某飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

倪 原，任展鵬，劉智平，張 暉

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，陜西 西安710032）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對飛行器飛行控制系統(tǒng)要求的不斷提高，使得用傳統(tǒng)的設(shè)計模擬飛行控制器設(shè)計方法無法滿足要求。高速處理芯片的推出使研究導(dǎo)彈飛行器等非線性控制系統(tǒng)設(shè)計具有現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義[1-4]。基于此種原因，為提高飛行控制器的可靠性和控制精度，本文采用TI公司的32位浮點DSP（TMS320F28335）為控制器核心，完成數(shù)字信號處理和導(dǎo)航解算，以及串口通信，數(shù)據(jù)采集和人機(jī)交換等任務(wù)。

1 控制系統(tǒng)原理

舵機(jī)控制系統(tǒng)是按照選定的導(dǎo)引規(guī)律不斷調(diào)整與修正飛行器的飛行軌跡，導(dǎo)引和控制飛行器飛向目標(biāo)的硬件和軟件集合。它的功能包括設(shè)定目標(biāo)和飛行器的飛行參數(shù)，按照選定的導(dǎo)引規(guī)律形成飛行器飛行控制指令，經(jīng)綜合、校正后輸出控制指令調(diào)整舵機(jī)推力方向或舵面偏轉(zhuǎn)角，改變飛行器的飛行狀態(tài)和飛行路線，使飛行器按允許誤差命中目標(biāo)。飛行器如果偏離控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的狀態(tài) （飛行姿態(tài)發(fā)生變化），通過傳感器可探測到偏離的方向和大小，控制器按照相應(yīng)的控制算法處理偏差后，輸出一定的控制信號操縱相應(yīng)的舵機(jī)，控制對應(yīng)舵面進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，使飛行器姿態(tài)角逐漸達(dá)到設(shè)定狀態(tài)。從而達(dá)到改變飛行器的飛行狀態(tài)和飛行路線，使飛行器按規(guī)定的誤差擊中目標(biāo)。當(dāng)飛行器姿態(tài)角到達(dá)預(yù)先設(shè)定狀態(tài)，則舵面回歸初始位置，飛行器此時按設(shè)定姿態(tài)正常飛行。飛行器控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 飛行器控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of the aircraft control system

2 舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)主要有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、主控制器及舵機(jī)部分構(gòu)成。飛行器的實時飛行姿態(tài)信息有捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)給定，DSP通過與預(yù)定姿態(tài)信息求偏差后得到4路舵機(jī)舵面的預(yù)定參考位置。舵面的實時位置信號是由舵機(jī)輸出軸上的角度傳感器提供，該位置信號經(jīng)過調(diào)理電路處理之后輸入到DSP的AD采樣端。主控制器以DSP為核心經(jīng)過內(nèi)部控制算法處理后輸出各種控制信號，輸出的控制信號經(jīng)過專用4路舵機(jī)驅(qū)動板卡，驅(qū)動4路舵機(jī)按要求轉(zhuǎn)動。舵機(jī)系統(tǒng)作為飛行控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由4套無刷直流電機(jī)、諧波減速器、位置傳感器組成。分別安裝在飛行器尾部相互垂直的兩個軸平面上，其安裝位置順時針排序為1#、2#、3#、4#舵機(jī)，在具體使用過程中，1#舵機(jī)和3#舵機(jī)可配合同步使用，2#舵機(jī)和4#舵機(jī)可配合同步使用。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure

本系統(tǒng)由上位機(jī)向飛行控制器發(fā)送飛行器預(yù)先設(shè)定的控制指令，通過UART總線傳輸?shù)街骺刂破鳌＝萋?lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中飛行器實時姿態(tài)數(shù)據(jù)、線性電位器上舵面實時位置信號以及上位機(jī)上預(yù)設(shè)的控制指令數(shù)據(jù)，共同組合后代入到的飛行控制算法中。通過主控制器處理后得到的PWM波形，輸出到舵機(jī)驅(qū)動板卡實現(xiàn)對舵機(jī)舵面調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)對飛行器的控制。此外，主控制器還將系統(tǒng)運行狀態(tài)傳送至上位機(jī)，通過PC機(jī)上的測控應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對控制系統(tǒng)監(jiān)測和后期數(shù)據(jù)處理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主控芯片的選擇

德州儀器（TI）公司DSP產(chǎn)品中 TMS320F28X系列數(shù)字信號處理器內(nèi)嵌32位DSP核，運算速度可達(dá)150MIPS，還具有豐富的外設(shè)，以及較強(qiáng)的運算、控制和通信能力，其在電力、汽車、航天、通訊、工業(yè)、醫(yī)療等方面得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的是TI公司推出的新型浮點型數(shù)字信號控制器（TMS320F28335），具有 32 位單精度浮點運算單元（FPU），每秒可做300兆次浮點運算，可實現(xiàn)許多復(fù)雜的控制算法[5]。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，性能提高50%，快速傅立葉轉(zhuǎn)化（FFT）等復(fù)雜計算算法性能提升了一倍之多。擁有足夠的程序和數(shù)據(jù)空間，并且外設(shè)有豐富的接口，一個I2C總線，一個SPI口，16路12位A/D，3個SCI口等，使得系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計簡化了，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，同時有效地提高了整個系統(tǒng)的集成度。

3.2 舵面位置檢測電路

系統(tǒng)控制精度是整個系統(tǒng)最重要的技術(shù)指標(biāo)之一，系統(tǒng)的檢測裝置和輸出控制元件一般決定了系統(tǒng)的控制精度[6]。本系統(tǒng)的舵面位置檢測器件選擇精密導(dǎo)電電位計。舵面位置檢測傳感器其檢測的原理示意圖如圖3所示。線性電位器的滑動端與減速器同軸相連，一旦舵面位置發(fā)生改變，線性電位器阻值產(chǎn)生線性變化，其電壓發(fā)生相應(yīng)線性變化。

