基于DSP+CPLD的四電動(dòng)舵機(jī)伺服控制器設(shè)計(jì)

米月星 ，林 輝，李 志

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

1四舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)

舵機(jī)作為現(xiàn)代飛行器的伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)其質(zhì)量、體積以及控制性能都提出了更高的要求［1-2］。舵機(jī)伺服系統(tǒng)分為四個(gè)獨(dú)立的通道，分別完成對(duì)四個(gè)舵面的控制。每個(gè)通道由舵機(jī)本體和伺服控制器組成。四舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。伺服控制器接收制導(dǎo)計(jì)算機(jī)的的位置信號(hào)給定，控制四臺(tái)舵機(jī)按照給定的位置信號(hào)做相應(yīng)的作動(dòng)，控制各舵面的角度變化。

圖1 四舵機(jī)伺服控制系統(tǒng)

2 12路霍爾信號(hào)的捕獲

本系統(tǒng)中，霍爾信號(hào)同時(shí)送至DSP和CPLD。CPLD通過(guò)電機(jī)三相霍爾信號(hào)的邏輯運(yùn)算產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，DSP通過(guò)霍爾信號(hào)的捕獲計(jì)算得知電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為速度環(huán)的回饋信號(hào)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)由霍爾信號(hào)回饋得知。單個(gè)DSP有6個(gè)CAP管腳，而四臺(tái)電機(jī)共有12路霍爾信號(hào)需要捕獲。單純依靠DSP的CAP管腳無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)12路霍爾的捕獲。這就需要CPLD將每三路霍爾信號(hào)異或，將異或信號(hào)送至DSP的CAP口。0～360°的電角度范圍內(nèi)，三相霍爾及其異或信號(hào)如圖2所示。

圖2 三相霍爾及其異或信號(hào)

圖 2 中，HA、HB、HC分別為一臺(tái)電機(jī)的三相霍爾信號(hào)，YH為其異或信號(hào)。由圖2看出，每相霍爾的上升或下降均能導(dǎo)致YH高低電平的變化。這樣通過(guò)捕獲YH信號(hào)的上升沿和下降沿，就能確定三相霍爾電平跳變的時(shí)刻。采用M法測(cè)速，在一定的時(shí)間T內(nèi)，測(cè)取YH信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)M，從而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣，一臺(tái)電機(jī)三相霍爾信號(hào)跳變的捕獲可由一個(gè)CAP管腳完成，4個(gè)CAP管腳即可完成對(duì)12路霍爾信號(hào)跳變的捕獲，并由此計(jì)算出四臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 PWM信號(hào)的產(chǎn)生

單個(gè)DSP的EVA全比較單元PWM電路可以產(chǎn)生12路PWM，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的調(diào)速控制，無(wú)法滿足四舵機(jī)伺服系統(tǒng)的控制要求。另一方面，DSP控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的起停和換相時(shí)，要進(jìn)行大量的邏輯運(yùn)算，就要占用大量的CPU資源，會(huì)大大影響CPU的工作效率［4］。無(wú)論是對(duì)四臺(tái)舵機(jī)的控制要求，還是對(duì)系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度，都必須借助CPLD高速的邏輯運(yùn)算能力。DSP完成AD采集、PID運(yùn)算以及中斷管理，CPLD完成多路PWM的產(chǎn)生以及實(shí)時(shí)保護(hù)的功能。系統(tǒng)選用EPM1270來(lái)完成多路PWM波的產(chǎn)生。DSP與CPLD的接口電路示意圖如圖3所示。

圖3 DSP與CPLD的接口電路示意圖

圖3中，四臺(tái)電機(jī)的起停、制動(dòng)、方向信號(hào)由DSP的I/O口輸出，占空比通過(guò)通用定時(shí)器的比較操作產(chǎn)生的T1PWM～T4PWM確定，CPLD將這幾路信號(hào)與12路霍爾信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出四臺(tái)舵機(jī)的PWM控制信號(hào)。

