引言

目前，隨著導(dǎo)彈武器射程、速度、飛行高度和機動性的不斷增加，電動舵機系統(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。無刷直流電動機不僅保持了傳統(tǒng)直流電動機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，已經(jīng)在國防、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。

本文以大功率無刷直流電動舵機[3]為對象，設(shè)計了一套基于DSP+FPGA的數(shù)字化高精度、高可靠性的控制器，并且實現(xiàn)了1553BRT終端接入功能。

1舵機系統(tǒng)總體設(shè)計方案

舵機系統(tǒng)采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制策略，總體硬件設(shè)計如圖所示。具體工作過程如下：DSP通過1553B通訊模塊與主控計算機之間進行可靠通信，通過轉(zhuǎn)子位置和舵面偏角檢測電路獲取轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速以及舵面實際偏角信號，結(jié)合自帶ADC模塊采樣得到相電流，通過三閉環(huán)控制算法處理，輸出調(diào)制PWM信號作用于功率驅(qū)動電路，驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動。利用FPGA的靈活可配置性設(shè)計硬件邏輯電路實現(xiàn)對各主功能芯片的時序控制，包括1553B通訊模塊、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測電路和舵面偏角測量電路，大大減少了DSP軟件開銷，提高了CPU工作效率。

圖1舵機系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2硬件電路設(shè)計

2.1DSP主控單元

主控制器采用美國TI公司的32位定點數(shù)字信號處理器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，每秒可執(zhí)行1.5億次指令（150MIPS），具有單周期32X32位的乘與累加運算（MAC）功能。針對電機控制應(yīng)用，片內(nèi)集成了兩個功能強大的事件管理器（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個邏輯單元(LE)，內(nèi)置36個M4KRAM塊，2個鎖相環(huán)(PLL)以及18個乘法器模塊，提供給用戶85個可用的IO管腳接口。該芯片主要配合DSP使用，實現(xiàn)邏輯控制功能。

總線通訊模塊設(shè)計

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個常規(guī)寄存器和4KX16bit的RAM，全部通信過程協(xié)議芯片都能自動完成。BU-61580與FPGA的電路連接如圖所示。利用74LVC4245芯片進行邏輯電平匹配，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)動模塊設(shè)計

功能驅(qū)動模塊采用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、過熱保護、過流保護和短路保護功能。具體電路連接如圖所示。DSP輸出六路PWM信號經(jīng)過高速高共模比的光耦芯片HCPL-4504驅(qū)動IPM內(nèi)部的IGBT，進而控制無刷電機的三相電壓U、V、W。故障信號通過光耦芯片TLP521-1傳遞給DSP中斷口，電源供電采用4個獨立的WRB0515直流電源模塊。

圖3IPM功率驅(qū)動模塊電路連接圖

轉(zhuǎn)子位置檢測電路

轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測采用旋轉(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激勵電源輸出，直接將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正余弦模擬信號轉(zhuǎn)換為角度和速度數(shù)字信號，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

電流檢測電路

采用LEM的HMS20-P霍爾電流傳感器檢測相電流，測量范圍±60A，輸出電壓范圍2.5V±(0.625×/20)V，響應(yīng)時間小于5us。電路原理如圖所示，將LEM的輸出Vout和參考輸出Vref經(jīng)過集成運放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量誤差。

圖4LEM電流檢測電路連接圖

偏角檢測電路

電動舵機通過傳動齒輪箱和滾珠絲缸將無刷直流電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，推動噴管擺動，通過測量滾珠絲缸的位移量就可以確定噴管擺動角，選用德國海德漢公司生產(chǎn)的EQN425多圈絕對值編碼器，轉(zhuǎn)數(shù)為4096，每轉(zhuǎn)位置數(shù)8192（13bits），計算時間0.5us，精度為，編碼類型為格雷碼，輸出信號為同步串行信號（SSI）。SSI接口轉(zhuǎn)并口模塊選用SSI208P，該模塊自動將同步串行接口信號（SSI）轉(zhuǎn)換成8位并口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)更新率大于100KHZ。

限位保護電路

最大限位保護電路通過安裝在電機絲缸正反向最大行程處的限位開關(guān)實現(xiàn)，選用海立Z15G1微動開關(guān)。當(dāng)絲缸運動到最大行程處時，對應(yīng)開關(guān)接通，故障信號傳遞給DSP芯片中斷口，直接關(guān)斷六路PWM。

3軟件設(shè)計

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

3.1DSP主程序設(shè)計

DSP主要實現(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)信號和采集到的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和實際舵面偏角傳遞給DSP，DSP結(jié)合自身ADC采樣電流信號，通過算法處理，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

FPGA程序采用模塊化設(shè)計思想[7]，實現(xiàn)了BU-61580讀寫RAM控制時序、FB9412PB控制時序、SSI208P控制時序和DSP接口控制邏輯。各個模塊的時序控制如圖6-11所示。

圖6CPU讀RAM時序（16位緩沖，非零等待模式）

圖7FPGA讀RAM時序仿真

圖8FB9412PB控制時序

圖9FB9412PB時序仿真

圖10SSI208P控制時序

圖11SSI208P時序仿真

4結(jié)論

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套基于1553B總線通訊的大功率無刷直流電動舵機控制器，利用DSP高速運算性能實現(xiàn)電流、速度、位置三閉環(huán)控制算法，充分運用FPGA靈活可配置性設(shè)計時序邏輯控制電路，采用BU-61580協(xié)議芯片實現(xiàn)1553BRT終端控制器。實際應(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)用價值。