基于 DSP控制的伺服机构高可靠调零的设计与实现

姜杰

贵州航天控制技术有限公司 贵州贵阳 550009

摘要：大部分伺服机构在进行整弹装配时需进行调零，但传统人为读取零位偏差的机械调零方式随机误差较大，且调零过程复杂、效率低。本文针对当前舵机调零的不足提出一种高可靠适合在整弹装配中的自动调零方法，直接读取零位偏差进行零位补偿，避免了读数偏差，简化了调零操作过程。通过实物验证，此方法可靠、有效，具有良好的应用前景和推广价值。

关键词：伺服机构；高可靠；自动调零；设计 

1 引言

伺服机构最为导弹伺服机构做为导弹制导的不可或缺的一部分，其零位偏差直接影响到导弹的控制精度，因此舵机在整弹装配中需进行舵机调零。目前，绝大多数舵机在整弹上进行调零采用机械式舵偏指示仪读取零位偏差,人工将记录的零位偏差通过通信上传舵机控制器，该调零方式因人工读取机械式舵偏指示仪的随机误差较大，且调零过程复杂、效率低。

为解决当前舵机调零过程中的不足，提出一种适合在整弹装配中的自动调零方法，舵机软件直接读取零位偏差后将其写入DSP处理器的片内FLASH存储区，作为零位补偿用，该调零方式简化了调零操作过程，能有效避免读数偏差。在本方法中，采用软件与硬件相互结合作为进入自动调零的入口条件，可有效的避免舵机在复杂条件下误触发自动调零的情况，提高了舵机工作的可靠性。

2伺服机构自动调零的设计

2.1 伺服机构的工作原理

伺服机构一般由执行机构，由控制器、电机、减速机构、传感器等构成，控制器电路通过控制A/D转换电路实时采集指令信号和位置反馈信号，并根据指令数据和反馈进行综合解算后形成控制信号，输出正反转和占空比控制信号到电机驱动电路，驱动伺服电机按一定规律转动输出，伺服电机通过减速器减速后带动操纵机构驱动燃气舵偏转，产生控制力矩，操纵导弹的燃气舵按指令偏转，从而实现对导弹飞行姿态的控制。

2.2 舵机调零环境

为实现在整弹装配中的自动调零，需建立舵机调零系统，舵机调零系统由软、硬件两部分组成。硬件部分包括调零设备（含电压、电流监测表、稳压电源、信息处理电路板）、测试计算机、USB电缆)、连接电缆以及地面电源，见图1所示。软件部分包括上位机软件及DSP数字处理软件。

上位机软件主要实现人机界面转换，上位机软件实现以下功能：通信状态检查、通过测试计算机USB接口向调零设备发送指令进行调零操作、接收并保持调零应答数据。

数字处理软件的主要功能：通过RS422接口等待接收测试计算机发送的指令，根据测试计算机发送的指令输出调零控制信号（TL1、TL2），通过RS422通信接口接收伺服机构应答输出的调零数据，并将其进行转换发送至测试计算机。

1. 舵机调零环境连接框图

2.3 调零技术方案

伺服机构在整弹装舱完成后，可通过机械式锁销将舵机输出位置锁定在弹体的机械零位，此时舵机的输出位置与弹上机械零位相重合，进行调零前需按图1所示的调零环境可靠连接。

调零只能发生在舵机地面装调时，正式工作后不能进行调零操作，因此为保证调零及工作软件的可靠性，本方法中将调零操作设置在软件闭环前，在软件闭环前检测不到调零信号，则再重新上电前均处于闭环工作状态。

软件进入调零状态需先进行硬件检测后进行软件检测，两者均无误后进入舵机凋零。硬件检测主要通过DSP的I/O口检测到调零信号（为提高调零的可靠性，调零控制信号设置两路相互独立的DSP可识别的3.3V高电平信号，分别为TL1、TL2，只有检测到两路调零控制信号均为高电平后才判断硬件开关开启），连续10次检测硬件开关均开启后进行软件检测，软件检测如下：

舵机先开启串口SCI，发送调零请求信号，10ms内接收到调零指令后进行自动调零操作，若10ms内未收到调零调零指令，则关闭SCI，不再进行数据接收，进入舵机闭环。

调零操作包括零位偏差采集、零位偏差写入FLASH存储器、零位应答输出，舵机调零方案流程如图2所示。

2. 舵机调零方案流程

调零操作主要步骤如下：

零位偏差采集：读取传感器输出的位置信号，即为零位偏差量；

零位数据写入：在将零位数据写入FLASH存储器（以E区为例）前，先完成FLASH存储器E区的解锁；待解锁成功后擦除FLASH存储器E区，再将零位数据写入FLASH存储器E区；

零位应答输出：为核实舵机调零的有效性，最后需要将写入FLASH存储器E区的零位数据读 取出，再通过串行通信接口将读取出的零位数据组帧输出至调零设备。

3样机验证

3.1试验验证

为验证本方法的可靠性及有效性，在某伺服机构上采用该调零方法，验证步骤及结果如表1 所示：

表 1 样机验证情况

3.2结论

根据样机验证情况有：

1. 舵机只有在硬件开关TL1、TL2均打开、并在发送调零请求后10ms内接收舵调零命令响应的情况下才能进行调零，充分验证了调零的可靠性；

2. 舵机调零后零位正确有效，能到达调零目的，验证了舵机调零的有效性。

4结论

本文针对当前舵机调零过程中读数偏差，操作复杂、效率低的问题，提出一种适合在整弹装配中高可靠的自动调零方法，避免了读数偏差，简化了调零操作过程，提升了整弹系统的装调效率，同时，采用软硬件相互结合的判断的方式，使得软件的工作可靠性得到了保证，在产品中的应用取得了很好的效果。

参考文献：

[1]苏奎峰,吕强,常天庆,等. TMS320X281x DSP原理及C程序开发. 北京：北京航空航天大学出版社，2011

[2]夏长亮. 无刷直流电机控制系统. 北京：科学出版社，2009

[3]Y.S.Lu, J.A Chen. Design of a global sliding-mode controller for a motor drive with Bonnded control[J].International Journal of Control,1995,62(5):1001-1019

作者简介：姜杰（1993.05-），男，白族，贵州省大方县人，本科，助理工程师，贵州航天控制技术有限公司，研究方向：伺服控制系统