摘要：针对小功率无刷直流电动舵机，设计了一种基于c8051F340单片机和MsK4310专用芯片的无刷直流电机伺服舵回路控制器。简述了舵回路系统的结构及其工作原理，舵机控制系统的硬件设计方案和控制策略。采用该控制器构成的直流伺服舵回路具有结构简单、功能完善的优点，仿真和试验结果表明其静态和动态性能指标满足设计要求。
关键词：无人机；无刷直流舵机；无刷直流电动机；伺服控制器；舵回路
1 无人机无刷直流舵回路构成与工作原理无人机飞行控制系统一般由飞控计算机分系统、伺服作动分系统、传感器分系统等部分组成。伺服作动分系统又被称为舵回路，由舵机及其控制器组成，是整个飞行控制系统的执行机构。它接收指令给定装置或飞控计算机给定的指令信号，通过齿轮传动装置驱动飞机舵面，实现对无人机的飞行控制，其性能的高低直接影响飞行控制系统的性能。
某型无人机选用由无刷直流电机、减速机构、磁电编码器、电位计传感器等装置构成的无刷直流舵机。其数字式舵机控制器以c8051F340单片机、MSK4310为核心芯片，加上外围电路模块构成。磁电编码器、电位计分别为舵回路的速度反馈信号、位置反馈信号测量元件，从而构成闭环控制系统。舵机输出的控制信号带动无人机相应的舵面，最终实现对无人机飞行姿态地控制。数字式无刷直流舵回路结构如图1所示。
数字式无刷直流舵回路的基本工作原理为：
1)飞控计算机与舵机控制器通过串口进行实时通信；2)位置反馈信号调理单元对位置反馈信号进行滤波、衰减、电平平移等外部电路处理后，再经过cPu内部模数转换。cPu根据位置给定信号和位置反馈信号综合后形成的误差信号进行控制律的解算，并将控制信号经过数模转换后作为速度给定信号输出给MsK43lO内部误差放大器的同相输入端；3)速度反馈信号调理单元对编码器输出的脉冲反馈信号进行鉴相、计数、速度计算，并以PwM信号输出，PwM信号经过滤波后以模拟信号方式输出给MsK43 lO误差放大器的反相输入端；4)由MK43lO芯片内部的PwM调制模块、驱动电路、H桥IGErr功率管逆变电路实现无刷直流电机的速度、电流双闭环控制。其输出的控制信号通过改变电机绕组上的电压大小来控制无刷直流电机的转速；
5)经过减速机构输出的舵面控制信号带动相应舵面，控制舵面运动；6)电机霍尔输出信号在MSK,4：310芯片内部实现电机绕组的电子换向控制；7)整个舵机控制器和舵机构成硬反馈控制系统。
2无刷直流舵回路控制系统设计
2．1关键器件选取
1)c8051F340控制芯片c8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCu，具有片内上电复位、VDI)监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在线系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全地控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
c8051 F340单片机作为控制器的主控芯片主要进行串口通信和速度计算、控制律解算，其主频和片上资源完全满足系统需求。
2)MSK,4310控制芯片MSK4310是一款电气绝缘密封功率集成电路，其驱动能力为55 V，10 A，具有完整的三相无刷直流电动机速度控制功能。其内部结构主要包括：换向控制电路、栅极驱动／控制保护电路、霍尔传感器电路、限流电路和测速电路等。MSK,4310不需要外部的速度反馈装置，从而在芯片内部实现双闭环控制系统。速度反馈信号和速度给定信号经过芯片内部的误差放大器比较后，输出的信号经过脉宽调制，PWM信号驱动芯片内部的[GBT功率管导通或截止，从而达到通过调节脉冲宽度来调节电机绕组电压，实现对BLDCM的速度控制。
2．2控制系统硬件设计
数字式舵机控制器硬件由c8051F340及其外围电路、MSK4310系统电路、反馈信号采样电路、串口通信电路等组成，如图2所示。
1)cPu及外围电路设计单片机c805lF340最小系统的功能要求为：(1)与飞控计算机通过串口实时通信；(2)对位置反馈、速度反馈信号进行调理；(3)实时解算控制律并输出控制信号；(4)实现整个舵回路的闭环控制。
2)MSK4310双闭环控制系统设计MSK4310双闭环控制系统的功能为：(1)利用霍尔元件输出的反馈信号实现电机绕组的换相控制；(2)片内实现电机的电流、速度双闭环控制；(3)内部实现PWM信号调制，PwM信号驱动H桥IGBT功率逆变电路，通过改变PwM信号的占空比来改变IGBT功率管的电压，从而改变电机电枢绕组电压，经过控制逆变电路上下两侧功率管的导通或截止，直接对电机转速进行控制；(4)对电机进行限流保护等。双闭环控制系统原理图如图3所示。
