一種伺服分系統(tǒng)設(shè)計

陳剛，楊柳，陳婷

（航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司，湖北荊州，434000）

0 概述

伺服分系統(tǒng)主要組成為伺服分機，用于對天線轉(zhuǎn)速的本控和遙控控制，實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)速的勻速步進及天線方位的精確定位和對警鈴的本控和遙控控制。

1 組成與工作原理

伺服分系統(tǒng)由控制器，低壓電源，伺服驅(qū)動器，伺服電機等組成。

伺服分系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 伺服分系統(tǒng)原理框圖

低壓電源：主要為控制器、GPS定位系統(tǒng)、伺服驅(qū)動器等提供低壓直流電源。其中+5V輸出供給控制器電源輸入，+12V供給GPS定位系統(tǒng)電源輸入，+24V供給伺服驅(qū)動器電源。

400Hz模塊電源：主要為SD模塊和同步輪系中的旋轉(zhuǎn)變壓器提供交流26V，400Hz的勵磁電源。

伺服電機：內(nèi)置電磁制動器，它可以在調(diào)平后或掉電后鎖定系統(tǒng)狀態(tài)。

2 各主要組成部分方案

由于SD模塊、光模塊安裝在控制器上，為外購集成單元，伺服電機、警鈴、延時繼電器、交流接觸器、電源濾波器、旋轉(zhuǎn)變壓器、同步輪系、制動電阻為外購成熟貨架單元，因此本方案著重介紹控制器軟硬件設(shè)計、伺服驅(qū)動器的硬件設(shè)計、本控面板的硬件設(shè)計。

2.1 控制器

2.1.1 硬件設(shè)計

控制器硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 控制器硬件設(shè)計框圖

(1)RS485驅(qū)動：用于驅(qū)動與溫濕度傳感器、風速儀之間通訊信號。

(2)光收發(fā)模塊：選用貼片式的國產(chǎn)3G光收發(fā)模塊，完成與監(jiān)控分系統(tǒng)之間的高速通訊傳輸。

(3)FPGA及外圍電路：選用具有高速差分信號接口的FPGA，支持與監(jiān)控分系統(tǒng)之間高速通訊。采用AS配置方式，外掛EPCS存儲器。

(4)晶振：選用50MHz和125MHz的高穩(wěn)晶振。其中125MHz用于給光收發(fā)模塊提供參考時鐘。

(5)RS422驅(qū)動：用于實現(xiàn)信號的單端與差分之間的相互轉(zhuǎn)換。原電路RS422接收驅(qū)動電路與RS422發(fā)送驅(qū)動電路分開設(shè)計，改為RS422收發(fā)驅(qū)動電路一體化設(shè)計，減少使用的RS422驅(qū)動芯片種類。

(6)穩(wěn)壓電路：將DC5V轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓后的DC12V、DC3.3V、DC2.5V、DC1.1V、DC1.5V。新增對光收發(fā)模塊、FPGA、晶振、驅(qū)動電路的供電設(shè)計。

(7)RS232驅(qū)動：備份RS232驅(qū)動電路。

(8)TTL驅(qū)動：用于驅(qū)動TTL信號。

(9)時鐘驅(qū)動模塊：主要用于將模擬時鐘轉(zhuǎn)換為單端數(shù)字時鐘送FPGA處理，將FPGA輸出的單端數(shù)字時鐘轉(zhuǎn)換為差分時鐘作為光發(fā)射模塊的輸入。

(10)光發(fā)射模塊：主要用于將差分數(shù)字時鐘轉(zhuǎn)換為光時鐘。

(11)數(shù)字轉(zhuǎn)換器：用于將模擬旋變信號轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字機械方位信號。

(12)測試電路：主要為低速RS422、RS232、TTL等低速信號驅(qū)動電路，備份相關(guān)接口，方便后期擴展和測試。

(13)對外連接器：選用PDS210連接器，主要負責電源輸入（其中DC26V用于給數(shù)字轉(zhuǎn)換器供電）、16M模擬時鐘輸入、旋變信號輸入及通訊信號、控制電平的輸入輸出。

(14)SD模塊：采用16XSZ2412系列雙速旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，將由同步輪系中的旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的方位信號轉(zhuǎn)換為所需要的數(shù)字信號。該模塊采用＋5V電源供電，分辨率為16位，可以達到0.33′的精度。

