基于改进SOGI-FLL的旋转弹舵机滞后测试方法_张鑫.pdf

第 44 卷第 2 期2 0 2 3 年 2 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 2Feb2023DOI:10 12382/bgxb 2021 0563基于改进 SOGI-FLL 的旋转弹舵机滞后测试方法张鑫1，林凡2，沈鑫杰2(1 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081;2 北京理工大学 宇航学院，北京 100081)摘要:针对旋转弹舵机滞后测试中存在的噪声及常值偏移问题，将 2 阶广义积分锁频环(SO-GI-FLL)改进后应用于测试数据处理，以精确地得到舵机滞后角。舵机滞后角测试问题的本质是存在噪声及常值偏移下的正弦信号相位提取问题。通过在常规 SOGI-FLL 中引入常值偏移补偿回路，使其具有常值偏移扰动抑制能力。改进 SOGI-FLL 表现为带通滤波器特性，可实现正弦信号基波频率处无滞后无衰减的滤波，有效消除噪声及常值偏移的影响，其输出的正交信号供给带有 PI环节的锁相环(PLL)进行相角估计。仿真和实验结果表明，在测试信号存在噪声及常值偏移时，相比于传统 FFT 方法和相关分析法，改进 SOGI-FLL 能够有效地提高滞后角处理精度。关键词:旋转弹舵机;2 阶广义积分锁频环;带有 PI 环节的锁相环;滞后角中图分类号:TP211文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)02-0428-09收稿日期:2021-08-24A Lag Angle Test Method for Actuators of Spinning Missiles Based onImproved SOGI-FLLZHANG Xin1，LIN Fan2，SHEN Xinjie2(1 School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2 School of Aerospace Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)Abstract:To address the problems of noise and DC offset in testing the lag angle of actuators of spinningmissiles，an improved second-order generalized integrator frequency-locked loop(SOGI-FLL)algorithmis applied for processing test data and accurately calculating the lag angle The essence of the test is toextract the phase of sinusoidal signals under the influence of noise and DC offset By introducing the DCoffset compensation loop into conventional SOGI-FLL，the algorithm is capable of suppressing DC offsetdisturbances The improved SOGI-FLL shows the characteristics of a band-pass filter，which can realizefiltering without lag and attenuation at the fundamental frequency of sinusoidal signal，effectivelyeliminating the influence of noise and DC offset In the meantime，the output quadrature signals aresupplied to phase locked loop(PLL)with PI controller for phase angle estimation The simulation andexperimental results show that the improved SOGI-FLL can effectively improve the lag angle processingaccuracy compared with the traditional FFT method and correlation analysis method when the test signal isaffected by noise and DC offsetKeywords:actuator of spinning missile;second-order generalized integrator frequency-locked loops;phase-locked loop with PI controller;lag angle第 2 期基于改进 SOGI-FLL 的旋转弹舵机滞后测试方法0引言由于绕自身纵轴的持续滚转，旋转弹在简化控制系统结构、减小制造误差影响、避免激光拦截系统单面烧蚀等方面具有显著优势1。但是由于弹体的滚转，旋转弹的俯仰和偏航通道存在耦合2，并且舵机滞后的存在会进一步产生控制耦合3。为消除耦合，在设计解耦方法的同时，需要对舵机的滞后进行补偿4 6。舵机滞后产生的原因主要有两方面:一是舵机的指令延迟，该延迟主要由于地磁等滚转角测量传感器存在滞后以及弹载计算机的指令滞后等原因造成;二是舵机的舵偏角响应的延迟，该延迟由舵机本身的频率特性决定。