一種微型多路電動(dòng)舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

劉健飛，高智剛，李 朋，周 軍

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

近年，電動(dòng)舵機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防空導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等領(lǐng)域［1］，并且應(yīng)用范圍逐漸拓展至便攜式防空導(dǎo)彈、小型無(wú)人機(jī)及反坦克導(dǎo)彈等小型飛行器領(lǐng)域。由于這類(lèi)飛行器本身體積較小，對(duì)其電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)也提出了小型化的要求。

傳統(tǒng)舵機(jī)控制器采用模擬式控制電路與分立式功率元件相結(jié)合的硬件方案，需要集成柵極驅(qū)動(dòng)電路，且一路控制驅(qū)動(dòng)器只能控制單路舵機(jī)，在進(jìn)行多路舵機(jī)控制時(shí)系統(tǒng)體積與舵機(jī)通道數(shù)成正比，體積大成本高，為其在小型飛行器中的應(yīng)用帶來(lái)了困難。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種采用TI 公司集成功率驅(qū)動(dòng)芯片DRV8412 為功率放大級(jí)，以Altera公司FPGA 為主控芯片的微型多路電動(dòng)舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)方案。利用該功率芯片內(nèi)部集成的柵極驅(qū)動(dòng)和自保護(hù)電路，可以省略H 橋式功率電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路及隔離光耦。同時(shí)，F(xiàn)PGA 能夠同時(shí)處理四路舵機(jī)控制信號(hào)和舵機(jī)反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)四路舵機(jī)控制器并行工作。本方案可以有效降低系統(tǒng)的體積和成本，實(shí)現(xiàn)四路電動(dòng)舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)。

1 控制系統(tǒng)總體方案

電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)為角位置隨動(dòng)系統(tǒng)，需要比較舵機(jī)控制指令和舵機(jī)位置反饋信號(hào)，根據(jù)兩者誤差由控制器形成控制量并輸出相應(yīng)占空比PWM 波，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)要求如表1 所示。

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)要求

經(jīng)分析可得本電動(dòng)舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)主要包含四個(gè)單元，即數(shù)據(jù)接口單元，數(shù)據(jù)采集單元，控制器單元和功率驅(qū)動(dòng)單元。

系統(tǒng)主要工作過(guò)程如下:

首先，通過(guò)數(shù)據(jù)接口單元(RS422 數(shù)字接口，ADM2587E)或數(shù)據(jù)采集單元(AD7938)接收數(shù)字量/模擬量形式的四路舵機(jī)控制指令。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元(AD7938)采集四路舵機(jī)反饋信號(hào)，將該信號(hào)送控制器單元并產(chǎn)生舵機(jī)外部測(cè)量信號(hào)(或通過(guò)RS422 接口發(fā)送給上位機(jī))。

然后在控制器單元(EP2C15AF256)內(nèi)根據(jù)舵機(jī)控制指令和舵機(jī)反饋信號(hào)之差形成四路舵機(jī)的控制量，并產(chǎn)生不同占空比的多路PWM 信號(hào)輸出。最后，控制器單元所產(chǎn)生的多路PWM 信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)單元(兩片DRV8412)進(jìn)行功率放大后同時(shí)驅(qū)動(dòng)四臺(tái)電動(dòng)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 功率驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

集成功率芯片是一種新型功率器件，內(nèi)部集成柵極驅(qū)動(dòng)電路和多路功率全橋，具有保護(hù)電路齊全、體積小等特點(diǎn)。

由于本系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)單元具有小型化要求，且要求每通道輸出功率大于80 W，故選用TI 公司的DRV8412 集成功率芯片。該芯片的主要性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 DRV8412 集成功率芯片主要性能指標(biāo)

