基于FPGA的數(shù)字舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫章軍，曹揚(yáng)，郭光輝，金震，王彥利，田秀

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

基于FPGA的數(shù)字舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫章軍，曹揚(yáng)，郭光輝，金震，王彥利，田秀

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

為滿足飛行器對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化、高精度、實(shí)時(shí)性、控制效率的要求，電動(dòng)舵機(jī)采用三相無刷直流電機(jī)+諧波減速器的結(jié)構(gòu)形式，控制系統(tǒng)采用一個(gè)控制器控制四路舵機(jī)。介紹了一種數(shù)字化舵機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成和控制策略，以FPGA為控制核心，包括中央處理電路，驅(qū)動(dòng)電路，反饋電路等，采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制器對(duì)四路舵機(jī)的獨(dú)立控制。試驗(yàn)表明，該舵機(jī)控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，控制精度高且控制效率高。

FPGA；數(shù)字舵控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

0 引言

舵機(jī)系統(tǒng)是典型的位置伺服控制系統(tǒng)，舵機(jī)系統(tǒng)作為飛行器飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能的好壞直接影響飛行器的飛行動(dòng)態(tài)性能。隨著對(duì)飛行器性能要求的不斷提升，對(duì)于舵機(jī)系統(tǒng)的要求向著體積更小、承載能力更大、控制性能更好的方向發(fā)展[1-2]。傳統(tǒng)的舵機(jī)系統(tǒng)主要采用模擬控制系統(tǒng)或者采用以單片機(jī)、DSP等微處理器構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)[3]。模擬控制系統(tǒng)容易受到干擾，參數(shù)調(diào)試不方便，而采用單片機(jī)、DSP等微處理器的控制系統(tǒng)在對(duì)多路舵機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，存在控制通道有限、實(shí)時(shí)性較差。

針對(duì)目前采用一個(gè)控制器控制四路舵機(jī)的需求，對(duì)該種舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，采用FPGA作為主控芯片，研制一種數(shù)字化、小體積、實(shí)時(shí)性好的數(shù)字化舵控系統(tǒng)。

1 舵控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

舵機(jī)系統(tǒng)主要由舵機(jī)控制器、電機(jī)、減速器和電位器組成。舵控系統(tǒng)主要由FPGA主控電路、電源轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、通信接口電路、霍爾處理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、故障檢測與保護(hù)電路、電流電壓和舵機(jī)位置測量與處理電路等部分組成。外部提供的直流電源給功率驅(qū)動(dòng)器和電源轉(zhuǎn)換電路供電，電源轉(zhuǎn)換電路將外部輸入的電壓轉(zhuǎn)換成舵控系統(tǒng)上模擬電路所需的±15V，數(shù)字電路所需的+5V，+3.3V、+1.2V及功率驅(qū)動(dòng)電路所需的+5V和+15V。

舵控系統(tǒng)采用電位器作為舵機(jī)輸出軸角度位置傳感器，采用±15V供電，經(jīng)過低通濾波后，經(jīng)AD7327轉(zhuǎn)換器采樣后送入FPGA。功率電路與控制電路之間采用光耦隔離，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2136，具有欠壓和過流保護(hù)功能。舵控系統(tǒng)和飛控計(jì)算機(jī)之間采用RS-422串口通信。

2 舵控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

舵控系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)的初始化、與飛控計(jì)算機(jī)通信、伺服控制算法、驅(qū)動(dòng)控制和故障檢測等工作。舵控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括初始化模塊、通信模塊、舵機(jī)輸出角度處理模塊、伺服控制算法模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊和故障檢測模塊等，其中初始化模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、FPGA時(shí)鐘初始化、RS422通訊模塊初始化、控制參數(shù)初始化等工作；通信模塊則負(fù)責(zé)與飛控計(jì)算機(jī)通信，讀取指令數(shù)據(jù)和在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)給上位機(jī)反饋當(dāng)前舵機(jī)角度位置數(shù)據(jù)；舵機(jī)輸出角度處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)舵機(jī)的角度進(jìn)行采樣和濾波處理；伺服控制算法模塊負(fù)責(zé)根據(jù)接收到的指令與舵機(jī)反饋角度信號(hào)進(jìn)行算法運(yùn)算，計(jì)算出控制量；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊根據(jù)伺服控制算法模塊產(chǎn)生的控制量結(jié)合霍爾信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制驅(qū)動(dòng)電路；故障檢測模塊負(fù)責(zé)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。

由于舵機(jī)系統(tǒng)需要較高的實(shí)時(shí)控制要求和動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)，舵機(jī)閉環(huán)控制采用“位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)”三閉環(huán)全數(shù)字控制形式，具體控制回路原理如圖1所示。總體控制流程為：FPGA接收到飛控計(jì)算機(jī)發(fā)送的各個(gè)舵機(jī)的位置指令和舵機(jī)輸出軸的當(dāng)前位置，進(jìn)行舵機(jī)位置環(huán)PI調(diào)節(jié)，得到速度指令；FPGA根據(jù)霍爾換向信號(hào)，計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，速度指令與計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)速度環(huán)PI計(jì)算后得到電流指令；FPGA通過電流傳感器測量電機(jī)的電流，根據(jù)電流指令與檢測到的電流通過電流環(huán)P控制產(chǎn)生相應(yīng)的電壓控制信號(hào)，進(jìn)而輸出PWM信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 舵機(jī)控制系統(tǒng)回路原理

3 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為舵機(jī)系統(tǒng)在正弦指令和方波指令下的實(shí)測數(shù)據(jù)。圖2（a）為舵機(jī)系統(tǒng)跟蹤1 o，1Hz正弦信號(hào)時(shí)，四路舵機(jī)的實(shí)際響應(yīng)曲線，由圖可見，跟蹤效果良好，圖2（b）為舵機(jī)系統(tǒng)跟蹤25度方波信號(hào)時(shí)，的波形，四路舵機(jī)的實(shí)際響應(yīng)曲線，由圖可見，系統(tǒng)超調(diào)量較小，響應(yīng)速度快。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確及合理。

圖2 舵機(jī)測試數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論

本文利用Xilinx公司最具性價(jià)比的Spartan-6系列芯片，設(shè)計(jì)了一套一控四路舵機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)字化舵控系統(tǒng)具有尺寸小、精度高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了舵機(jī)的小型化和智能化要求。

[1]劉建斌.基于DSP的電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].導(dǎo)航與控制, 2008, 7(1): 53-56.

[2]伍城,趙懷林,朱紀(jì)洪.一種小型數(shù)字電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表, 2015, (10): 10-14,36.

[3]王京鋒, 孫春祥,馬雋.基于DSP和FUZZY-PID控制的彈用電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的研究[J].導(dǎo)航與控制, 2003, 4(3): 63-68.

Design and Implementation of a Digital-electric Servo System based on FPGA

Sun Zhangjun，Cao Yang，Guo Guanghui，Jin Zhen，Wang Yanli，Tian Xiu
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing,100039）

In order to meet the requirements of the digital, high precision, real-time and control efficiency of the servo system, the combination of BLDC directed by harmonic reducer was used to the electric actuator, and one controller is corresponded to four actuators in the paper. The paper introduced the structure solution and control strategy of the controller. The controller used the FPGA as the core, including the central processing circuit, drive circuit, feedback circuit etc We accomplish the digital actuator control system through the three closed-loop control strategy including position loop, speed loop and current loop Experiments results show that the system is easy to design and realize

FPGA; digital actuator controller; design; realizing