TMS320F28335具有16路ADC轉(zhuǎn)換通道，采樣精度為12位。但ADC輸入通道的電壓范圍為0～3 V，因此需將舵面位置偏轉(zhuǎn)信號的范圍調(diào)節(jié)至0～3 V的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)設(shè)計恒流源電路、二階低通濾波電路、差分電路、同向放大電路實現(xiàn)電壓范圍的調(diào)整。恒流源的設(shè)計保證了傳感器獲得的電流恒定，防止了因傳感器電流不穩(wěn)定而導(dǎo)致采集舵面位置數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。將采集的數(shù)據(jù)通過二階低通濾波電路，濾除外界干擾，增加系統(tǒng)的抗干擾能力；差分電路作用是減去恒流源對傳感器拉升的電壓。

圖3 舵面位置檢測的原理圖Fig.3 Rudder surface position detecting schematic

3.3 串行通信接口（SCI）設(shè)計

為了保證對導(dǎo)航儀數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實時性，所以使用RS422通信協(xié)議采集導(dǎo)航儀數(shù)據(jù)。RS422的數(shù)據(jù)傳輸采用差分平衡傳輸方式，抗噪聲能力前，傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速度快和精度高等優(yōu)點。采用SP3491芯片作為RS422的的全雙工收發(fā)器，滿足RS422串行協(xié)議的要求，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mbps（帶負(fù)載）。F28335具有16位FIFO和波特率自檢測功能。選用16為FIFO接收數(shù)據(jù)，每次可接收16位導(dǎo)航儀數(shù)據(jù)，提高接收速度和準(zhǔn)確率。

人機(jī)通信使用RS232通信協(xié)議，RS232是目前PC機(jī)和通信工業(yè)應(yīng)用最廣泛的傳信通信接口，采取不平衡傳輸方式，是為點對點通信設(shè)計的，驅(qū)動負(fù)載為3～7千歐姆，適合本地設(shè)備之間通信。RS232串口芯片選用MAX232串口驅(qū)動芯片，是美信（MAXIM）公司為RS232通信串口設(shè)計的電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5 V單電源供電。

選擇接收中斷收發(fā)模式進(jìn)行通信，DSP在中端點掃描串口中斷標(biāo)志位，一旦發(fā)現(xiàn)接收標(biāo)志位置位就取緩存數(shù)據(jù)，否則跳過執(zhí)行其他命令，不需占用大量CPU時間，以及接收數(shù)據(jù)的完整，不丟幀。當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送給上位機(jī)時，將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存，發(fā)送標(biāo)志位置位DSP進(jìn)入中斷，數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.4 舵機(jī)控制電路設(shè)計

TMS320F28335的EPWM模塊產(chǎn)生4路PWM信號，4路方向信號。DSP輸出的是3.3 V邏輯TTL電平，因此在電路中加入74LV245芯片，一方面可防止電機(jī)驅(qū)動板對DSP芯片的反向電流，起保護(hù)主控制器的作用；另一方面此芯片還可以起到增大驅(qū)動能力的作用，使輸出信號具有更大電流。從DSP輸出到74LV245的信號都屬于數(shù)字信號，與電機(jī)驅(qū)動板電氣沒有直接聯(lián)系。如果直接將數(shù)字驅(qū)動信號與電機(jī)驅(qū)動板共地并作為電機(jī)驅(qū)動板的輸入，則電機(jī)驅(qū)動板對主控制器工作產(chǎn)生干擾，并降低系統(tǒng)抗干擾能力。因此采用光耦隔離的方法將主控制器與電機(jī)驅(qū)動板隔離。

3.5 系統(tǒng)電源設(shè)計

飛行器所帶DC－DC電源模塊供電電壓為36 V和12 V。其中36 V為舵機(jī)系統(tǒng)供電；12 V是為主控制系統(tǒng)供電。而在主控制系統(tǒng)中還需要5 V、3.3 V、1.9 V電壓，其中5 V為系統(tǒng)內(nèi)部分模擬器件電源供電，3.3 V為本控制系統(tǒng)大部分?jǐn)?shù)字芯片供電以及作為DSP外設(shè)工作電源，1.9 V為DSP內(nèi)核供電[7]。其中5 V是由12 V通過LM7805電源管理芯片轉(zhuǎn)換得到的，其輸出電流可達(dá)到1 A，可滿足主控制系統(tǒng)的需要。TMS320F28335（DSP）對內(nèi)部模塊的上電順序也有要求，首先必須對外設(shè)模塊上電，等電壓穩(wěn)定之后，才能對TMS320F28335的內(nèi)核進(jìn)行上電，否則系統(tǒng)將無法正常工作。選用TI公司的TPS73HD301非線性電源芯片，其優(yōu)點就是5 V電壓輸入，3.3 V產(chǎn)生200 ms延時后1.9 V產(chǎn)生，為TMS320F28335的上電順序提供了保障，輸出電流可達(dá)1A，輸出功率大，驅(qū)動負(fù)載能力強(qiáng)，而具有短路保護(hù)及熱保護(hù)等功能。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了以TMS320F28335處理器為控制核心，使用SCI串口為通訊方式，采用獨立的四路EPWM輸出方法，運用12位AD采集舵面位置信號的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了TMS320F28335高速運算處理能力以及其豐富的外部接口特點，簡化了電路設(shè)計的難度，提高了可靠性。在硬件設(shè)計的整個過程中，系統(tǒng)控制器集成化，小型化，并且注重可靠性和抗干擾能力，實現(xiàn)了飛行器控制系統(tǒng)對硬件功能要求。

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