本發(fā)明一種針對(duì)主動(dòng)側(cè)桿的先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)方法屬于民機(jī)主動(dòng)側(cè)桿控制
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：主動(dòng)側(cè)桿系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括：手柄、操縱桿、縱橫向電機(jī)、力-位移傳感器及本發(fā)明涉及的控制器。其基本原理是通過電控人桿原理調(diào)整駕駛桿的“力-位移”特性，反饋飛機(jī)的狀態(tài)信息，從而加強(qiáng)駕駛員的“情景意識(shí)”，獲得更好的操縱性能。同時(shí)，主動(dòng)側(cè)桿系統(tǒng)能夠在自動(dòng)駕駛時(shí)跟隨駕駛儀指令，使駕駛員感受到駕駛儀的指令跟隨。隨著電傳飛控系統(tǒng)在民機(jī)上的應(yīng)用，空客(airbus)在a320飛機(jī)率先采用了側(cè)桿操縱裝置。在飛機(jī)操縱系統(tǒng)中側(cè)桿裝置相對(duì)于中央駕駛盤而言，具有擴(kuò)大視野，改善座艙布局、降低維護(hù)成本，改善操縱品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。主動(dòng)側(cè)桿控制器采用四通道數(shù)字伺服控制電路，接收飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)于側(cè)桿的數(shù)字控制指令，綜合位置、速度、電流及桿力反饋信號(hào)后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，自主閉環(huán)控制一套主動(dòng)側(cè)桿系統(tǒng)，使側(cè)桿完成相應(yīng)的控制功能。國外研究現(xiàn)狀，上世紀(jì)90年代隨著電動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)操縱負(fù)荷系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用?；裟犴f爾生產(chǎn)了主動(dòng)式的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)式的駕駛桿；德國宇航中心(getmanaerospacecenter，dlr)研制了主動(dòng)式的電磁驅(qū)動(dòng)的駕駛桿；隨著技術(shù)的發(fā)展，目前主動(dòng)側(cè)桿核心部件采用力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件。stirling、bae、honeywell、collins等公司經(jīng)過多年的技術(shù)研究，相續(xù)研制出民機(jī)主動(dòng)側(cè)桿控制系統(tǒng)工程樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室級(jí)的環(huán)境下進(jìn)行試飛驗(yàn)證，已儲(chǔ)備了滿足下一代戰(zhàn)斗機(jī)和新型民機(jī)上應(yīng)用的主動(dòng)側(cè)桿技術(shù)。美國率先在f35第四代戰(zhàn)斗機(jī)上使用由stirling公司提供的主動(dòng)側(cè)桿，而民用飛機(jī)的主動(dòng)側(cè)桿通過近20年的研究，技術(shù)趨于成熟。國內(nèi)研究現(xiàn)狀，西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校相續(xù)在此領(lǐng)域進(jìn)行了理論方面的研究。隨著國產(chǎn)大飛機(jī)的國家立項(xiàng)，我國c919飛機(jī)后續(xù)的改型飛機(jī)及以后c929等大型客機(jī)，已將采用主動(dòng)側(cè)桿列入備選方案。到目前為止，國內(nèi)僅在此領(lǐng)域進(jìn)行了理論方面的研究，工程產(chǎn)品尚屬空白。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的為解決主動(dòng)側(cè)桿矢量控制技術(shù)硬件電路設(shè)計(jì)問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種針對(duì)主動(dòng)側(cè)桿的先進(jìn)伺服控制器，完成主動(dòng)側(cè)桿控制方面的相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證和工程化實(shí)現(xiàn)，搭建主動(dòng)側(cè)桿伺服系統(tǒng)電子驗(yàn)證平臺(tái)，為后續(xù)主動(dòng)側(cè)桿系統(tǒng)的研制奠定扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。