图。

图10是本发明扰流片角度换算示意图。

图11是本发明扰流片角度转换曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

一种燃气扰流片式伺服控制系统，包括三片布置在发动机喷口处的扰流片6，控制扰流片6的伺服执行机构和驱动伺服执行机构的伺服控制器。

伺服执行机构

控制扰流片6的舵机，如图1所示，包括伺服电机1和角度传感器3，所述伺服电机1的输出端连接有减速器2，所述减速器2的输出端设有摆臂4，所述角度传感器3与减速器 2连接，所述摆臂4与扰流片6之间通过支撑杆5连接。所述支撑杆5为“V”字形，夹角为 转动支点；支撑杆5的一端与摆臂4活动连接，另一端与扰流片6相互垂直固定连接。

伺服电机1使用直流有刷电机，减速器2使用谐波减速器，角度传感器3使用精密导电塑料电位计，具有控制简单、传动效率高、角度分辨率高等优点。

所述支撑杆5与摆臂4的活动连接形式包括销轴与条形孔配合结构、球头与凹槽配合 结构。在摆臂4上端设置一垂直摆臂4的销轴，在支撑杆5上开设有条形孔,条形孔沿支撑杆5长度方向布置，销轴插在条形孔内；或者，摆臂4上端设置球头，支撑杆5的端头 设有凹槽，球头插在凹槽内。

伺服控制器

驱动舵机的伺服控制器，如图2所示，包括电源转换模块A、处理器B、驱动模块C、AD采集模块D、通讯接口E和开关量检测模块F，以及外部接口的输入电源I1、控制指令 I2、起控信号I3、角度传感器反馈信号I4、舵机驱动输出I5、传感器供电I6。

如图3所示，所述电源转换模块A与输入电源I1连接，并向处理器B、驱动模块C、AD采集模块D、通讯接口E、开关量检测模块F和角度传感器3供电。

所述电源转换模块A包括DCDC芯片A1、第一LDO芯片A2、第二LDO芯片A3、第三LDO芯片A4，所述DCDC芯片A1将输入电源I1转换为6V后提供给第一LDO芯片A2、第二LDO芯片A3 和第三LDO芯片A4供电；第一LDO芯片A2将6V转换为3.3V和1.2V给处理器B供电；第二LDO 芯片A3将6V转换为3.3V给其他数字芯片供电，包括AD采集模块D、通讯接口E和开关量检 测模块F；第三LDO芯片A4将6V转换为5V给AD采集模块D以及角度传感器3供电；同时输入 电源I1给驱动模块C的驱动部分供电。

如图4所示，处理器B主要包括FPGA芯片B1、晶振B2、FLASH芯片B3和SDRAM芯片B4，由第一LDO芯片A2产生的3.3V电源给FPGA芯片B1、晶振B2、FLASH芯片B3和SDRAM芯片B4 供电，此外第一LDO芯片A2还为FPGA芯片B1提供1.2V的内核电源和复位信号。

FPGA芯片B1通过AD采集模块D获取角度传感器反馈信号I4，结合通讯接口E接收的控 制指令I2，或调用内部预设舵机控制指令，进行舵控算法运算，解算出舵机的控制量，输出PWM控制信号给驱动模块C。FPGA芯片B1是整个伺服控制器的核心器件，选用Xilinx 公司的XC6SLX16系列的FPGA芯片，对三路舵机进行并行运算控制，降低响应延时，提高 动态性能。

晶振B2给FPGA芯片B1提供40MHz的时钟信号，所述FLASH芯片B3用于存储伺服控制程 序的配置程序和软核代码，FPGA芯片B1在上电后从FLASH芯片B3加载程序代码，所述SDRAM芯片B4用于存储控制运算过程的临时数据。

如图5所示，驱动模块C连接处理器B和三路伺服电机1，用于接收处理器B的PWM控制 信号，转换为驱动电源，并控制伺服电机1。

所述驱动模块C包括驱动芯片L6205PD，FPGA芯片B1对驱动芯片L6205PD输出有效使 能信号MOTOR_EN后，输出24KHz的PWM控制信号，调节PWM控制信号的占空比，就能调节输出给舵机的电压和方向。

如图6所示，AD采集模块D连接处理器B和三路角度传感器3，用于采集角度传感器反 馈信号I4，将结果输出给处理器B。

所述AD采集模块D包含滤波电路和AD转换芯片两部分，角度传感器反馈信号I4经过 滤波后，通过一个电压跟随器连接到AD转换芯片的输入端，FPGA芯片B1通过SPI接口读取角度传感器反馈信号I4。