为补偿舵机滞后，通常可使用安装有高实时高精度滚转角测量传感器的单轴转台进行转台实验，来对旋转弹不同转速下的舵机滞后进行标定。对于使用双通道十字布局舵机作为执行机构的低速旋转弹，其舵机的 2 个通道在弹体坐标系的舵指令均为正弦形式，以合成俯仰偏航方向的等效舵偏角5。因此，如果综合考虑舵机实际输出角度幅值的衰减，则舵机滞后测试数据处理问题最终归结为舵机输出舵偏角正弦曲线与标准正弦曲线之间幅值衰减和相位滞后的求取问题。对于正弦信号幅值和相位差的处理，主要有两种方法，即快速傅里叶变换(FFT)谱分析法和相关分析法6 7。FFT 谱分析法本身存在相位测量时误差较大的问题，并且该方法对噪声敏感。相关分析法虽然原理上具有很强的噪声和干扰抑制能力，但是由于实际测试的采样样本长度有限，使得测试正弦信号和噪声信号并非完全的不相关，因此相关分析法的测试误差与采样点数及信号的信噪比有很大关系，另外相关分析法受信号直流分量干扰的影响严重。如果使用传统的低通等滤波器对舵机滞后测试数据进行滤波以消除噪声的影响，则会不可避免地给原正弦信号带来因滤波造成的相位滞后和幅值衰减。SOGI-FLL8方法在不同领域得到了充分运用。SOGI 方法最初由 Ciobotaru 等9提出，接着odriguez 等10 提出使用多个 SOGI 加 FLL 的形式来检测输入信号不同阶次谐波分量的方法。由于SOGI-FLL 结构具有在电网电压不平衡和频率突变工况下良好的锁频特性，广泛应用于电网并网时电压基波信号的提取中11。SOGI 结构简单，能够将输入的正弦信号 v 在共振频率下无滞后无衰减地滤波12，当使用 FLL 自动调节共振频率到 v 的基波频率时，便能够得到与 v 基波同幅值同相的纯净的信号 v和与其正交的信号 qv，再经过带有 PI 环节的锁相环(PLL)处理，便可以得到输入正弦信号 v 的幅值和相位13。目前，学者们对基于 SOGI 的 FLL/PLL 技术在电网系统中的应用进行了大量研究，特别是通过线性近似后的解析分析，给出了 SOGI-FLL/PLL 的参数调节指导方法，以获得需求性能14 16。针对输入信号中各阶次谐波的进一步抑制以及直流分量偏移影响的消除问题，学者们对 SOGI-FLL/PLL进行了不断改进17 18。近年来，SOGI-FLL/PLL 技术也被应用于永磁同步电机无传感器控制中，用以从反电动势波形中观测电机转子的角位置19。本文使用改进 SOGI-FLL 方法对舵机滞后测试数据进行处理，实现在测试数据基波频率处的无滞后无衰减的滤波，解决了传统的 FFT 谱分析法和相关分析法噪声敏感的问题。由于舵机存在标定误差，舵偏角反馈中存在常值偏移，这也是滞后角测试中需要解决的问题。本文首先建立了旋转弹舵机滞后模型，接着在常规 SOGI-FLL 的基础上加入常值偏移补偿回路进行改进，并对改进 SOGI-FLL 的传递函数进行了详细分析。然后对带有 PI 环节的PLL 相角估计方法的原理进行了建模，并给出了 PI参数选取方法。最后使用仿真及实验数据对改进SOGI-FLL 方法的有效性进行了分析，并将处理结果与 FFT 谱分析法及相关分析法的处理结果进行了对比。1旋转弹滞后分析旋转弹舵偏角关系示意图如图 1 所示。图 1中，Ox1y1z1和 Ox4y4z4分别为弹体坐标系和准弹体坐标系20，为滚转角，z4和 y4分别为准弹体坐标系 Ox4y4z4中俯仰舵和偏航舵的等效舵偏角;舵面十字布局，其中舵面 1 和舵面 3 联动，由一路舵机控制，构成俯仰舵，z1为弹体坐标系 Ox1y1z1中的实际舵偏角;舵面 2 和舵面 4 联动，由另一路舵机控制，构成偏航舵，y1为弹体坐标系 Ox1y1z1中的实际舵偏角。924兵工学报第 44 卷图 1舵偏角关系Fig 1Actuator angles可得弹体坐标系和准弹体坐标系下的舵偏角关系为y1z1=cos sinsincosy4z4(1)在旋转弹控制中，飞控系统产生的是准弹体坐标系的等效舵偏角指令，根据弹上滚转角传感器测量输出的滚转角(t)，飞控将该等效舵偏角指令转化为弹体坐标系的实际舵偏角指令给两路舵机，舵机响应指令做出动作。在转台舵机滞后测试中，以弹体坐标系俯仰舵实际舵偏角 z1为例，转台开始以恒速 转动后，当给定准弹体坐标系等效常值舵偏角指令 cy4和 cz4时，转台配备的高实时高精度滚转角传感器输出滚转角为 m(t)=t，则由式(1)可得理想的弹体坐标系俯仰舵实际舵偏角 cz1(t)为cz1(t)=cy4sinm(t)+cz4cosm(t)(2)进一步可写成如下正弦信号形式:cz1(t)=Acsin(t+0)(3)式中:Ac=(cy4)2+(cz4)槡2;sin0=cz4/Ac。因此，在转台恒速转动时真实的弹体坐标系俯仰舵实际舵偏角响应 fz1(t)可表示为fz1(t)=Acsin(t+0)+z1(t)(4)式中:为幅值衰减因子;为相位滞后;z1(t)为噪声信号及常值偏移，常值偏移的主要原因是由舵机自身标定误差造成的。舵机滞后转台标定实验的目的，即为通过测试得到相应恒定转速 下正弦形式的 cz1(t)和 fz1(t)曲线，处理得到幅值衰减因子 和相位角滞后。2改进 SOGI-FLL 滞后角处理模型2.1改进 SOGI-FLL 模型推导通过改进的 SOGI-FLL 方法对转台实验得到的测试数据进行处理。改进的 SOGI-FLL 结构如图 2所示。图 2 中，e 为输入的带有噪声及常值偏移的正弦信号，e和 qe为根据输入观测得到的两正交信号，槇e 为经过补偿的输入信号，e和 f分别为同步误差信号和频率误差信号，fe为估计角频率，kdc和kSO以及 均为增益，x 为定义的状态量，s 为拉普拉斯算子。图 2改进 SOGI-FLL 结构Fig 2Structure of the improved SOGI-FLL首先不考虑改进部分，只对图 2 中标出的传统SOGI-FLL 部分进行分析。按照文献 20 中的推导，可以得到如下传递函数:D(s)=e槇e=kSOfess2+kSOfes+f2eQ(s)=qe槇e=kSOf2e