基于TMS320F28377D的微型舵機控制系統設計

唐瑞敏 王洪生 楊 茜 劉 佳 陳子瑋

?

基于TMS320F28377D的微型舵機控制系統設計

唐瑞敏 王洪生 楊 茜 劉 佳 陳子瑋

（湖北三江航天紅峰控制有限公司，孝感 432000）

利用TMS320F28377D雙核CPU，實現了飛控和舵控集中在一個CPU，通過CPU1核與CPU2核之間內部信息共享區（IPC）實現信息交互，解決傳統飛控計算機與舵控計算機需要通過外接通信接口實現通信的問題。舵系統采用片內AD采樣設計，大大減少電源模塊，其次實現了片內AD低電壓狀態下，舵反饋仍舊保持較高采樣精度。最后通過仿真和實驗論證該設計可靠性高，具有較強抗干擾性，工程價值較高，并能夠實現舵系統微型化。

微型舵機；控制系統；雙核；IPC；片內AD

1 引言

傳統基于有刷直流電機的舵系統控制芯片一般采用TI公司C2000系列運動控制芯片，以TMS320F2812、TMS320F28335居多，通過片外AD采樣芯片采集舵反饋信息，然后通過數據端口傳遞給CPU，CPU按一定的控制規律解算出伺服系統控制信號控制驅動芯片，最后達到控制電機的目的[1]。傳統舵機控制系統為了達到高精度位置反饋信息，基本采用片外16位精度采樣芯片，以AD7606采樣芯片為例，需要額外提供±10V正常工作電壓。傳統DSP內部結果寄存器均為12位精度AD，當角度傳感器供電電壓過低時出現電壓較小波動時，會出現較大跳數現象，因此傳統角度傳感器一般采用±10V、±12V、±15V供電[2]，精度提高同時也會增加電源模塊數量，直接增加硬件成本及布局空間，無法實現舵系統小型化，本文設計舵機角度傳感器采用+3.3V供電，無需額外電源芯片供電。

2 微型舵系統基本工作原理

2.1 舵系統基本工作原理

微型舵系統工作原理框圖見圖1，其工作原理是產品工作時彈上一體化控制組件舵控制單元接收舵機控制信號，并將控制信號、舵機反饋信號按照一定的控制規律生成PWM方波信號，經驅動器功率放大后驅動電機轉動，電機帶動由諧波減速器構成的減速機構帶動輸出軸偏轉，實現角度和力矩輸出。舵系統采用位置傳感器敏感舵軸位置并轉換為電壓信號反饋至控制器，實現舵機位置閉環[3]。

圖1 伺服機構工作原理框圖

2.2 TMS320F28377D基本工作原理

飛控程序通過CPU1核實現舵控指令計算，通過CPU1核與CPU2核之間的共享存儲區（IPC）實現信息交互，CPU2核為舵控程序，CPU2核通過尋址方式讀取CPU1核存儲在共享區相應地址的數據，通過片內AD實時讀取舵反饋信息，按一定控制算法結算四個舵機控制量。TMS320F28377D內部工作原理如圖2所示。

圖2 TMS320F28377D工作原理示意圖

3 硬件實現

整個舵系統電路分為控制電路和驅動電路，由于控制電路與飛控電路集成，功率放大器只承擔驅動電機作用，通過接收控制信號，驅動電機按指令轉動。硬件電路采用DSP發出控制信號，經過SN74LVC4245A實現+3.3V轉+5V，最后控制驅動芯片，實現控制四路舵機。

3.1 電源管理電路設計

通過圖3所示電路，實現28V轉+5V，最大輸出電流達3A，其中輸出電壓電阻可通過調節1、2匹配輸出，計算如式（1）、式（2）所示。如圖4為5V轉3.3V電路，通過式（3）～式（5）調節1、2進行匹配輸出3.3V。+3.3V不僅提供DSP正常供電，也提供角度傳感器電源電壓，因此3.3V電壓是否穩定決定角度傳感器輸出精度。