本發(fā)明的技術(shù)方案：一種針對(duì)主動(dòng)側(cè)桿的先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)方法，所述方法采取以下步驟：1)機(jī)箱設(shè)計(jì)，機(jī)箱由多塊功能單板層疊組合而成，從上至下依次為控制器電源板，電流采集板，數(shù)字伺服控制板，由板間接插件實(shí)現(xiàn)板間連接；2)電源板設(shè)計(jì)，電源板的功能是實(shí)現(xiàn)一次電源綜合和交流電源的轉(zhuǎn)換、保護(hù)和輸出，以及電源監(jiān)控和信號(hào)轉(zhuǎn)接；電源板采用雙余度配置，為傳感器提供交流激磁電源；3)電流采集板設(shè)計(jì)，電流采集板的功能為實(shí)現(xiàn)電樞電流采集和轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)；電樞電流采集電路，利用采樣電阻對(duì)電樞電流進(jìn)行采集，經(jīng)過差分放大，比例運(yùn)算及一階濾波后，將采集信號(hào)輸出到數(shù)字伺服控制板；轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)，采用解調(diào)芯片，實(shí)現(xiàn)傳感器勵(lì)磁供電及轉(zhuǎn)子位置解調(diào)；旋變解調(diào)結(jié)果，通過串行總線傳至數(shù)字伺服控制板，最終完成電機(jī)閉環(huán)伺服控制；4)數(shù)字伺服控制板設(shè)計(jì)，數(shù)字伺服控制板采用處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列并行工作結(jié)構(gòu)；由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行總線通信和旋變解碼功能；處理器完成控制律計(jì)算、總線通信、脈沖寬度調(diào)制信號(hào)生成功能；數(shù)字伺服控制板采用光電隔離技術(shù)，將處理器產(chǎn)生的控制信號(hào)與電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電氣隔離；通過對(duì)位置傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行高低端分別整流、濾波及阻抗變換，解算舵機(jī)的當(dāng)前位置；通過接收桿力傳感器反饋，進(jìn)行濾波及阻抗變換，解算桿力信號(hào)，生成控制指令；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路器及采樣保持器組成。該方法還包括以下步驟：中小功率正弦波電機(jī)矢量控制，采用坐標(biāo)系變換和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)側(cè)桿正弦波電機(jī)的控制信號(hào)輸出；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換分頻采樣技術(shù)，保證電流采集的實(shí)時(shí)性；采用處理器事件管理器雙路定時(shí)器同時(shí)輸出，保證脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制精度和平滑度；電樞電流采集電路采用兩只1ω、3w、0.5％精度的電阻并聯(lián)，將差分輸入的電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器op4177進(jìn)行放大，加入時(shí)間常數(shù)為9.912us一階濾波器，最終以電壓的形式輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，保證電流采集精度；轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)采用au6802n1型轉(zhuǎn)子旋變解調(diào)芯片，設(shè)計(jì)旋變解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)4路轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)及7v10khz傳感器勵(lì)磁供電，最終將解調(diào)結(jié)果通過串行總線上傳；處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列并行工作結(jié)構(gòu)，處理器采用ti公司c2000系列高性能32位數(shù)字處理器smj320f2812，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列選用actel公司的a3p1000系列芯片，兩種數(shù)字芯片并行工作，大幅提高了控制單元數(shù)字處理速度，縮短控制單元任務(wù)周期，并相互監(jiān)控，提高可靠性。本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：(1)本發(fā)明提供了一種基于正弦波電機(jī)矢量控制算法的主動(dòng)側(cè)桿控制器硬件設(shè)計(jì)方案，提升了矢量控制技術(shù)的技術(shù)成熟度；(2)通過高性能的電流采集和旋變轉(zhuǎn)子位置解調(diào)，結(jié)合力反饋的綜合控制算法，解決了原有方波電機(jī)控制在轉(zhuǎn)向過程中具有的較大力矩波動(dòng)問題，提高了主動(dòng)側(cè)桿操縱的控制精度、平滑性，提升了側(cè)桿的操縱品質(zhì)。(3)通過控制器設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了主動(dòng)側(cè)桿的力反饋設(shè)計(jì)效果，使飛行員能夠直接感受到飛機(jī)受控運(yùn)動(dòng)后的反作用力，從而正確感知操縱的效果并及時(shí)做出修正。