圖2 DRV8412 電路連接原理

在功率驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)中，共采用兩片集成功率芯片DRV8412，如圖2 所示。工作方式為帶電流檢測(cè)單橋控制，由FPGA 輸出八路PWM 控制信號(hào)分別控制兩芯片的八個(gè)功率半橋，由于電動(dòng)舵機(jī)所使用的是有刷電機(jī)，因此配置成四個(gè)H 橋驅(qū)動(dòng)電路。芯片1 中PWMA 和PWMB 功率放大后為OUTA 和OUTB，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)Ⅰ，PWMC 和PWMD 功率放大后為OUTC 和OUTD，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)Ⅱ;芯片2 采用相同方式，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)Ⅲ和舵機(jī)Ⅳ，從而完成對(duì)四路舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)控制器選擇

目前電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)常采用的控器方案有三種:專(zhuān)用數(shù)字/模擬集成電路的可靠性較低，小批量生產(chǎn)或研發(fā)成本高;微控制器配合外圍處理電路，當(dāng)進(jìn)行多路電動(dòng)舵機(jī)控制時(shí)使用串行控制方式，存在響應(yīng)速度慢等問(wèn)題;以FPGA 為核心的數(shù)字式控制器，當(dāng)進(jìn)行多路控制器集成時(shí)，控制器可實(shí)現(xiàn)并行處理，具有集成度高、速度快、體積小、可靠性高等特點(diǎn)。

分析本系統(tǒng)的資源需求可知，外圍設(shè)備與控制器連接需要65 個(gè)I/O 管腳，控制算法采用基于比例趨近率的變結(jié)構(gòu)控制算法，外圍設(shè)備邏輯控制模塊五個(gè)，需要邏輯單元較少。因此，設(shè)計(jì)中選擇1 片Altera Cyclone II 系列EP2C15AF256 芯片作為系統(tǒng)控制器，芯片共有256 個(gè)I/O 管腳，內(nèi)部有14 448個(gè)邏輯單元，4 個(gè)PLL 鎖相環(huán)，可以滿(mǎn)足4 路并行控制的需要。

2.3 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元選用ADI 公司ADC7938 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片共有8 個(gè)采樣通道，12 位并行數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)換速率達(dá)1．5 Ms/s，輸入時(shí)鐘頻率為700 kHz～25．5 MHz。

四路舵機(jī)控制信號(hào)和四路舵機(jī)反饋信號(hào)送入ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，首先通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行阻抗隔離，隨后通過(guò)ADC 進(jìn)行八通道采集，采集數(shù)據(jù)通過(guò)并行接口送入FPGA 處理，使數(shù)據(jù)傳輸速度比SPI 方式更快。

2.4 數(shù)字接口芯片

數(shù)字接口主要用于與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制指令接收和舵機(jī)反饋指令上傳。本系統(tǒng)采用RS422 接口，通過(guò)差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境中使用。

考慮系統(tǒng)的小體積要求，選用ADI 公司的ADM2587E 數(shù)字接口芯片，其封裝為SOIC－20，該芯片數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 k /s，包含一個(gè)接收器和一個(gè)發(fā)送器。

3 軟件設(shè)計(jì)

FPGA 軟件采用Verilog HDL 硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，綜合后的硬件描述語(yǔ)言下載到FPGA 中，在FPGA 內(nèi)部形成硬件邏輯電路。四路控制器在FPGA 內(nèi)并行運(yùn)行，運(yùn)算速度由用戶(hù)進(jìn)行控制，而不受微控制器的指令周期限制。

3.1 系統(tǒng)軟件接口

軟件功能結(jié)構(gòu)主要分為五個(gè)模塊，即初始化及錯(cuò)誤狀態(tài)控制模塊、ADC 控制模塊、控制算法模塊、PWM 波生成模塊、RS422 控制模塊?？傻帽鞠到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)

圖3 中各部分功能如下:

(1)初始化及錯(cuò)誤狀態(tài)控制模塊在系統(tǒng)初始上電時(shí)，對(duì)外設(shè)進(jìn)行初始化，當(dāng)外設(shè)故障時(shí)，響應(yīng)故障信號(hào)并進(jìn)行處理。