如图7所示，通讯接口E与处理器B连接，用于处理器B接收舵机的控制指令或发送伺 服控制器的工作状态信息。

所述通讯接口E包括RS422接口芯片，通过RS422接口芯片将FLASH芯片B3的CMOS电平 信号转换为满足RS422电平的通讯信号。

如图8所示，开关量检测模块F连接处理器B，用于接收起控信号I3，并发送给处理器B；当处理器B检测到起控信号I3后，再根据接收到的控制指令对舵机进行控制。

FPGA芯片B1上电配置完成后，开始检测起控信号I3，起控信号无效时，SIGNAL信号的正负端连通，光耦输入端形成工作通路，输出端产生光电流，将输出信号拉至低电平，FPGA芯片B1会忽视控制指令I2中的舵控指令；只有当起控信号有效时，起控信号有效时，SIGNAL信号的正负端断开，光耦输入端不发光，输出端无管电流产生，输出信号被上拉 为高电平，FPGA芯片B1才会开始执行控制指令I2中的舵控指令。

燃气扰流片式伺服控制系统的控制方法：

伺服控制器的工作模式为，伺服控制器上电后不立刻开始舵机控制，当检测到起控 信号后才根据接收到的控制指令对舵机进行控制。FPGA芯片B1上电配置完成后，开始检测起控信号I3，起控信号I3无效时，FPGA芯片B1会忽视控制指令I2中的舵控指令，只有 当起控信号I3有效时，FPGA芯片B1才会开始执行控制指令I2中的舵控指令。

FPGA芯片B1上电配置完成后，开始按照5KHz的采样频率获取三个舵机的角度传感器 反馈信号I4，结合控制频率进行均值滤波处理，并转换成角度反馈值和角速度反馈值进行存储。设第n次采样的值为I(n)，则角度反馈值θ(n)和角速度反馈值ω(n)的计算式如下所示，其中T_ω为速度环控制周期：

如图9所示，伺服控制器对舵机的控制采用位置环和速度环的双闭环控制策略，外环位置环的控制周期要求小于等于控制指令的发送周期，否则导致较大控制延时，将位 置环的控制周期与指令发送周期设为一致，均为5ms，而内环速度环的控制周期为外环 位置环的控制周期的1/5～1/10，此处设计为1ms；在外环位置环控制中，伺服控制器按 照5ms的内环速度环的控制周期更新舵机的角度反馈值，结合控制指令中的舵机角度目 标值，进行角度的控制计算，其计算结果作为内环速度环的速度目标值；在内环速度环 控制中，伺服控制器按照1ms的内环速度环的控制周期获取舵机的角速度反馈值，结合 外环位置环的输出进行角速度的控制计算，其结果转换为控制舵机的PWM控制信号。

FPGA芯片生成的幅值为3.3V的PWM控制信号，PWM控制信号经过驱动模块C转化为24V 的电机驱动控制信号，驱动舵机转动，实现角度和力矩的输出。

如图10所示，所述支撑杆5为“V”字形，夹角为转动支点C，夹角角度为α；支撑 杆5的一端与摆臂4活动连接，连接点为B，另一端与扰流片6相互垂直固定连接。舵 机转动时支撑杆5也会转动，扰流片6沿支撑杆5支点C摆动，改变扰流片6投射到飞 行器尾喷口的面积，从而改变推力。由于支撑杆5的存在，舵机转动的角度与扰流片6 偏转的角度不一致，则扰流片6水平方向的摆动角度δ与舵机的转动角度θ的换算关系为：

其中，如图10所示，A点为舵机转轴，AB边为舵机的摆臂L，BCD构成支撑杆5，角度为α，CD边与扰流片6垂直，A点与C点直接的距离固定为S，β为∠BCA。

根据实际的零件尺寸和机构布局，得到在选定工作范围内扰流片角度和舵机角度关 系曲线如图11所示，为近似的线性关系。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本 发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃气扰流片式伺服控制系统，包括三片布置在发动机喷口处的扰流片，其特征在于，包括：

控制扰流片的舵机，包括伺服电机和角度传感器，所述伺服电机的输出端连接有减速器，所述减速器的输出端设有摆臂，所述角度传感器与减速器连接，所述摆臂与扰流片之间通过支撑杆连接；

