引言

目前，隨著導(dǎo)彈武器射程、速度、飛行高度和機(jī)動(dòng)性的不斷增加，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)正向著輸出力矩大、響應(yīng)速度快、功率大、體積小、集成度高、全數(shù)字化方向發(fā)展。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，已經(jīng)在國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域中得到了較好的應(yīng)用。

MIL-STD-1553B總線作為一種具有較高數(shù)據(jù)傳輸性能和管理效率、傳輸可靠的數(shù)據(jù)總線，已經(jīng)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等復(fù)雜控制系統(tǒng)中。

本文以大功率無(wú)刷直流電動(dòng)舵機(jī)[3]為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套基于DSP+FPGA的數(shù)字化高精度、高可靠性的控制器，并且實(shí)現(xiàn)了1553BRT終端接入功能。

1舵機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

舵機(jī)系統(tǒng)采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制策略，總體硬件設(shè)計(jì)如圖所示。具體工作過(guò)程如下：DSP通過(guò)1553B通訊模塊與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行可靠通信，通過(guò)轉(zhuǎn)子位置和舵面偏角檢測(cè)電路獲取轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速以及舵面實(shí)際偏角信號(hào)，結(jié)合自帶ADC模塊采樣得到相電流，通過(guò)三閉環(huán)控制算法處理，輸出調(diào)制PWM信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。利用FPGA的靈活可配置性設(shè)計(jì)硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各主功能芯片的時(shí)序控制，包括1553B通訊模塊、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路和舵面偏角測(cè)量電路，大大減少了DSP軟件開(kāi)銷(xiāo)，提高了CPU工作效率。

圖1舵機(jī)系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1DSP主控單元

主控制器采用美國(guó)TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812[4]。該芯片采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)總線和程序總線分開(kāi)，每秒可執(zhí)行1.5億次指令（150MIPS），具有單周期32X32位的乘與累加運(yùn)算（MAC）功能。針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用，片內(nèi)集成了兩個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器（EVA、EVB），16通道的高速ADC模塊。

邏輯控制單元

FPGA邏輯功能芯片選用Altera公司的CycloneII系列EP2C8T144C8。CycloneII是基于StratixII的90nm工藝推出的FPGA芯片，具有8256個(gè)邏輯單元(LE)，內(nèi)置36個(gè)M4KRAM塊，2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)以及18個(gè)乘法器模塊，提供給用戶(hù)85個(gè)可用的IO管腳接口。該芯片主要配合DSP使用，實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。

總線通訊模塊設(shè)計(jì)

選用DDC公司的BU-61580[5]作為1553B總線通信協(xié)議芯片。該芯片內(nèi)部集成有數(shù)字協(xié)議控制電路，雙路總線收發(fā)器等模塊，F(xiàn)PGA只需要操作協(xié)議芯片的17個(gè)常規(guī)寄存器和4KX16bit的RAM，全部通信過(guò)程協(xié)議芯片都能自動(dòng)完成。BU-61580與FPGA的電路連接如圖所示。利用74LVC4245芯片進(jìn)行邏輯電平匹配，TRANSPARENT/BUFFERED拉低將BU-61580設(shè)置為16位緩沖工作模式，F(xiàn)PGA直接使用芯片內(nèi)部4KX16bit共享RAM。

圖2BU-61580與FPGA的電路連接圖

功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

功能驅(qū)動(dòng)模塊采用Fuji公司的7MBP75RJ120，該IPM模塊能耐受高達(dá)1200V電壓，75A電流，內(nèi)部設(shè)有電源欠壓、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能。具體電路連接如圖所示。DSP輸出六路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)高速高共模比的光耦芯片HCPL-4504驅(qū)動(dòng)IPM內(nèi)部的IGBT，進(jìn)而控制無(wú)刷電機(jī)的三相電壓U、V、W。故障信號(hào)通過(guò)光耦芯片TLP521-1傳遞給DSP中斷口，電源供電采用4個(gè)獨(dú)立的WRB0515直流電源模塊。