(4)解決了縱橫軸交叉耦合問題，防止一個(gè)軸向上的控制輸入無意間觸發(fā)另一個(gè)軸向上的飛機(jī)運(yùn)動(dòng)，成為其他軸向上的耦合性控制指令。軸向指令的交叉耦合是高精度手控績效的主要障礙。附圖說明圖1為主動(dòng)側(cè)桿控制器功能框圖圖2為控制器結(jié)構(gòu)尺寸圖3為數(shù)字伺服控制板光電隔離及電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元原理框圖圖4為正弦波電機(jī)控制框圖具體實(shí)施方式一種針對(duì)主動(dòng)側(cè)桿的先進(jìn)控制器設(shè)計(jì)方法，所述方法采取以下步驟：1)機(jī)箱設(shè)計(jì)，機(jī)箱由多塊功能單板層疊組合而成，從上至下依次為控制器電源板，電流采集板，數(shù)字伺服控制板，由板間接插件實(shí)現(xiàn)板間連接；2)電源板設(shè)計(jì)，電源板的功能是實(shí)現(xiàn)一次電源綜合和交流電源的轉(zhuǎn)換、保護(hù)和輸出，以及電源監(jiān)控和信號(hào)轉(zhuǎn)接；電源板采用雙余度配置，為傳感器提供交流激磁電源；3)電流采集板設(shè)計(jì)，電流采集板的功能為實(shí)現(xiàn)電樞電流采集和轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)；電樞電流采集電路，利用采樣電阻對(duì)電樞電流進(jìn)行采集，經(jīng)過差分放大，比例運(yùn)算及一階濾波后，將采集信號(hào)輸出到數(shù)字伺服控制板；轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)，采用解調(diào)芯片，實(shí)現(xiàn)傳感器勵(lì)磁供電及轉(zhuǎn)子位置解調(diào)；旋變解調(diào)結(jié)果，通過串行總線傳至數(shù)字伺服控制板，最終完成電機(jī)閉環(huán)伺服控制；4)數(shù)字伺服控制板設(shè)計(jì)，數(shù)字伺服控制板采用處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列并行工作結(jié)構(gòu)；由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行總線通信和旋變解碼功能；處理器完成控制律計(jì)算、總線通信、脈沖寬度調(diào)制信號(hào)生成功能；數(shù)字伺服控制板采用光電隔離技術(shù)，將處理器產(chǎn)生的控制信號(hào)與電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電氣隔離；通過對(duì)位置傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行高低端分別整流、濾波及阻抗變換，解算舵機(jī)的當(dāng)前位置；通過接收桿力傳感器反饋，進(jìn)行濾波及阻抗變換，解算桿力信號(hào)，生成控制指令；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路器及采樣保持器組成。該方法還包括以下步驟：中小功率正弦波電機(jī)矢量控制，采用坐標(biāo)系變換和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)側(cè)桿正弦波電機(jī)的控制信號(hào)輸出；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換分頻采樣技術(shù)，保證電流采集的實(shí)時(shí)性；采用處理器事件管理器雙路定時(shí)器同時(shí)輸出，保證脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制精度和平滑度；電樞電流采集電路采用兩只1ω、3w、0.5％精度的電阻并聯(lián)，將差分輸入的電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器op4177進(jìn)行放大，加入時(shí)間常數(shù)為9.912us一階濾波器，最終以電壓的形式輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，保證電流采集精度；轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)采用au6802n1型轉(zhuǎn)子旋變解調(diào)芯片，設(shè)計(jì)旋變解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)4路轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)及7v10khz傳感器勵(lì)磁供電，最終將解調(diào)結(jié)果通過串行總線上傳；處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列并行工作結(jié)構(gòu)，處理器采用ti公司c2000系列高性能32位數(shù)字處理器smj320f2812，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列選用actel公司的a3p1000系列芯片，兩種數(shù)字芯片并行工作，大幅提高了控制單元數(shù)字處理速度，縮短控制單元任務(wù)周期，并相互監(jiān)控，提高可靠性。