驱动舵机的伺服控制器，包括电源转换模块、处理器、驱动模块、AD采集模块和通讯接口，其中

所述电源转换模块与输入电源连接，并向处理器、驱动模块、AD采集模块、通讯接口、开关量检测模块和角度传感器供电；

所述通讯接口与处理器连接，用于处理器接收舵机的控制指令或发送伺服控制器的工作状态信息；

所述AD采集模块连接处理器和三路角度传感器，用于采集角度传感器反馈信号，将结果输出给处理器；

所述驱动模块连接处理器B和三路伺服电机，用于接收处理器的PWM控制信号，转换为驱动电源，并控制伺服电机；

所述处理器B主要包括FPGA芯片，FPGA芯片通过AD采集模块获取角度传感器反馈信号，结合通讯接口接收的控制指令或调用内部预设舵机控制指令，计算出舵机的控制量，输出PWM控制信号给驱动模块。

2.根据权利要求1所述的燃气扰流片式伺服控制系统，其特征在于：所述伺服控制器还包括开关量检测模块，开关量检测模块连接处理器，用于接收起控信号，并发送给处理器；当处理器B检测到起控信号后，再根据接收到的控制指令对舵机进行控制。

3.根据权利要求2所述的燃气扰流片式伺服控制系统，其特征在于：所述处理器B还包括晶振、FLASH芯片、SDRAM芯片，所述晶振给FPGA芯片提供40MHz的时钟信号，所述FLASH芯片用于存储伺服控制程序的配置程序和软核代码，FPGA芯片在上电后从FLASH芯片加载程序代码，所述SDRAM芯片用于存储控制运算过程的临时数据。

4.根据权利要求3所述的燃气扰流片式伺服控制系统，其特征在于：所述通讯接口包括RS422接口芯片，通过RS422接口芯片将FLASH芯片的CMOS电平信号转换为满足RS422电平的通讯信号。

5.根据权利要求4所述的燃气扰流片式伺服控制系统，其特征在于：所述电源转换模块包括DCDC芯片、第一LDO芯片、第二LDO芯片、第三LDO芯片，所述DCDC芯片将输入电源转换为6V后提供给第一LDO芯片、第二LDO芯片和第三LDO芯片供电；第一LDO芯片将6V转换为3.3V和1.2V给处理器供电；第二LDO芯片将6V转换为3.3V给其他数字芯片供电，包括AD采集模块、通讯接口和开关量检测模块；第三LDO芯片将6V转换为5V给AD采集模块以及角度传感器供电；同时输入电源给驱动模块的驱动部分供电。

6.根据权利要求5所述的燃气扰流片式伺服控制系统，其特征在于：所述驱动模块包括驱动芯片，FPGA芯片对驱动芯片输出有效使能信号MOTOR_EN后，输出24KHz的PWM控制信号，调节PWM控制信号的占空比，就能调节输出给舵机的电压和方向。

7.根据权利要求6所述的燃气扰流片式伺服控制系统，其特征在于：所述AD采集模块包含滤波电路和AD转换芯片两部分，角度传感器反馈信号经过滤波后，通过一个电压跟随器连接到AD转换芯片的输入端，FPGA芯片通过SPI接口读取角度传感器反馈信号。

8.权利要求1-7任一所述的燃气扰流片式伺服控制系统的控制方法，其特征在于：

FPGA芯片上电配置完成后，开始检测起控信号，起控信号无效时，FPGA芯片会忽视控制指令中的舵控指令，只有当起控信号有效时，FPGA芯片才会开始执行控制指令中的舵控指令；

FPGA芯片上电配置完成后，开始按照采样频率获取三个舵机的角度传感器反馈信号，结合控制频率进行均值滤波处理，并转换成角度反馈值和角速度反馈值进行存储；

伺服控制器对舵机的控制采用位置环和速度环的双闭环控制策略，外环位置环的控制周期要求小于等于控制指令的发送周期，而内环速度环的控制周期为外环位置环的控制周期的1/5～1/10；在外环位置环控制中，伺服控制器按照内环速度环的控制周期更新舵机的角度反馈值，结合控制指令中的舵机角度目标值，进行角度的控制计算，其计算结果作为内环速度环的速度目标值；在内环速度环控制中，伺服控制器按照内环速度环的控制周期获取舵机的角速度反馈值，结合外环位置环的输出进行角速度的控制计算，其结果转换为控制舵机的PWM控制信号；

PWM控制信号经过驱动模块转化为电机驱动控制信号，驱动舵机转动，实现角度和力矩的输出。

9.根据权利要求8所述的燃气扰流片式伺服控制系统的控制方法，其特征在于：所述支撑杆为“V”字形，夹角为转动支点C，夹角角度为α；支撑杆的一端与摆臂活动连接，连接点为B，另一端与扰流片相互垂直固定连接；扰流片水平方向的摆动角度δ与舵机的转动角度θ的换算关系为：

其中，L为摆臂的长度，S为摆臂的转动支点A到支撑杆的转动支点C的距离，β为∠BCA。

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