控制器與伺服驅(qū)動器之間的有三路接口，即通訊串口、第二碼盤信號、伺服使能控制接口。

(1)串口

控制器可通過FPGA對伺服驅(qū)動器進行控制，完成對天線轉(zhuǎn)速的本控或遙控。其對伺服驅(qū)動器的控制主要通過RS422差分串口進行，通過對驅(qū)動器的串口發(fā)送符合通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對驅(qū)動器的控制及驅(qū)動器故障狀態(tài)的回送。

(2)第二碼盤信號

第二碼盤信號為增量碼形式，共有三對RS422差分電平，分別為：方位增量脈沖（正脈沖，每圈對應(yīng)8192 個脈沖）、正反轉(zhuǎn)信號（“1”正轉(zhuǎn)，“0”反轉(zhuǎn)）、正北信號（正脈沖）。

天線轉(zhuǎn)動時的方位信號由匯流環(huán)總成內(nèi)的旋轉(zhuǎn)變壓器送出。再由控制器上的SD模塊將來自旋轉(zhuǎn)變壓器的粗、精兩個通道的方位信號轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號，在FPGA內(nèi)部變換為增量碼形式后送給伺服驅(qū)動器，作為位置控制方式的反饋信號。

(3)伺服使能

使能信號為電機的激勵信號，當使能信號加上之后，可由驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)。為保證設(shè)備安全，在沒有精確定位要求時，一般斷開此信號，使伺服電機處于自由狀態(tài)。

伺服使能的通斷由外部使能控制信號控制其與驅(qū)動器內(nèi)部+24VGND的短接與否來實現(xiàn)。其通斷與當前天線的控制模式有關(guān)，當天線處于定位停、撤收停模式及轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，伺服使能必須為ON狀態(tài)，而天線處于勻速零速時則為OFF狀態(tài)。伺服使能信號的通斷由控制器內(nèi)的FPGA控制伺服分機內(nèi)插銷控制板上的繼電器來實現(xiàn)。當需要接通使能信號時，由FPGA輸出高電平控制基極，繼電器吸合，使能開關(guān)與+24VGND短接，使能信號接通。

控制器上光纖收發(fā)模塊經(jīng)由艙外光纖實現(xiàn)控制器與上級控制系統(tǒng)的遠程通訊。一方面實現(xiàn)上級控制系統(tǒng)對天線轉(zhuǎn)速（伺服分機）的控制，另一方面轉(zhuǎn)發(fā)上級控制系統(tǒng)對于GPS、尋北儀等設(shè)備的通訊，實現(xiàn)對上述設(shè)備的控制和狀態(tài)收集。

控制器主要性能：

(1)遙控功能

具備每分鐘勻速0～12轉(zhuǎn)步進0.1轉(zhuǎn)的調(diào)速能力；可以遙控停在指定的方位角上精度±0.5°，并能在加電的情況下鎖定在指定角度上；通過通信接口，發(fā)送撤收停的方位角；在發(fā)送撤收停命令后，天線停在撤收方位角度上；遙控回報當前本遙控狀態(tài)及驅(qū)動器工作狀態(tài)（含故障）。

(2)本控功能

本遙控切換；轉(zhuǎn)速、天線停控制；撤收停控制（撤收停就緒狀態(tài)指示）；具有故障/正常顯示。

可實現(xiàn)勻速掃描、撤收停、定位控制的能力。

(3)方位反饋形式

采用增量碼形式信號（RS422電平）：方位增量脈沖（正脈沖，每圈對應(yīng)8192個脈沖）；正轉(zhuǎn)信號（“1”正轉(zhuǎn)）；正北信號（正脈沖）。

(4)光電轉(zhuǎn)換及通訊

光纖模塊采用一對GXB的專用高速通道與FPGA相連，傳輸已經(jīng)編碼過的串行數(shù)據(jù)，不必另外采用編碼解碼芯片，所有串行數(shù)據(jù)的編碼解碼與校驗工作均在FPGA內(nèi)部用軟件實現(xiàn)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的光信號，通過控制器面板上的光纖接口及車外野戰(zhàn)光纜，可與Ⅱ號單元內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，實現(xiàn)實時控制和狀態(tài)上報。