下面的結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明的原理：主動(dòng)側(cè)桿控制器采用四通道數(shù)字伺服控制電路，接收飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)側(cè)桿的數(shù)字控制指令，綜合位置、速度、電流及桿力反饋信號(hào)后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，自主閉環(huán)控制一套主動(dòng)側(cè)桿系統(tǒng)，使側(cè)桿完成相應(yīng)的控制功能。主動(dòng)側(cè)桿控制單元通過通信接口(rs-485或can)與飛行控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)?？刂茊卧獢?shù)字處理部分采用處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列并行處理方式，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用混合集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了可靠性。主動(dòng)側(cè)桿控制器的功能框圖如圖1所示，從圖中可以看出，主動(dòng)側(cè)桿控制器包含數(shù)字處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率驅(qū)動(dòng)、電流采集、旋變解調(diào)及二次電源產(chǎn)生等子單元電路，每個(gè)控制器包含兩塊控制板，每塊控制板控制兩路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此一個(gè)控制器可以控制四路電機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙桿聯(lián)動(dòng)的控制效果。(1)控制器組成及單板功能主動(dòng)側(cè)桿控制器由4個(gè)功能單板組成，分別為電源板、兩塊數(shù)字伺服控制板及電流采集板。其中機(jī)箱組件提供各功能板的安裝空間，產(chǎn)品強(qiáng)度保障，電磁兼容性保障，防止電磁泄漏，產(chǎn)品散熱保證；電源板完成控制器電源綜合、產(chǎn)生控制器所需交直流二次電源及控制器輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)接；數(shù)字伺服控制板完成兩通道永磁同步電機(jī)的伺服控制、故障監(jiān)控和通信管理；電流采集板完成二次電源產(chǎn)生、電流采集和旋變轉(zhuǎn)子位置解調(diào)功能。(2)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)箱是非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱采用層疊結(jié)構(gòu)，由4塊功能單板組合而成。從上至下依次是控制器電源板，數(shù)字伺服控制板，電流采集板和另一塊數(shù)字伺服控制板，板間連接主要由j56-40zk系列高密度板間接插件實(shí)現(xiàn)。各功能單板主要依靠冷板散熱，電源板和數(shù)字伺服控制板上的功率器件還可與機(jī)箱殼體通過導(dǎo)熱膠膜貼緊、增強(qiáng)散熱效率。每層機(jī)箱框架和一塊印制板組成一個(gè)單獨(dú)的功能單元，不但便于插拔，也便于調(diào)試和故障定位。機(jī)箱采用硬鋁合金加工，表面陽極化后噴無光漆。整個(gè)空機(jī)箱重約600g?？刂破鳈C(jī)箱內(nèi)部無線纜連接，極大提高控制器裝配和綜合保障性能?？刂破鳈C(jī)箱設(shè)計(jì)在保證其性能、散熱、接口位置合理性等要求下，盡可能的進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)，機(jī)箱最大外廓尺寸為(包括插座)：長×寬×高＝210mm×133mm×90.2mm，其結(jié)構(gòu)及具體尺寸如圖2所示。控制器內(nèi)部所有功能模塊采用獨(dú)立的外形尺寸。每塊功能模塊先單獨(dú)組裝，再由機(jī)箱螺釘和板間連接器組成完整的控制器。機(jī)殼組件設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，起到緊固作用，增加印制板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高抗振動(dòng)能力，組件之間接縫處設(shè)有凹槽，方便快速拆卸，提高維修性水平。(3)各功能單板硬件設(shè)計(jì)a)數(shù)字伺服控制板主動(dòng)側(cè)桿控制器包括兩塊功能完全相同的數(shù)字伺服控制板，其硬件設(shè)計(jì)基本相同，除板間連接器和輸出連接器防差錯(cuò)之外，所有器件型號(hào)、數(shù)量及印制板安裝位置均相同。數(shù)字伺服控制板實(shí)現(xiàn)的主要功能有：rs-485總線通信；控制律解算、旋變解調(diào)、空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào)生成；離散、模擬量采集，位置信號(hào)解調(diào)，桿力信號(hào)解調(diào)；輸出控制信號(hào)與功率驅(qū)動(dòng)電路光電隔離；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；控制單元及主動(dòng)側(cè)桿監(jiān)控及故障處理。