數字化電動舵機測控系統設計

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

導彈由于具備精確打擊能力而成為現代戰爭中必不可少的武器。電動舵機作為導彈飛行控制系統的執行機構，接收飛行控制系統的指令，驅動空氣舵即時偏轉，進而調整導彈的飛行姿態和軌跡,保證導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、響應快、功率密度高等特點，已廣泛應用于自動化、交通運輸、電子信息產業、農業、軍事裝備等領域[3]；DSP(digital signal processor)具有強大的數據處理能力，可以使復雜算法數字化得以實現，已廣泛應用于信號處理、通訊、雷達等領域[4]；FPGA(field-programmable gate array)應用靈活，不僅實現了軟件需求和硬件設計的完美集合，還實現了高速與靈活性的完美結合[5]；大功率IPM(intelligent power module)技術已廣泛應用于電機驅動中；測控軟件是計算機對測控系統的管理命令集，完成對整個測控系統的操作[6]，Labview，Visual Basic，Visual C++等軟件已廣泛應用于各種測控系統中。以上技術的應用使得數字化電動舵機測控系統的模塊化和數字化更加成熟可靠。基于DSP與FPGA設計的電動舵機測控系統具有控制精度高、智能化程度高、數字化程度高、算法靈活性強、易于維護等優點。

1 電動舵機測控系統總體設計

基于DSP與FPGA的數字化電動舵機測控系統由系統電源、控制電路、驅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。系統電源為控制電路和驅動電路提供電源。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；驅動電路為電動舵機提供功率接口，驅動電動舵機運動；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、結果判讀及數據存儲。其結構圖如圖1所示。

2 測控系統電源設計

測控系統以DSP與FPGA為核心，硬件部分包括系統電源、控制電路與驅動電路，其電源結構圖如圖2所示。

測控系統對外的電源接口為交流220 V，內部包含開關電源和功率電源。開關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動電路。

控制電路對外電源接口為28 V，內部通過4個直流電源轉換模塊進行二次電源轉換。其中，A模塊輸出5 V供一系列線性穩壓器組進行電壓轉換，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經過信號調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給驅動電路供電。

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

3 控制電路設計

控制電路以DSP和FPGA為核心，外圍設計相應功能模塊電路。具體分為信號調理模塊、AD(analog digital)模塊、數據存儲模塊和CAN(controller area network)通訊模塊。其中，DSP對各功能模塊進行操作，以實現對4路電動舵機的控制及與測控軟件的通訊。結構圖如圖3所示。

3.1 DSP

控制電路中DSP負責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；與數據存儲模塊進行通訊，進行相關數據的讀取與存儲；運行電動舵機的控制算法，將計算結果輸出至FPGA，并從FPGA處獲得驅動電路的工作狀態。

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。它通過硬件實現浮點運算，相比于定點DSP具有強大的浮點運算能力，在執行浮點運算時，可節省存儲空間、減少代碼運行時間，在運行高精度、復雜的算法時表現尤為突出，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的數據以及將數據傳至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條數據總線[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，將地址數據輸出至地址總線，按照一定時序，將寫信號線拉低，數據輸出至數據總線，寫信號線拉高，片選信號拉高，地址總線數據總線掛起，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據，檢測到寫信號拉低后延時一定時間讀取數據總線數據。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，將地址數據輸出至地址總線，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據，檢測到讀信號拉低后，將該地址對應的數據輸出至數據總線，檢測到片選信號拉高后，將數據總線掛起。時序圖如圖6所示。

FPGA除了與DSP通訊外還具有如下功能：

(1) 監測驅動模塊的故障信號，實現故障保護邏輯。

(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動電路，控制驅動電路逆變器中三相全橋的開關，進而控制電動舵機運動。

系統連接關系如圖7所示。

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

3.3 AD模塊和信號調理模塊

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轉換器，輸入范圍為±10 V或±5 V可調[9]。設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位數據，方便數據傳輸。

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。設計中將高精密電壓參考源的輸出電壓經過信號調理，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模塊與信號調理模塊連接關系如圖8所示。

3.4 數據存儲模塊和CAN通訊模塊

系統中配有EEPROM，以便存儲測控系統和控制算法的相關數據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、結構簡單、節省系統資源、設計方便、使用靈活等優點[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接口標準，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準現場總線，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，具有通訊速率高、容易實現、性價比高、可靠性高等優點[13]。

4 驅動電路設計

驅動電路采用成熟的IPM方案。驅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，模塊內部集成了過流保護功能，通過外部電阻電容的配置即可設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，經過相應處理后輸出至控制電路中的FPGA。其結構圖如圖9所示。

5 測控軟件設計

測控軟件采用Labview開發環境進行設計，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，與傳統的編程軟件相比，開發效率更高，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成多種儀器。

通過軟件開發，可以使測控軟件具有通訊、數據存儲、數據分析、數據顯示、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發送一幀數據，DSP接收到數據后對數據進行解碼，控制電動舵機運動，再將電動舵機反饋數據通過CAN通訊模塊發送至測控軟件。測控軟件接收到數據后，對數據進行解碼，將信息以曲線或數字的形式顯示出來，必要的時候實現對數據的分析及存儲。

6 結束語

本文以DSP與FPGA為核心設計了電動舵機測控系統，充分發揮了DSP的復雜數字信號處理能力、內部接口資源豐富的優點以及FPGA并行處理的能力。電路設計中采用模塊化思想，便于調試。驅動電路選用了成熟的IPM技術，可以方便地實現對電機的驅動控制。測控軟件易于開發，可以實現對數據的處理、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。