(5)警鈴的控制

能夠通過伺服分機上的本控面板實現(xiàn)對警鈴的本控控制，也可通過光纖對警鈴在監(jiān)控界面上進行遙控控制。

2.1.2 軟件設(shè)計

控制器軟件設(shè)計分為兩部分：Quartus軟件設(shè)計與Nios軟件設(shè)計。

2.1.2.1 Quartus軟件設(shè)計如圖3所示。

圖3 控制器 Quartus軟件設(shè)計框圖

(1)包模式傳輸時序生成模塊：使用鎖相環(huán)生成的低速時鐘產(chǎn)生采用SeriaLiteⅡ軟核實現(xiàn)包模式傳輸所需的時序信號。

(2)SeriaLiteⅡ收發(fā)模塊：使用GXB支持的高速軟核收發(fā)數(shù)據(jù)，設(shè)置成收發(fā)異步、速率2500Mbps、CRC 16位 校驗，啟用時鐘頻率偏移誤差補償，范圍為±100ppm，完成伺服通訊報文的收發(fā)。

(3)SPI：完成對方位碼進行SPI三線模式傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。

(4)FIFO串口模塊：完成與上級控制、伺服驅(qū)動器、發(fā)射機、尋北儀、控制手柄/溫濕度傳感器及風速儀等設(shè)備的通訊FIFOed UART串口。

(5)并行I/O：完成本控面板控制、插銷控制和到位、警鈴控制、干燥機控制、方位信號的PIO設(shè)置。

(6)片內(nèi)存儲器：芯片片內(nèi)存儲器，運行Nios處理器代碼，在CPU的控制下完成軟件代碼的裝載和運行。

(7)EPCS串行控制器：完成軟件二進制代碼的存儲和啟動引導。

(8)按鍵去抖模塊：濾除按鍵電平變化時的抖動。

(9)方位修正模塊：在旋變機械方位中加入修正值，輸出修正后方位。

(10)驅(qū)動器脈沖生成模塊：根據(jù)修正后方位生成方位脈沖信號、方向脈沖信號和正北脈沖信號。

(11)電平檢測模塊：檢測定位插銷、鎖緊插銷1、鎖緊插銷2的插到位與拔到位電平。

(12)NiosⅡ處理器：控制管理中心，完成對片內(nèi)存儲器、EPCS串行控制器、FIFO串口模塊、并行I/O的控制和管理。

(13)鎖相環(huán)：接收外部輸入時鐘信號，完成時鐘的倍頻、分頻，為各軟件模塊提供時鐘。新增包模式傳輸時序生成模塊所需的時鐘。

2.1.2.2 Nios軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4 控制器 Nios軟件設(shè)計框圖

I/O中斷初始化、I/O中斷函數(shù)、串口發(fā)送、I/O發(fā)送、I/O接收模塊為代碼重用。

(1)串口初始化：訪問各個串口設(shè)備，獲取設(shè)備地址，綁定各設(shè)備的串口接收中斷函數(shù)。新增對溫濕度傳感器和風速儀通訊串口的初始化。

(2)I/O中斷初始化：訪問I/O中斷設(shè)備，獲取設(shè)備地址，綁定I/O中斷函數(shù)。

(3)定時查詢：分別定時發(fā)送環(huán)境溫濕度查詢報文、匯流環(huán)溫濕度查詢報文、風速查詢報文及對應(yīng)的RS485收發(fā)控制信號。

(4)串口接收中斷函數(shù)：根據(jù)狀態(tài)報文或控制報文中的行列地址存儲到狀態(tài)緩沖區(qū)，完成接收報文計數(shù)。

(5)報文緩沖：全局緩沖區(qū)，完成伺服控制報文、插銷控制報文、伺服驅(qū)動器狀態(tài)報文的緩存。

(6)控制處理：指令交互處理中心。完成本遙控控制及插銷控制。

(7)報文合成：根據(jù)通訊協(xié)議完成伺服狀態(tài)報文、插銷狀態(tài)報文、伺服驅(qū)動器控制報文的合成。伺服狀態(tài)報文中新增健康管理信息。

