數(shù)字化電動舵機測控系統(tǒng)設(shè)計

朱璐，宋志強，劉偉

(1.中國人民解放軍92941部隊,遼寧 葫蘆島 125001；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

導(dǎo)彈由于具備精確打擊能力而成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中必不可少的武器。電動舵機作為導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，接收飛行控制系統(tǒng)的指令，驅(qū)動空氣舵即時偏轉(zhuǎn)，進而調(diào)整導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和軌跡,保證導(dǎo)彈按照一定軌跡飛行[1-2]。

無刷直流電機具有可靠性高、無換向火花、響應(yīng)快、功率密度高等特點，已廣泛應(yīng)用于自動化、交通運輸、電子信息產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事裝備等領(lǐng)域[3]；DSP(digital signal processor)具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，可以使復(fù)雜算法數(shù)字化得以實現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于信號處理、通訊、雷達等領(lǐng)域[4]；FPGA(field-programmable gate array)應(yīng)用靈活，不僅實現(xiàn)了軟件需求和硬件設(shè)計的完美集合，還實現(xiàn)了高速與靈活性的完美結(jié)合[5]；大功率IPM(intelligent power module)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動中；測控軟件是計算機對測控系統(tǒng)的管理命令集，完成對整個測控系統(tǒng)的操作[6]，Labview，Visual Basic，Visual C++等軟件已廣泛應(yīng)用于各種測控系統(tǒng)中。以上技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)字化電動舵機測控系統(tǒng)的模塊化和數(shù)字化更加成熟可靠。基于DSP與FPGA設(shè)計的電動舵機測控系統(tǒng)具有控制精度高、智能化程度高、數(shù)字化程度高、算法靈活性強、易于維護等優(yōu)點。

1 電動舵機測控系統(tǒng)總體設(shè)計

基于DSP與FPGA的數(shù)字化電動舵機測控系統(tǒng)由系統(tǒng)電源、控制電路、驅(qū)動電路及測控軟件組成，可以同時對4路電動舵機進行測試。系統(tǒng)電源為控制電路和驅(qū)動電路提供電源。控制電路為電動舵機控制算法提供硬件平臺、為反饋裝置——角位移傳感器提供接口；驅(qū)動電路為電動舵機提供功率接口，驅(qū)動電動舵機運動；測控軟件為測試人員提供人機操作界面，方便測試人員進行電動舵機測試、結(jié)果判讀及數(shù)據(jù)存儲。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 測控系統(tǒng)電源設(shè)計

測控系統(tǒng)以DSP與FPGA為核心，硬件部分包括系統(tǒng)電源、控制電路與驅(qū)動電路，其電源結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

測控系統(tǒng)對外的電源接口為交流220 V，內(nèi)部包含開關(guān)電源和功率電源。開關(guān)電源變換并輸出直流28 V至控制電路，功率電源輸出電壓至驅(qū)動電路。

控制電路對外電源接口為28 V，內(nèi)部通過4個直流電源轉(zhuǎn)換模塊進行二次電源轉(zhuǎn)換。其中，A模塊輸出5 V供一系列線性穩(wěn)壓器組進行電壓轉(zhuǎn)換，輸出1.8，3.3 V給DSP供電，1.2，2.5，3.3 V給FPGA供電；B模塊輸出±15 V給模擬電路供電，高精密電壓參考源輸出的2.5 V經(jīng)過信號調(diào)理后給角位移傳感器供電；C模塊輸出15 V給電機霍爾信號供電；D模塊輸出15 V給驅(qū)動電路供電。

驅(qū)動電路對外電源接口為15 V驅(qū)動電源、15 V電機霍爾信號電源和母線功率電源，驅(qū)動電路所能承受最大電壓為300 V。

3 控制電路設(shè)計

控制電路以DSP和FPGA為核心，外圍設(shè)計相應(yīng)功能模塊電路。具體分為信號調(diào)理模塊、AD(analog digital)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和CAN(controller area network)通訊模塊。其中，DSP對各功能模塊進行操作，以實現(xiàn)對4路電動舵機的控制及與測控軟件的通訊。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 DSP