3)信号调理系统设计信号调理模块对无刷直流舵机经过传感器输出的位置、速度反馈信号进行处理，以便于单片机能够全部采用数字信号计算，并解算控制律；同时将单片机输出的控制信号进行数模转换，以满足MSK4310误差放大器的输入信号要求。
无刷直流舵回路采用电位计作为舵机位置反馈信号传感器，磁电编码器作为舵机速度反馈信号传感器。由于不同回路反馈信号形式、调理原理不同，下面分别对位置反馈信号、速度反馈信号的调理进行阐述。
(1)位置反馈信号调理单元设计电位计输出直流电压信号范围为一15 V～+15 V。而舵机控制器Mcu的AD(：外部引脚的模拟量输入范围为O v一+3 v，因此，需要对电压信号进行幅值变换和电平平移，以满足芯片对输入信号的要求。此外，在进行模数转换前，还应对信号进行滤波处理，以去除高频干扰信号对采样造成的影响。设计中采用典型的二阶巴特沃什有源低通滤波电路实现信号滤波。幅值调整的原理是在运放的输入端采用加法电路，将不符合要求的信号与一个基准电压比例相加，得到合适的采样电压范围。
由于c8051F340片内没有集成DAc，设计中采用fWM信号来实现数模转换。PWM信号经过一阶Rc低通滤波电路实现对PwM信号的解调、滤波，这样可以使得硬件电路结构简单，成本较低。
(2)速度反馈信号调理单元设计磁电编码器输出的数字式脉冲信号为舵机控制器的速度反馈信号，与霍尔脉冲信号相比，500线磁电编码器在电机每转动一圈将产生500个脉冲信号，而霍尔元件只产生6个脉冲信号，这在电机低速运动时不能反应电机实际的运动情形。
要使脉冲信号转换为速度信号，就要对脉冲信号进行处理。该功能模块可实现下列功能：
a．对输出脉冲信号鉴相、计数；b．速度计算；c．速度反馈信号的数模转换。
系统设计中编码器输出的脉冲信号的鉴相、计数采用硬件电路实现，既满足系统实时性要求，也节约成本，并且其硬件电路简单。鉴相、计数主要由D触发器和单片机内部计数器构成，用单片机的定时／计数器T0实现对A相脉冲个数的计数，通过单片机外部中断号实现鉴相。
电机速度计算方法通常有三种：M法、T法、M／T法。M法适用于电机高速运行，T法与M法恰好相反，而M／T法是M法和T法的综合，既适用于电机高速，又适用于低速运行。因此采用M／T法对速度反馈信号进行计算。其计算公式为：n号的频率，Ⅳ为编码器的分辨率，M2、M1分别为高频时钟脉冲信号和编码器输出的脉冲信号个数)。
速度反馈信号的数模转换采用与位置反馈信号相同的处理方式进行处理。
3系统仿真与测试
在Matlab,／Simt·link下进行系统仿真。电流、速度环均采用PI控制，位置环采用P控制。其优点是不仅可以提高伺服系统的快速性，还可以改善系统的稳定性，从而更好地满足控制系统的性能要求。电机参数为：额定电压u=24 V，空载转速n。=8 030 r／min，定子相绕组电阻Ra=1．35 Ω，电机转动惯量J=85 g·cm。，定子相电感Ld=O．34 mH，转矩常数Km=28 mN·m／A，减速器的减速比N=400。仿真考虑到实际系统中电机运行情况，根据电机参数对每个控制器的输出增加了饱和输出环节，并在速度环中增加了延迟环节。
给定幅值为5。、周期为0．5 s的控制信号，伺服控制系统的仿真输出曲线如图4所示。
从图4可以看出，所设计的舵机伺服系统在给定输入下有很快的响应速度和很强的位置跟踪能力；系统调节时间为O．07 s，无超调、无静差。
通过在实验室对舵回路系统进行实际调试，可得空载时实验曲线如图5所示。实验结果与仿真结果基本一致，表明所设计的伺服控制系统基本无超调、无静态误差，响应速度快，位置跟踪能力好，具有很好的动态和静态特性，满足设计要求。
4结论
基于C8051F340单片机和MSK4310控制器设计的数字式无刷直流舵机控制器具有体积小、灵活性强、可靠性高等优点。系统仿真和测试结果表明，舵机控制系统具有良好的静、动态特性，既保证了系统的快速性，也保证了系统的跟踪精度，具有一定的实用价值。
参考文献[1]陈佰时电力拖动自动控制系统一运动控制系统(第3版)[M]．北京：机械工业出版社，2003[2] 曹菁，朱纪洪基于MSB430的无刷直流电动机控制系统研究[J]．电气传动，2005，24(8)：72-75[3]刘林，郭恩友飞行控制系统的分系统[M]．北京：国防工业出版社，2003．作者简介：魏林(1975)，男，硕士研究生，从事舵机控制系统研究。
陈欣(1958一)，男，研究员，从事飞行控制系统研究和开发工作。
吕迅站(1974一)，女，助理研究员，从事飞行控制系统研究和开发工作。
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