數(shù)字伺服控制板采用處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列并行工作結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、串行總線通信和旋變解碼功能；處理器完成控制律計(jì)算、總線通信、脈沖寬度調(diào)制信號(hào)生成功能。處理器采用ti公司c2000系列高性能32位數(shù)字處理器smj320f2812，其主頻為150mhz，支持硬件乘法運(yùn)算，片上集成128kwflashrom、18kwsram；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列選用actel公司的a3p1000系列芯片。兩種數(shù)字芯片并行工作，大幅提高了控制單元數(shù)字處理速度，縮短控制單元任務(wù)周期，并相互監(jiān)控，提高可靠性。數(shù)字伺服控制板上的光電隔離及電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元原理框圖如圖3所示。通過采用光電隔離技術(shù)，將數(shù)字芯片產(chǎn)生的控制信號(hào)與電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了電氣隔離，防止不同類型電氣信號(hào)之間的干擾，提高了單板信號(hào)質(zhì)量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元采用了先進(jìn)的混合集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)一步減小了控制單元的體積和重量，并且大幅減少功率器件數(shù)量，提高控制單元可靠性。數(shù)字伺服控制板通過對(duì)位置傳感器反饋信號(hào)進(jìn)行高低端分別整流、濾波及阻抗變換，解算舵機(jī)的當(dāng)前位置；通過接收桿力傳感器反饋，進(jìn)行濾波及阻抗變換，解算桿力信號(hào)，生成控制指令。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路器及采樣保持芯片組成。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片具有12位分辨率，10微秒轉(zhuǎn)換速率，多路器為16路，完成了對(duì)一次電源、二次電源、位置傳感器電源、桿力信號(hào)、舵機(jī)位置及電機(jī)電流等16路模擬信號(hào)的采集。b)電流采集板電流采集板包含的主要模塊有：二次電源產(chǎn)生電路、電樞電流采集電路和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器解調(diào)電路。主要功能包括：+5v二次電源產(chǎn)生電路；±15v二次電源產(chǎn)生電路；12路電流采集電路；8路轉(zhuǎn)子位置解調(diào)電路。在二次電源轉(zhuǎn)換電路中，28v輸入電壓通過emi濾波器進(jìn)行濾波整流，保證一次電源與二次電源的電氣隔離；整流后通過直流電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換出+5v和±15v，dc/dc模塊具有短路保護(hù)功能，輸出短路不會(huì)導(dǎo)致二次電源變換模塊的損壞。emi濾波器采用vpt公司的dvmc28f，直流電源轉(zhuǎn)換模塊采用vpt公司的dvtr28515t。通過電壓調(diào)整端將輸出電壓設(shè)置在+5v±0.1v與±15v±0.1v輸出模式。電樞電流采集電路，利用采樣電阻對(duì)電樞電流進(jìn)行采集，經(jīng)過差分放大，比例運(yùn)算及一階濾波后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。轉(zhuǎn)子位置解調(diào)電路，采用au6802n1型rdc解調(diào)芯片，設(shè)計(jì)旋變解調(diào)電路，實(shí)現(xiàn)4路轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)及7v10khz傳感器勵(lì)磁供電。轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)結(jié)果，通過串行總線傳至數(shù)字伺服控制板進(jìn)行解算，最終完成電機(jī)閉環(huán)伺服控制。c)電源板電源板的功能是實(shí)現(xiàn)一次電源28v的綜合和交流電源7v2400hz的轉(zhuǎn)換、保護(hù)和輸出，以及電源監(jiān)控功能和信號(hào)轉(zhuǎn)接。電源板采用雙余度配置，為傳感器提供7v2400hz交流激磁電源。其中7v2400hz交流電源通過復(fù)雜可編程邏輯器件查正弦表、數(shù)模轉(zhuǎn)換后功率放大產(chǎn)生，保證了信號(hào)的低失真，高精度特性。另外電源板的器件布局將功率器件和非功率器件按區(qū)域分布，并盡可能減少功率區(qū)域的面積，保證了電源板自身及通過電源板轉(zhuǎn)接信號(hào)的高質(zhì)量。