張銀龍，陳 浩，李華峰

(南京航空航天大學 機械結(jié)構(gòu)力學及控制國家重點實驗室，南京 210016)

0 引 言

隨著航空科技的快速發(fā)展，人類對飛行器的性能提出了更高的要求，研發(fā)人員也不斷嘗試各種方法以提高飛行器的綜合性能[1]。

對于飛機而言，機翼是其升力和操縱力的主要來源。人們通過控制機翼各剛體間的相對運動來進行機翼的伸縮、折疊、扭轉(zhuǎn)和彎曲等變形。按照機翼不同的變形方式可以分為伸縮機翼技術(shù)、折疊機翼技術(shù)、可變后掠翼技術(shù)、主動柔性機翼技術(shù)、主動彈性機翼技術(shù)等[2]。

變形機翼內(nèi)的變形作動器將電能轉(zhuǎn)化為機械能，是變形結(jié)構(gòu)的動力來源，采用低能耗、高輸出的作動器可以有效提高變形效率。傳統(tǒng)的變形機翼動力來源于自液壓作動器，其體積質(zhì)量消耗較大[3]。超聲波電動機以其獨特的優(yōu)良特性占據(jù)了重要的一席之地，其具有體積小、質(zhì)量輕、響應快和斷電自鎖的特點，非常適合用于變形機翼的變形機構(gòu)作動。

本文旨在研究變形機翼的驅(qū)動控制系統(tǒng)，機翼由10個單一的蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每個結(jié)構(gòu)通過減速器與超聲波電動機連接進行變形。通過CANOpen協(xié)議控制每臺超聲波電動機的旋轉(zhuǎn)方向和角度，可對機翼的變形做出精確控制。

1 變形機翼控制系統(tǒng)設計方案

變形機翼的控制系統(tǒng)由上位機、協(xié)議轉(zhuǎn)換器和超聲波電動機驅(qū)動控制器等組成。系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

上位機通過RS232總線與協(xié)議轉(zhuǎn)換器進行串口通信，完成控制指令的下發(fā)和機翼運行參數(shù)的可視化。上位機接收的參數(shù)主要包括：超聲波電動機驅(qū)動器是否在線、10臺超聲波電動機的當前位置；發(fā)送的指令參數(shù)主要包括：各個超聲波電動機的起動、目標位置、急停、復位和置零等。本文上位機軟件基于Qt進行開發(fā)，其軟件界面如圖2所示，右邊界面顯示各個電機的位置曲線。

圖2 上位機界面

協(xié)議轉(zhuǎn)換器是上位機和驅(qū)動器之間信息傳遞的中繼，向上作為下位機，將驅(qū)動器發(fā)送過來的CAN信息解析為RS232信息發(fā)送至上位機，向下作為CANOpen主站，將上位機發(fā)送的RS232指令解析為CAN信息發(fā)送至各個驅(qū)動器。

超聲波電動機驅(qū)動器完成的是接收協(xié)議轉(zhuǎn)換器發(fā)來的控制指令，按要求對超聲波電動機進行控制，并實時上傳超聲波電動機位置信息。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

變形機翼控制系統(tǒng)的硬件包括協(xié)議轉(zhuǎn)換器和超聲波電動機驅(qū)動器，它們都是以STM32F103為控制核心，以RS232和CAN總線作為信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡。系統(tǒng)總體的硬件設計方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源模塊

超聲波電動機驅(qū)動器和協(xié)議轉(zhuǎn)換器的輸入電壓皆為DC28 V。STM32單片機使用DC3.3 V電壓，其產(chǎn)生的PWM波電壓無法直接驅(qū)動MOSFET，需要通過IR2101S將PWM波電壓升高至DC12 V，故通過LM2576將DC28 V轉(zhuǎn)換為DC12 V供給至IR2101S。由于編碼器驅(qū)動電壓為DC5 V，所以通過REG1175-5將DC12 V轉(zhuǎn)換為DC5 V供給編碼器，再通過REG1175-3.3將DC5 V轉(zhuǎn)換為DC3.3 V供給至STM32使用。整個電路的電壓轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換

2.2 電機驅(qū)動電路

超聲波電動機需要兩路頻率相同、電壓幅值相同、相位差為90°的高頻正弦交流電信號驅(qū)動。通過改變信號的頻率對超聲波電動機進行速度控制，通過改變兩相信號的相位差進行轉(zhuǎn)向控制。

根據(jù)設計需求，超聲波電動機的設定速度為120 r/min，超聲波電動機驅(qū)動器通過編碼器電路實時采集電機的當前速度并輸入到STM32內(nèi)部的PID調(diào)速任務當中。通過PID調(diào)速，將速度誤差控制在±1.5 r/min，以達到10臺超聲波電動機的步調(diào)一致性目標。

由STM32產(chǎn)生的4路PWM信號驅(qū)動，如圖5所示的推挽逆變電路，將28 V直流電轉(zhuǎn)化為峰值500 V以上的交流電。超聲波電動機驅(qū)動器的實物圖如圖6所示。

圖5 推挽逆變電路圖

圖6 超聲波電動機驅(qū)動器

2.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器電路

協(xié)議轉(zhuǎn)換器用于RS232串口與CAN間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，因此協(xié)議轉(zhuǎn)換器電路較為簡單，只需要電源模塊、RS232通訊模塊、CAN網(wǎng)絡模塊。CAN網(wǎng)絡電路通過TJA1050將消息發(fā)送到CAN網(wǎng)絡和接收到STM32內(nèi)，CAN網(wǎng)絡電路如圖7所示，協(xié)議轉(zhuǎn)換器的實物圖如圖8所示。