控制電路中DSP負(fù)責(zé)與測控軟件進行通訊，接收測控軟件的指令幀進行解碼并將舵機信息傳送至測控軟件；采集電動舵機角位移傳感器反饋的輸出信號；與數(shù)據(jù)存儲模塊進行通訊，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取與存儲；運行電動舵機的控制算法，將計算結(jié)果輸出至FPGA，并從FPGA處獲得驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。

DSP選用美國TI公司的TMS320F28335，它是32位浮點DSP，工作頻率可達150 MHz。它通過硬件實現(xiàn)浮點運算，相比于定點DSP具有強大的浮點運算能力，在執(zhí)行浮點運算時，可節(jié)省存儲空間、減少代碼運行時間，在運行高精度、復(fù)雜的算法時表現(xiàn)尤為突出，保證了算法的精度和實時性[7]。

3.2 FPGA

控制電路中FPGA通過DSP的XINTF(external interface)總線與DSP進行通訊，接收來自DSP的數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)傳至DSP。DSP的XINTF總線主要包括讀信號線、寫信號線、3條片選信號線、20條地址總線和32條數(shù)據(jù)總線[8]。DSP與FPGA連接如圖4所示。

DSP對FPGA進行寫操作時，首先將片選信號線拉低，將地址數(shù)據(jù)輸出至地址總線，按照一定時序，將寫信號線拉低，數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)總線，寫信號線拉高，片選信號拉高，地址總線數(shù)據(jù)總線掛起，完成一個寫操作時序。FPGA檢測到片選信號拉低后，延時一定時間讀取地址總線數(shù)據(jù)，檢測到寫信號拉低后延時一定時間讀取數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)。時序圖如圖5所示。

DSP對FPGA進行讀操作時，首先將片選信號線拉低，將地址數(shù)據(jù)輸出至地址總線，按照一定時序，操作讀信號線，片選信號拉高，地址總線掛起，完成一個讀操作時序。FPGA檢測到片選信號拉低后，延時一定時間讀取地址總線數(shù)據(jù)，檢測到讀信號拉低后，將該地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)總線，檢測到片選信號拉高后，將數(shù)據(jù)總線掛起。時序圖如圖6所示。

FPGA除了與DSP通訊外還具有如下功能：

(1) 監(jiān)測驅(qū)動模塊的故障信號，實現(xiàn)故障保護邏輯。

(2) 采集電動舵機的霍爾信號，對霍爾信號進行解碼并結(jié)合DSP的控制信號，以三相全橋的輸出形式輸出占空比信號至驅(qū)動電路，控制驅(qū)動電路逆變器中三相全橋的開關(guān)，進而控制電動舵機運動。

系統(tǒng)連接關(guān)系如圖7所示。

FPGA選用ALTERA公司的Cyclone Ⅲ系列芯片，采用Verilog語言編程實現(xiàn)硬件電路功能，控制電路中可將大量功能集中于FPGA實現(xiàn)，減少了DSP的工作量，使得DSP可以節(jié)省更多資源，運行各種高精度算法，提高了系統(tǒng)的緊湊性、設(shè)計靈活性。

3.3 AD模塊和信號調(diào)理模塊

AD模塊采用的芯片為ADI公司的AD7656，AD7656為16位精度6通道輸入250 k采樣速率同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入范圍為±10 V或±5 V可調(diào)[9]。設(shè)計中為了降低噪聲對控制精度的影響，配置AD7656輸入范圍為±10 V。DSP通過XINTF總線與AD7656進行通訊，可以一次性讀取16位數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)傳輸。