圖3 28V轉5V電路

（2）

3.2 信號轉換電路設計

信號轉換電路實現控制PWM信號到4路舵機電機驅動模塊輸入信號電平變換，增加PWM信號的驅動能力。其轉換電路原理圖如圖5所示。

圖5 信號轉換電路

3.3 驅動電路設計

電機驅動電路采用H橋驅動設計方式，如圖6示，選用L6206驅動芯片實現，該芯片最大工作電壓52V，額定輸出電流達到2.8A。通過控制芯片使能端ENA、ENB信號，達到控制驅動芯片輸出通斷。該電路具有體積小、輸出功率大、效率高、響應速度快等特點。

圖6 驅動電路

4 軟件實現

控制軟件固化嵌入于DSP內，是電動伺服系統的核心部分。控制軟件結合硬件實現DSP控制器的數據通信功能，實現電動伺服系統的閉環控制功能等。其控制回路算法設計見圖7所示。

圖7 控制回路算法設計

4.1 CPU1核工作流程

CPU1核完成在上述兩個內存地址中分別提取舵控指令和舵反饋信息。

CPU1核通過CAN總線接收到的舵控指令，并將接收到的舵控指令放入IPC共享內存區舵控內存地址中。for(i=0;i<4;i++)

{

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]=(int)(sRXCANMessage.pucMsgData[i*2]+sRXCANMessage.pucMsgData[i*2+1]*256);//CAN總線接收到的舵控指令

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]=DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]*MAXVOLT/TRANS;

DcdyRegs.dcdy_ipc_com.com_dk_Pt[i]=DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i];//將接收到的舵控指令放入IPC共享內存區舵控內存地址中

}

CPU1核從IPC共享內存區提取舵反饋信息，并通過CAN總線發送給上位機。

for(i=0;i<4;i++)

{

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DF[i]=DcdyRegs.dcdy_ipc_com.com_fk_Pt[i];//從IPC共享內存區提取舵反饋信息

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DFK[i]=(int16)(DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DF[i]*TRANS/MAXVOLT);

sTXCANMessage.pucMsgData[i*2]=(unsignedint)DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DFK[i]&0xff;

sTXCANMessage.pucMsgData[i*2+1]=(unsignedint)DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DFK[i]/256;

}

CANMessageSet(CANA_BASE,25,&sTXCANMessage, MSG_OBJ_TYPE_TX);//通過CAN總線發送給上位機

CPU1核具體實現流程圖見圖8所示。CPU1核除了完成系統初始化外，還完成了對PWM、ADC、GSmemory及LED燈控制權的配置，實現了對外CAN通訊過程。

圖8 CPU1核軟件工作流程圖

4.2 CPU2核工作流程

CPU2核定義的上述兩個內存地址，一個用于讀CPU1的舵控，一個用于寫舵反饋給CPU1。CPU2核主要完成了從IPC共享內存區讀取舵控指令，并往IPC共享內存區寫舵反饋信息，完成了舵控制循環，及時往IPC共享內存區更新舵反饋信息。

DcdyRegs2.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]=DcdyRegs2.dcdy_ipc_com.com_dk_Pt[i];//從IPC共享內存區讀取舵控指令

for(i=0;i<4;i++)

{

DcdyRegs2.dcdy_ipc_com.com_fk_Pt[i]=DcdyRegs2.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DF[i];//及時往IPC共享內存區更新舵反饋信息

}

CPU2核具體實現流程圖如圖9所示。其中控制循環流程圖如圖10所示。

圖9 CPU2核軟件工作流程圖

圖10 控制循環軟件工作流程圖

CPU1核和CPU2核之間通過共享交互區IPC實現數據在兩核之間的傳遞，其實現過程參見圖11所示。

圖11 CPU1核和CPU2核數據交互原理圖

5 舵系統仿真與實驗對比

建立系統的數學模型如圖12所示，模型由位置環、位置經濾波、微分后的速度環組成。

圖12 系統仿真模型

5.1 時域特性

圖13 時域特性仿真結果

圖14 時域特性實測結果

給系統2°階躍信號時，舵機的階躍響應曲線如圖13所示，可以看出系統在2°范圍內的超調量小于5%，圖14為測試軟件實測舵機響應2°階躍時，采集舵反饋繪制圖形，從圖中得到舵機調整時間為36ms，超調量為0%，半振蕩次數為0，具有較快動態響應能力。