(4)關(guān)鍵技術(shù)突破有以下幾點(diǎn)：a)中小功率正弦波電機(jī)矢量控制主動(dòng)側(cè)桿控制器的控制對(duì)象為中小功率正弦波電機(jī)，采用的控制算法為空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，其控制目標(biāo)是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來控制逆變器的工作。之所以選用正弦波電機(jī)，主要考慮其相對(duì)方波電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，更適用于對(duì)控制手感要求很高的主動(dòng)側(cè)桿領(lǐng)域，但其控制相對(duì)復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的矢量控制算法，獲得最優(yōu)的平滑控制效果是研究的核心。正弦波電機(jī)控制框圖如圖4所示。從圖4中可以看出，正弦波電機(jī)控制的核心是坐標(biāo)系的變換和空間矢量脈寬調(diào)制。其中坐標(biāo)系變換主要包括：clarke變換、park變換和i_park變換(park逆變換)，其中clarke變換的主要目的是將三相靜止坐標(biāo)系abc向兩相靜止直角坐標(biāo)系αβγ轉(zhuǎn)換；park變換是將靜止兩相直角坐標(biāo)系αβγ向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系變換；i_park變換則與park變換相反?？臻g矢量脈寬調(diào)制的作用為，通過變換后的定子磁鏈?zhǔn)噶孔鴺?biāo)計(jì)算，輸出控制信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使得整個(gè)電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E趨近于圓形。在正弦波電機(jī)控制工程化實(shí)現(xiàn)的過程中，影響控制性能的關(guān)鍵因素包括三點(diǎn)：電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性、傳感器信號(hào)高精度解調(diào)以及高速高精度電流采集。本發(fā)明通過采用處理器的事件管理器模塊直接輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化；采用旋變解調(diào)芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置、速度的高精度解調(diào)；采用分頻采樣并選擇合適的濾波設(shè)計(jì)完成高速高精度的電流采集；通過二階濾波優(yōu)化桿力信號(hào)采集，最終達(dá)到了良好的控制效果。b)高速高精度電流采集電流采集的精度和實(shí)時(shí)性，決定了正弦波電機(jī)控制的準(zhǔn)確和快速響應(yīng)，因此高速、高精度的電流采集至關(guān)重要。在精度方面，電流采集采用差分采集和一階濾波的形式，達(dá)到了較高的采集精度；在實(shí)時(shí)性方面，通過模數(shù)采集完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用ad1674，并且通過在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中進(jìn)行分頻采樣，使得采集周期縮短至100us，能夠滿足矢量控制算法的實(shí)時(shí)性要求。c)轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)不同于方波電機(jī)的霍爾位置反饋，正弦波電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置通過旋轉(zhuǎn)變壓器產(chǎn)生的正余弦信號(hào)進(jìn)行反饋，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行旋變解調(diào)后，計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度，便可實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的位置和速度閉環(huán)控制。通過對(duì)多種旋變信號(hào)解調(diào)電路的對(duì)比研究，最終選用成熟度更好，一致性更佳的旋變解調(diào)集成芯片進(jìn)行解調(diào)，芯片選用au6802，通過串行總線將解調(diào)結(jié)果傳送到處理器進(jìn)行計(jì)算，用于park變換。d)空間矢量脈寬調(diào)制輸出控制空間矢量脈寬調(diào)制輸出控制為正弦波電機(jī)控制的最終環(huán)節(jié)，其主要目的是在電動(dòng)機(jī)空間形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)獲得較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本發(fā)明通過高性能處理器完成數(shù)字控制，利用處理器上事件管理器雙路定時(shí)器同時(shí)輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，控制兩路電機(jī)。同時(shí)通過底層驅(qū)動(dòng)算法的驗(yàn)證及優(yōu)化，最終使得正弦波電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E趨近于圓形，保證了主動(dòng)側(cè)桿的控制精度和平滑度。