電動舵機角位移傳感器供電采用精密電壓的供電方式，以減小電動舵機角位移傳感器兩端的供電漂移及噪聲，使電動舵機的反饋更精確。設(shè)計中將高精密電壓參考源的輸出電壓經(jīng)過信號調(diào)理，輸出為±10V精密電壓，為電動舵機角位移傳感器供電。信號調(diào)理電路由二階有源濾波電路及電壓跟隨器組成，通過選取合適的電阻電容值，使其具有適合的通頻帶。AD模塊與信號調(diào)理模塊連接關(guān)系如圖8所示。

3.4 數(shù)據(jù)存儲模塊和CAN通訊模塊

系統(tǒng)中配有EEPROM，以便存儲測控系統(tǒng)和控制算法的相關(guān)數(shù)據(jù)以及控制策略等信息。EEPROM與DSP通過SPI接口進行通訊，TMS320F28335具有2路SPI接口，通過寄存器配置可以設(shè)置成不同的工作模式[10]。SPI是一種全雙工同步串行通訊接口，具有通訊速率高、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省系統(tǒng)資源、設(shè)計方便、使用靈活等優(yōu)點[11]。

測控軟件與DSP之間通過CAN總線進行通訊。TMS320F28335具有2個eCAN模塊，它滿足CAN2.0B接口標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率可達1 Mbit/s[12]。CAN總線是一種半雙工通訊的國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有通訊速率高、容易實現(xiàn)、性價比高、可靠性高等優(yōu)點[13]。

4 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路采用成熟的IPM方案。驅(qū)動電路主要由隔離電路和IPM模塊組成。IPM模塊選用日本三菱公司的第4代大型IPM，它包含6個單元的IGBT(insulated gate bipolar transistor)，內(nèi)部集成了HVIC(high voltage integrated circuit)電路功能，具有完善的欠壓和短路等保護功能。與其他IPM相比該模塊供電簡單，通過自舉電路工作，模塊內(nèi)部集成了過流保護功能，通過外部電阻電容的配置即可設(shè)置過流值及過流時間[14]。該模塊還有故障信號及溫度信號的輸出接口，經(jīng)過相應(yīng)處理后輸出至控制電路中的FPGA。其結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

5 測控軟件設(shè)計

測控軟件采用Labview開發(fā)環(huán)境進行設(shè)計，一般的計算機編程語言都是基于文本的編程代碼，Labview是一種強大的圖形化編程軟件，與傳統(tǒng)的編程軟件相比，開發(fā)效率更高，對硬件的支持性更好[15]。Labview采用圖形化編程語言，層次清晰，方便快捷。可以根據(jù)自己的需要靈活地定義儀器的功能，運用不同功能模塊的組合可構(gòu)成多種儀器。

通過軟件開發(fā)，可以使測控軟件具有通訊、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、圖形繪制等功能。測控軟件界面如圖10所示。

測控軟件通過CAN板卡與DSP的CAN通訊模塊進行通訊，通訊方式采用“一問一答”的方式，即通訊過程由測控軟件開始，通過CAN板卡向DSP發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，DSP接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解碼，控制電動舵機運動，再將電動舵機反饋數(shù)據(jù)通過CAN通訊模塊發(fā)送至測控軟件。測控軟件接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行解碼，將信息以曲線或數(shù)字的形式顯示出來，必要的時候?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析及存儲。

6 結(jié)束語

本文以DSP與FPGA為核心設(shè)計了電動舵機測控系統(tǒng)，充分發(fā)揮了DSP的復(fù)雜數(shù)字信號處理能力、內(nèi)部接口資源豐富的優(yōu)點以及FPGA并行處理的能力。電路設(shè)計中采用模塊化思想，便于調(diào)試。驅(qū)動電路選用了成熟的IPM技術(shù)，可以方便地實現(xiàn)對電機的驅(qū)動控制。測控軟件易于開發(fā)，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、顯示及存儲等功能，快速完成對電動舵機的測試以及性能分析。