5.2 頻率特性

額定3Nm彈性負載條件下，2°10Hz正弦波信號響應曲線見圖15。幅頻值約為-1.3dB，相頻值約為-60°，具有較快動態響應能力。圖16為頻帶特性實測結果，幅頻值為-1.145dB，相頻值為-64.761°，對比圖16仿真結果，性能指標基本一致，舵機能夠滿足輸出幅值衰減3dB或相移大于90°時，頻帶不小于12Hz。

圖15 頻帶特性仿真結果

圖16 頻帶特性實測結果

5.3 波形跟蹤

通過測試軟件給定35°，0.1Hz正弦波，通過測試軟件繪制波形如圖17所示，從圖中看出整個指令周期內，舵機能夠平穩跟隨指令信號，小信號干擾較少，舵反饋波形較為干凈。

圖17 波形跟蹤舵反饋圖

6 結束語

基于TMS320F28377D的微型舵系統控制系統通過仿真結果與實驗仿真證實具有可行性，該設計不僅能夠大大減少硬件電路，也提高系統可靠性，舵系統能夠實現微型化。以上分析仿真結果與實測結果基本吻合，但也存在差異。總體來說，仿真結果整體優于物理樣機實測結果。分析引起差異原因及解決辦法主要如下：

a. 仿真模型為理想模型，傳遞運動時不存在傳動間隙，實測物理樣機中由于加工工藝限制，無法消除間隙，只能盡量減小。理想仿真模型傳遞運動時不存在摩擦。物理樣機中，各個運動副之間傳遞運動時均存在動摩擦力。造成系統上升時間的滯后。

b. 理想仿真模型中AD采樣不會出現供電不穩或者干擾造成跳數現象，實測物理樣機由于布板工藝，電磁兼容考慮不全，會造成AD采樣出現較小跳數，引起小信號干擾。布線時考慮對電源線、地線與信號線分開，強、弱信號線分開，數字信號與模擬信號分開，電纜信號線雙絞，減少對信號干擾[4，5]。

c. 理想仿真模型通過理論計算可整定控制參數，實測物理樣機控制參數與理論計算結果存在差異，只能通過不斷嘗試調節出最優控制參數。

1 秦文甫. 基于DSP 的數字化舵機系統設計與實現[D]. 北京：清華大學，2004

2 齊歡，王小平. 系統建模與仿真[M]. 北京：清華大學出版社，2006

3 夏長亮. 無刷直流電機控制系統[M]. 北京：科學出版社，2009

4 宋科璞. 基于DSP的數字式伺服控制系統[D]. 西安：西北工業大學

5 莊凱，廖勇. 基于DSP的永磁無刷直流電機控制系統設計[J]. 微電機，2007，40(2)：55～57

Design of Micro Steering Gear Control System Based on TMS320F28377D

Tang Ruimin Wang Hongsheng Yang Xi Liu Jia Chen Ziwei

(Hubei Sanjiang Aerospace Hongfeng Control Co., Ltd., Xiaogan 432000)

By using the TMS320F28377D dual-core CPU, this thesis puts flight control and rudder control together in a CPU, and gets information interaction through internal information sharing area (IPC) between CPU1 core and CPU2 core. It solves the communication problem of traditional flight control computer and rudder control computer which was depended on the external interface in tradition. First of all, the steering gear adopts AD sampling design in the chip, which greatly reduces the power supply module. Secondly, the steering gear feedback keeps high sampling accuracy even the AD on the chip is under low voltage. Finally, it is proved that the design of the steering gear has characters of high reliability, strong anti-interference, high engineering value and miniaturization through simulation and experiment.

micro steering gear；control system；dual-core；IPC；AD on chip

唐瑞敏（1988），工程師，控制工程專業；研究方向：伺服電氣設計。

2019-04-12