(2)ADC 控制模塊產(chǎn)生控制信號(hào)，控制ADC 芯片轉(zhuǎn)換模擬量，接收轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量并傳遞給控制算法模塊。

(3)RS422 控制模塊將采集數(shù)字接口數(shù)據(jù)并傳遞給控制算法模塊，同時(shí)將舵機(jī)反饋信號(hào)傳遞給上位機(jī)。

(4)控制算法模塊根據(jù)ADC 控制模塊提供的舵機(jī)控制和舵機(jī)反饋信號(hào)，產(chǎn)生與控制量對(duì)應(yīng)的PWM 脈寬量，并傳遞給PWM 波生成模塊。

(5)PWM 波生成模塊根據(jù)PWM 脈寬量產(chǎn)生所要求占空比的PWM 波，用來(lái)控制集成功率驅(qū)動(dòng)芯片。

3.2 軟件系統(tǒng)流程

根據(jù)上位機(jī)提供的控制信號(hào)類(lèi)型，可將系統(tǒng)工作方式分為模擬指令工作方式和數(shù)字指令工作方式，如圖4 所示。

圖4 軟件工作流程

系統(tǒng)初始化完畢后首先選擇工作模式。模擬指令工作方式中，ADC 采集舵機(jī)控制和舵機(jī)反饋信號(hào)，將數(shù)據(jù)傳遞給控制算法模塊并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作;數(shù)字指令工作方式中，通過(guò)RS422 接口接收上位機(jī)的控制指令，由ADC 采集舵機(jī)反饋信號(hào)，將兩者同時(shí)送入控制算法模塊，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 控制信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

硬件系統(tǒng)實(shí)物如圖5 所示。電動(dòng)舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器整體尺寸為58 mm × 85 mm × 20 mm(寬× 長(zhǎng)×高)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)四路舵機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)，每通道額定輸出功率達(dá)84 W(功率電源電壓為28 V)，峰值輸出功率達(dá)168 W。

圖5 硬件系統(tǒng)實(shí)物

測(cè)得系統(tǒng)工作時(shí)的PWM 波及舵機(jī)控制、反饋波形如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)工作PWM 及舵機(jī)反饋波形

圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為FPGA 產(chǎn)生的10%、50%、90% 占空比下兩路控制PWM 波形(PWM1、PWM2)及經(jīng)DRV8412 芯片功率放大后的功率PWM 波形(M1、M2)，圖6 (d)為電動(dòng)舵機(jī)控制指令(DK)與舵機(jī)反饋信號(hào)(DF)波形。從圖中可看出，PWM 占空比可控，舵機(jī)控制器工作正常，舵機(jī)反饋信號(hào)正常跟蹤舵機(jī)控制信號(hào)。

為測(cè)量溫度隨工作時(shí)間變化情況，用FLIR i7紅外熱像儀進(jìn)行了舵機(jī)工作時(shí)DRV8412 芯片(圖中十字中心處)的溫度監(jiān)控，結(jié)果如圖7 所示。

從圖7 可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，功率芯片DRV8412 的溫升≤1．5℃/(5 min)，工作20 min 后功率芯片溫度低于50℃，系統(tǒng)散熱良好，達(dá)到了工作時(shí)間≥20 min 的要求。

圖7 DRV8412 工作紅外溫度

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于集成功率驅(qū)動(dòng)芯片DRV8412 和FPGA 的微型多路電動(dòng)舵機(jī)數(shù)字式控制驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)在58 mm × 85 mm × 20 mm 的體積內(nèi)通過(guò)單板集成了四路舵機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，并設(shè)計(jì)有模擬控制信號(hào)和數(shù)字控制信號(hào)(RS422)兩種輸入接口，每通道額定輸出功率達(dá)84 W，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

本舵機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有體積小、集成度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式防空導(dǎo)彈、小型無(wú)人機(jī)、反坦克導(dǎo)彈等小型飛行器中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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