4軟件設(shè)計(jì)

4．1 DSP 功能設(shè)計(jì)

DSP主要完成控制算法的計(jì)算和時(shí)間管理的功能，是系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)采用位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)的死循環(huán)控制策略，死循環(huán)控制均采用PID算法。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4(a)中，AD中斷程序完成對(duì)電流傳感器、電位計(jì)以及角度給定的采樣;CAP中斷程序完成對(duì)12路霍爾信號(hào)的捕獲，并計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速;PID中斷完成PID控制算法。圖4(b)中，將電流環(huán)的計(jì)算結(jié)果賦值給TxCMPR，實(shí)時(shí)改變占空比的大小，并通過(guò)TxPWM管腳將占空比送至CPLD。

4．2 CPLD 程序設(shè)計(jì)

CPLD的功能是把DSP的控制使能信號(hào)與霍爾信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，輸出PWM控制信號(hào)。當(dāng)接收到硬件保護(hù)信號(hào)時(shí)，關(guān)閉PWM輸出，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)的正常工作。

在Quartus II集成開(kāi)發(fā)工具中建立仿真波形，可以驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。電機(jī)換相邏輯信號(hào)仿真波形如圖5所示。

圖5 電機(jī)換相邏輯信號(hào)仿真波形

圖5中，APWM1～APWM6為舵機(jī)1的PWM控制信號(hào)，T1PWM、DIR1、ENABLE1分別為舵機(jī)1的占空比、方向和使能信號(hào)，SA1、SB1、SC1為舵機(jī)1的三相霍爾位置信號(hào)。程序上采用“上斬下不斬”的控制方法［5］，即上橋臂輸出的是斬波信號(hào)，下橋臂輸出的是高低電平。當(dāng)ENABLE1為低電平時(shí)，CPLD由各路信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，正常輸出控制信號(hào)，當(dāng)ENABLE1為高電平時(shí)，舵機(jī)1不使能，CPLD關(guān)閉PWM控制信號(hào)輸出。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

位置控制信號(hào)由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)給定，位置信號(hào)由電位計(jì)回饋得知，速度信號(hào)由霍爾信號(hào)計(jì)算得出，母線電流由電流傳感器ACS712回饋。電機(jī)在30%的占空比下運(yùn)行時(shí)，DSP的CAP管腳捕獲波形如圖6所示。

圖6 CAP管腳的捕獲波形

圖6中，上圖是A相霍爾信號(hào)，下圖是三相霍爾的異或信號(hào)。可以看出，在0～360°的電角度范圍內(nèi)，異或信號(hào)有6個(gè)上升沿或下降沿，使得電機(jī)的每相霍爾信號(hào)的上升或下降均能被DSP捕獲。

電機(jī)在30%的占空比下運(yùn)行時(shí)，一個(gè)橋臂的PWM波形如圖7所示。

圖7 30%占空比下，一個(gè)橋臂的PWM波形

圖7中，PWM控制信號(hào)低電平有效，上橋臂為低電平時(shí)，下橋臂為高電平，關(guān)斷對(duì)應(yīng)的MOSFET開(kāi)關(guān)管。

6結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種多舵機(jī)伺服控制器，基于單個(gè)DSP完成了四臺(tái)舵機(jī)的伺服控制，系統(tǒng)充分利用了DSP強(qiáng)大的事件管理和浮點(diǎn)運(yùn)算的能力以及CPLD高速的邏輯運(yùn)算能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的正常工作。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，大大減小了系統(tǒng)控制器的體積，也大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

［1］ 周小慶．高速無(wú)人機(jī)電動(dòng)舵機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．杭州:浙江大學(xué)，2010．

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［5］ 劉冠志．基于DSP和CPLD的全電剎車驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)，2010．

［6］ 于凱平，郭宏，吳海洋．采用DSP和FPGA多電機(jī)速度伺服驅(qū)動(dòng)控制平臺(tái)［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(9):39-43．