基于DSP+CPLD的四電動舵機伺服控制器設計

米月星 ，林 輝，李 志

(西北工業大學，陜西西安710129)

1四舵機伺服控制系統

舵機作為現代飛行器的伺服執行機構，對其質量、體積以及控制性能都提出了更高的要求［1-2］。舵機伺服系統分為四個獨立的通道，分別完成對四個舵面的控制。每個通道由舵機本體和伺服控制器組成。四舵機伺服控制系統結構框圖如圖1所示。伺服控制器接收制導計算機的的位置信號給定，控制四臺舵機按照給定的位置信號做相應的作動，控制各舵面的角度變化。

圖1 四舵機伺服控制系統

2 12路霍爾信號的捕獲

本系統中，霍爾信號同時送至DSP和CPLD。CPLD通過電機三相霍爾信號的邏輯運算產生PWM控制信號，DSP通過霍爾信號的捕獲計算得知電機的轉速作為速度環的回饋信號。電機的轉速信號由霍爾信號回饋得知。單個DSP有6個CAP管腳，而四臺電機共有12路霍爾信號需要捕獲。單純依靠DSP的CAP管腳無法實現對12路霍爾的捕獲。這就需要CPLD將每三路霍爾信號異或，將異或信號送至DSP的CAP口。0～360°的電角度范圍內，三相霍爾及其異或信號如圖2所示。

圖2 三相霍爾及其異或信號

圖 2 中，HA、HB、HC分別為一臺電機的三相霍爾信號，YH為其異或信號。由圖2看出，每相霍爾的上升或下降均能導致YH高低電平的變化。這樣通過捕獲YH信號的上升沿和下降沿，就能確定三相霍爾電平跳變的時刻。采用M法測速，在一定的時間T內，測取YH信號的脈沖個數M，從而得到電機的轉速。這樣，一臺電機三相霍爾信號跳變的捕獲可由一個CAP管腳完成，4個CAP管腳即可完成對12路霍爾信號跳變的捕獲，并由此計算出四臺電機的轉速。

3 PWM信號的產生

單個DSP的EVA全比較單元PWM電路可以產生12路PWM，實現對兩臺電機的調速控制，無法滿足四舵機伺服系統的控制要求。另一方面，DSP控制無刷直流電動機的起停和換相時，要進行大量的邏輯運算，就要占用大量的CPU資源，會大大影響CPU的工作效率［4］。無論是對四臺舵機的控制要求，還是對系統的控制響應速度，都必須借助CPLD高速的邏輯運算能力。DSP完成AD采集、PID運算以及中斷管理，CPLD完成多路PWM的產生以及實時保護的功能。系統選用EPM1270來完成多路PWM波的產生。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，四臺電機的起停、制動、方向信號由DSP的I/O口輸出，占空比通過通用定時器的比較操作產生的T1PWM～T4PWM確定，CPLD將這幾路信號與12路霍爾信號進行邏輯運算，輸出四臺舵機的PWM控制信號。

4軟件設計

4．1 DSP 功能設計

DSP主要完成控制算法的計算和時間管理的功能，是系統的核心部分。系統采用位置環+速度環+電流環的死循環控制策略，死循環控制均采用PID算法。系統軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件設計流程圖

圖4(a)中，AD中斷程序完成對電流傳感器、電位計以及角度給定的采樣;CAP中斷程序完成對12路霍爾信號的捕獲，并計算得出電機轉速;PID中斷完成PID控制算法。圖4(b)中，將電流環的計算結果賦值給TxCMPR，實時改變占空比的大小，并通過TxPWM管腳將占空比送至CPLD。

4．2 CPLD 程序設計

CPLD的功能是把DSP的控制使能信號與霍爾信號進行邏輯運算，輸出PWM控制信號。當接收到硬件保護信號時，關閉PWM輸出，實時保護系統的正常工作。

在Quartus II集成開發工具中建立仿真波形，可以驗證系統的有效性。電機換相邏輯信號仿真波形如圖5所示。

圖5 電機換相邏輯信號仿真波形

圖5中，APWM1～APWM6為舵機1的PWM控制信號，T1PWM、DIR1、ENABLE1分別為舵機1的占空比、方向和使能信號，SA1、SB1、SC1為舵機1的三相霍爾位置信號。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，下橋臂輸出的是高低電平。當ENABLE1為低電平時，CPLD由各路信號進行邏輯運算，正常輸出控制信號，當ENABLE1為高電平時，舵機1不使能，CPLD關閉PWM控制信號輸出。

5實驗結果

位置控制信號由導航計算機給定，位置信號由電位計回饋得知，速度信號由霍爾信號計算得出，母線電流由電流傳感器ACS712回饋。電機在30%的占空比下運行時，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，下圖是三相霍爾的異或信號。可以看出，在0～360°的電角度范圍內，異或信號有6個上升沿或下降沿，使得電機的每相霍爾信號的上升或下降均能被DSP捕獲。

電機在30%的占空比下運行時，一個橋臂的PWM波形如圖7所示。

圖7 30%占空比下，一個橋臂的PWM波形

圖7中，PWM控制信號低電平有效，上橋臂為低電平時，下橋臂為高電平，關斷對應的MOSFET開關管。

6結 語

本文設計了一種多舵機伺服控制器，基于單個DSP完成了四臺舵機的伺服控制，系統充分利用了DSP強大的事件管理和浮點運算的能力以及CPLD高速的邏輯運算能力。實驗結果驗證了系統的正常工作。整個系統結構簡單，集成度高，大大減小了系統控制器的體積，也大大提高了系統的可靠性。

［1］ 周小慶．高速無人機電動舵機控制器的設計與實現［D］．杭州:浙江大學，2010．

［2］ 李世民，王新平．電動舵機控制系統設計［J］．機械與電子，2011(11):60-63．

［3］ Zhang Da，Li Hui．A stochastic-based FPGA controller for an induction motor drive with integrated neural network algorithms［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(2):551-561．

［4］ 米月星，林輝，高翌陽．天線雙軸穩定平臺伺服控制器的設計和實現［J］．微特電機，2011，39(8):35-37．

［5］ 劉冠志．基于DSP和CPLD的全電剎車驅動器設計［D］．西安:西北工業大學，2010．

［6］ 于凱平，郭宏，吳海洋．采用DSP和FPGA多電機速度伺服驅動控制平臺［J］．電機與控制學報，2011，15(9):39-43．