(8)I/O中斷函數(shù)：接收中斷觸發(fā)調(diào)用，按照觸發(fā)條件在上沿時刻發(fā)送伺服驅(qū)動器控制報文。

(9)串口發(fā)送：根據(jù)控制指令將報文內(nèi)容按照報文字節(jié)順序依次寫到指定串口設(shè)備發(fā)送端口。

(10)I/O接收：調(diào)用I/O讀函數(shù)，讀取并緩存I/O口收到的數(shù)據(jù)。

(11)I/O發(fā)送：調(diào)用I/O寫函數(shù)，將緩存區(qū)數(shù)據(jù)通過I/O口寫出去。

2.2 伺服驅(qū)動器

驅(qū)動系統(tǒng)選用HJSV-18D-150-4W-NH型全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，采用位置控制方式進行閉環(huán)控制。驅(qū)動器內(nèi)部的反饋量：電流、轉(zhuǎn)速和位置由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量參與調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)集成度較高，具有較好的柔性，可實現(xiàn)軟件伺服。溫度變化對系統(tǒng)的性能影響較小，系統(tǒng)的重復性好。應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，能夠?qū)崿F(xiàn)較復雜的控制策略。

伺服驅(qū)動器以智能功率模塊IPM為逆變器開關(guān)元件，以高性能DSP（ADMC401）為控制核心，控制算法采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的電流矢量控制，實現(xiàn)了電流控制、速度控制和位置控制。電流控制器采用PI控制方式，通過矢量變換和解耦控制實現(xiàn)精確的線性化控制。

伺服驅(qū)動器內(nèi)部組成原理框圖見圖5，系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：控制電路、主電路（包括整流電源和逆變器）以及開關(guān)電源電路。

圖5 伺服驅(qū)動器內(nèi)部組成原理框圖

2.3 本控面板

伺服控制分機面板由7個狀態(tài)指示燈、1組數(shù)碼管、1組調(diào)平控制按鈕、1組天線控制按鈕組成。

7個狀態(tài)指示燈為單色指示燈，分別描述工作故障、工作正常、通訊、調(diào)平、鍵盤、升/降狀態(tài)。紅色表示故障，綠色表示正常或啟用，不亮表示沒啟用或沒有正常工作。

2組數(shù)碼管選用4位LED數(shù)碼管，描述當前功能。

各指示燈、數(shù)碼管、按鈕信號均直接連接到伺服控制分機模擬控制板，由模擬控制板直接控制其顯示。

選用EP4SGX180作為處理單元，外圍配置DP83865DVH網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片、M25P64VMF6存儲器、74LVC245AD驅(qū)動電路、PTH050系列電源芯片，印制板布局如圖6所示。

圖6 伺服控制分機模擬控制板印制板布局圖

(1)指示燈

伺服控制分機模擬控制板上安裝7個綠色單色指示燈，型號為SL-BF6341，分別指示“故障”、“工作”、“通訊Ⅰ”、“通訊Ⅱ”、“調(diào)平”、“鍵盤”、“升/降”狀態(tài)。

“故障”：控制分機在開機過程中出現(xiàn)任何檢測故障，故障指示燈會亮起，故障燈亮起，面板開關(guān)不能操作，其他指示燈相應(yīng)熄滅，數(shù)碼管顯示全為0；

“工作”：控制分機在自動調(diào)平過程中，工作指示燈會亮起，完成自動調(diào)平后熄滅；

“通訊Ⅰ”：控制分機開機正常，指示燈會閃爍，否則指示燈常亮或者常滅；

“通訊Ⅱ”：控制分機開機正常，指示燈會閃爍，否則指示燈常亮或常滅；

“調(diào)平”：上電即亮，默認已經(jīng)調(diào)平的狀態(tài)，控制分機在自動調(diào)平過程中，調(diào)平指示燈會熄滅，完成自動調(diào)平后亮起；

“鍵盤”：有任何一個鍵盤按鈕按下，鍵盤指示燈會亮一下，沒有按鈕按下，指示燈熄滅；

“升/降”：由“狀態(tài)轉(zhuǎn)換”按鍵控制，相應(yīng)按鈕發(fā)出指令命令。

(2)數(shù)碼管

“數(shù)碼管”：由8個數(shù)碼管組成，在不同的工作狀態(tài)下顯示不同的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析說明，伺服分系統(tǒng)能夠滿足各項要求，可以按設(shè)計方案實施。