實(shí)施例一電樞電流采集電路：采用采樣電阻采集電樞電流，經(jīng)兩級(jí)放大電路及一階rc濾波，阻抗變換后輸出電壓信號(hào)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器?？紤]到最大輸入電流為2a，采集電阻選用兩只1ω、3w、0.5％精度的電阻并聯(lián)，將差分輸入的電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器op4177進(jìn)行放大，加入時(shí)間常數(shù)為9.912us一階濾波器，最終以電壓的形式輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，保證電流采集精度。a)1ω電流采集電阻型號(hào)為：grm3263-3w-1ω-j-k-gjb1432b，通過電阻并聯(lián)，采樣阻值為0.5ω，vin＝iin×0.5；b)第一級(jí)放大電路主要用于衰減輸入電壓值，以保證輸入電壓不會(huì)超過運(yùn)算放大器的允許范圍。運(yùn)算放大器的型號(hào)為op4177aruz，輸入端電壓不能超過15v，因此電阻分壓比例為0.399，比例運(yùn)算放大倍數(shù)為0.665；c)第二級(jí)放大電路的主要功能是將經(jīng)過衰減的電壓值進(jìn)行放大，達(dá)到ad轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓要求(-8v～8v)，第二級(jí)比例運(yùn)算的放大倍數(shù)為11.6；d)一階rc濾波的電阻選用383kω，電容選用24pf，時(shí)間常數(shù)為9.912us。最終以電壓信號(hào)的形式傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集。實(shí)施例二轉(zhuǎn)子位置旋變解調(diào)電路：正余旋磁阻旋變?yōu)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，采用專用解碼芯片au6802n1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中專用解碼芯片可產(chǎn)生旋變傳感器的交流激勵(lì)，并且對(duì)傳感器輸出的正余弦信號(hào)進(jìn)行解碼，并最終轉(zhuǎn)換為位置信號(hào)數(shù)字量，通過串行總線傳至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列進(jìn)行采集，從而進(jìn)入處理器供回路綜合。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：a)au6802n1型旋變解調(diào)芯片電路根據(jù)芯片手冊(cè)要求，連接au6802n1外圍電路，晶振選用m55310/16-b31a-20m00000，時(shí)鐘頻率20mhz，au6802n1關(guān)鍵引腳連接方式如下表：引腳號(hào)含義設(shè)置值1,2外部輸入勵(lì)磁信號(hào)7v10h勵(lì)磁差分輸入5,6,8,9兩路旋變信號(hào)輸入分別輸入sin和cos12,13勵(lì)磁源產(chǎn)生7v10k15mdsel精度選擇接地，12bits16acmd加速度模式選擇接地，關(guān)閉17,18xsel，uvw級(jí)數(shù)選擇都接地，4對(duì)極19outmd輸出模式選擇接地，脈沖式20串行csb選擇信號(hào)接fpga信號(hào)22串行時(shí)鐘接fpga信號(hào)25clkin外部時(shí)鐘輸入接晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)29rdc_errrdc轉(zhuǎn)換的錯(cuò)誤信息21data串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)給fpga41csb片選接地42rdb讀接地43inhb進(jìn)止接5v高44prty奇偶接焊盤作為測(cè)試45errhld錯(cuò)誤保持接焊盤46errstb錯(cuò)誤復(fù)位接fpga輸入信號(hào)47,48fsel頻率選擇fsel1接地，fsel1接高，表示10k勵(lì)磁b)旋變激勵(lì)信號(hào)放大au6802n1輸出的2.5v+2vpp的正弦信號(hào)，經(jīng)過高通濾波后，變?yōu)?vpp的正弦信號(hào)，經(jīng)過10倍放大，變?yōu)榉逯禐?0v的正弦信號(hào)，其有效值為7.071v，然后通過pa74功率跟隨輸出產(chǎn)生7v/10khz的激勵(lì)信號(hào)，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。c)旋變輸入電路激勵(lì)為20vpp，旋變?cè)边叡壤?.286，則信號(hào)輸入為20*0.286＝5.72vpp，設(shè)置旋變的采集輸入為2.5vpp(范圍：0.5～3.5vpp)，通過相應(yīng)的阻容值選擇，保證旋變輸入范圍在1.804vpp和3.47vpp之間，一階濾波時(shí)間常數(shù)為9.4us。通過以上電路，便可實(shí)現(xiàn)au6802n1型旋變解調(diào)專用芯片對(duì)轉(zhuǎn)子位置的高精度解調(diào)，隨后通過串行總線上傳解碼。當(dāng)前第1頁12