圖3IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊電路連接圖

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測(cè)采用旋轉(zhuǎn)變壓器與解碼芯片組合方案。采用多摩川TS2620N21E11旋轉(zhuǎn)變壓器[6]，入力電壓AC7Vrms10KHz，變壓比0.5±5%，誤差精度最大±10′。解碼芯片選用飛博爾的12位分辨率旋轉(zhuǎn)變壓器——角位速度數(shù)字轉(zhuǎn)換器FB9412PB，該轉(zhuǎn)換器具有10kHz激勵(lì)電源輸出，直接將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度和速度數(shù)字信號(hào)，并以并行口方式輸出，數(shù)據(jù)分辨率為5.3′，精度達(dá)到±7.8′，最大跟蹤速度1000rps。FB9412PB與旋轉(zhuǎn)變壓器的端子連接如表1所示。

表1FB9412PB與旋轉(zhuǎn)變壓器的端子連接關(guān)系表

電流檢測(cè)電路

采用LEM的HMS20-P霍爾電流傳感器檢測(cè)相電流，測(cè)量范圍±60A，輸出電壓范圍2.5V±(0.625×/20)V，響應(yīng)時(shí)間小于5us。電路原理如圖所示，將LEM的輸出Vout和參考輸出Vref經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放OP27以3:4比例縮小后接入DSP的ADCINA0和ADCINB0端，兩者相減可以減小溫度影響以及測(cè)量誤差。

圖4LEM電流檢測(cè)電路連接圖

偏角檢測(cè)電路

電動(dòng)舵機(jī)通過(guò)傳動(dòng)齒輪箱和滾珠絲缸將無(wú)刷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)噴管擺動(dòng)，通過(guò)測(cè)量滾珠絲缸的位移量就可以確定噴管擺動(dòng)角，選用德國(guó)海德漢公司生產(chǎn)的EQN425多圈絕對(duì)值編碼器，轉(zhuǎn)數(shù)為4096，每轉(zhuǎn)位置數(shù)8192（13bits），計(jì)算時(shí)間0.5us，精度為，編碼類(lèi)型為格雷碼，輸出信號(hào)為同步串行信號(hào)（SSI）。SSI接口轉(zhuǎn)并口模塊選用SSI208P，該模塊自動(dòng)將同步串行接口信號(hào)（SSI）轉(zhuǎn)換成8位并口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更新率大于100KHZ。

限位保護(hù)電路

最大限位保護(hù)電路通過(guò)安裝在電機(jī)絲缸正反向最大行程處的限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，選用海立Z15G1微動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)絲缸運(yùn)動(dòng)到最大行程處時(shí)，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)接通，故障信號(hào)傳遞給DSP芯片中斷口，直接關(guān)斷六路PWM。

3軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：DSP主控程序設(shè)計(jì)和FPGA邏輯控制程序設(shè)計(jì)。DSP程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)CCS3.3編譯。FPGA采用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)QuartusⅡ編譯。

3.1DSP主程序設(shè)計(jì)

DSP主要實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)主程序和電流、位置、速度三閉環(huán)數(shù)字PID控制算法。FPGA將接收到的舵面偏轉(zhuǎn)信號(hào)和采集到的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和實(shí)際舵面偏角傳遞給DSP，DSP結(jié)合自身ADC采樣電流信號(hào)，通過(guò)算法處理，輸出調(diào)制PWM。程序流程如圖5所示。

圖5DSP主程序流程

3.2FPGA邏輯程序設(shè)計(jì)

FPGA程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想[7]，實(shí)現(xiàn)了BU-61580讀寫(xiě)RAM控制時(shí)序、FB9412PB控制時(shí)序、SSI208P控制時(shí)序和DSP接口控制邏輯。各個(gè)模塊的時(shí)序控制如圖6-11所示。

圖6CPU讀RAM時(shí)序（16位緩沖，非零等待模式）

圖7FPGA讀RAM時(shí)序仿真

圖8FB9412PB控制時(shí)序

圖9FB9412PB時(shí)序仿真

圖10SSI208P控制時(shí)序

圖11SSI208P時(shí)序仿真

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于1553B總線通訊的大功率無(wú)刷直流電動(dòng)舵機(jī)控制器，利用DSP高速運(yùn)算性能實(shí)現(xiàn)電流、速度、位置三閉環(huán)控制算法，充分運(yùn)用FPGA靈活可配置性設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯控制電路，采用BU-61580協(xié)議芯片實(shí)現(xiàn)1553BRT終端控制器。實(shí)際應(yīng)用表明，該控制器控制精度高、調(diào)節(jié)速度快，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。