圖7 CAN網(wǎng)絡電路圖

圖8 協(xié)議轉(zhuǎn)換器電路圖

3 通信系統(tǒng)設計

所有超聲波電動機驅(qū)動器與協(xié)議轉(zhuǎn)換器的連接通過CAN通信網(wǎng)絡。將協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為主站，驅(qū)動器作為從站，以CAN網(wǎng)絡作為硬件層，CANOpen作為軟件層進行通信。

3.1 CANOpen通信協(xié)議

CANOpen是一種基于CAN總線的應用層協(xié)議，是具有高度靈活配置能力的標準化嵌入式網(wǎng)絡協(xié)議。CAN的數(shù)據(jù)鏈層提供具有標識符的報文廣播，通過CAN報文攜帶的ID幀決定是否接收通信對象所攜帶的數(shù)據(jù)[5]，CANOpen就是基于此硬件層完成各個站點的相互通信。

CANOpen協(xié)議包括設備模型、通信模式和對象字典等三大部分，對象字典在CANOpen最為重要[6]。

3.2 CANOpen對象字典

CANOpen對象字典包含了4種不同類型的通訊對象，分別為網(wǎng)絡管理對象NMT、過程數(shù)據(jù)對象PDO、服務數(shù)據(jù)對象SDO和特殊功能對象[7]。對象字典的配置通過如圖9所示的CanFestival對象字典生成工具進行直接配置，提高了開發(fā)的便利性，減少了開發(fā)時間。

圖9 對象字典生成工具界面

NMT主要用于管理和監(jiān)控CAN網(wǎng)絡當中的各個節(jié)點狀態(tài)[8]。PDO和SDO均是用來數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，不同的是PDO用于實時數(shù)據(jù)傳輸，SDO用于應答傳輸。PDO又分為TPDO和RPDO，TPDO按照預定義的內(nèi)容進行實時數(shù)據(jù)的發(fā)送，RPDO按照預定義的節(jié)點ID、索引、子索引和數(shù)據(jù)類型判斷TPDO的數(shù)據(jù)是否與自己相匹配[8]。PDO的發(fā)送不需要節(jié)點回復，只需要發(fā)送即可，因此具有高效傳輸效率。SDO則需要節(jié)點進行應答，SDO通過節(jié)點ID、索引、子索引和數(shù)據(jù)類型傳輸，SDO發(fā)送后必須等待節(jié)點應答，應答內(nèi)容與發(fā)送內(nèi)容相同。

3.3 CANOpen協(xié)議設計

變形機翼將協(xié)議轉(zhuǎn)換器作為CANOpen的主站、超聲波電動機驅(qū)動器作為CANOpen的從站。CANOpen的主從站通過CAN_id進行設置，主站為0x00，從站為0x00～0x7f，通過撥動超聲波電動機驅(qū)動器上面的撥碼開關(guān)進行設置驅(qū)動器的CAN_id。

SDO發(fā)送的是命令，協(xié)議轉(zhuǎn)換器獲取上位機發(fā)送的命令，然后通過SDO將命令發(fā)送出去。發(fā)送的命令包括超聲波電動機的起動電機、目標位置、急停、位置置零、復位電機位置等。SDO的發(fā)送通過調(diào)用函數(shù)writeNetworkDict()發(fā)送。

SDO發(fā)送完成后必須將發(fā)送通道關(guān)閉，否則將一直占用SDO的發(fā)送通道，導致系統(tǒng)無法發(fā)送下一個SDO，關(guān)閉通道的函數(shù)為closeSDOtransfer()。

TPDO用于驅(qū)動器上傳超聲波電動機的當前位置。根據(jù)預先設計定義的PDO參數(shù)，將電機的位置實時地上傳到協(xié)議轉(zhuǎn)換器，最后解析上傳到上位機當中。從站配置TPDO、主站配置RPDO，形成一對一模式。

4 實驗測試

在實驗測試過程中，將10個驅(qū)動器的節(jié)點ID通過撥碼開關(guān)分別設為0x01、0x02，……，0x0a。通過圖10的ECANTools軟件界面觀測到整個CAN網(wǎng)絡的狀態(tài)?？梢钥吹?，每隔1 ms，驅(qū)動器的心跳數(shù)據(jù)會通過CAN網(wǎng)絡發(fā)送，協(xié)議轉(zhuǎn)換器根據(jù)是否及時收到心跳數(shù)據(jù)來判斷驅(qū)動器是否在線。上位機通過SDO發(fā)送位置信息，驅(qū)動器同樣也返回位置信息，說明SDO發(fā)送成功，與我們設計的協(xié)議相符合。圖11和圖12分別為機翼變形前和變形后的狀態(tài)，可以明顯地看到，機翼完成了相應的變形動作。

圖10 ECANTool實驗數(shù)據(jù)信息

圖12 機翼變形后狀態(tài)

5 結(jié) 語

本文以CAN網(wǎng)絡作為硬件層，CANOpen為軟件層，設計了變形機翼的控制系統(tǒng)。首先介紹了變形機翼的控制系統(tǒng)組成，之后設計了硬件電路，并具體地介紹了如何配置CANOpen協(xié)議的主站和從站，以及CANOpen數(shù)據(jù)的配置方法等。本文描述的內(nèi)容可方便用戶配置CANOpen主從站，大大減輕用戶配置負擔，提高了控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。