基于FPGA的數(shù)字舵控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫章軍，曹揚，郭光輝，金震，王彥利，田秀

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

基于FPGA的數(shù)字舵控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

孫章軍，曹揚，郭光輝，金震，王彥利，田秀

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

為滿足飛行器對舵機系統(tǒng)的數(shù)字化、高精度、實時性、控制效率的要求，電動舵機采用三相無刷直流電機+諧波減速器的結(jié)構(gòu)形式，控制系統(tǒng)采用一個控制器控制四路舵機。介紹了一種數(shù)字化舵機控制系統(tǒng)的硬件組成和控制策略，以FPGA為控制核心，包括中央處理電路，驅(qū)動電路，反饋電路等，采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制策略，實現(xiàn)一個控制器對四路舵機的獨立控制。試驗表明，該舵機控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，控制精度高且控制效率高。

FPGA；數(shù)字舵控系統(tǒng)；設(shè)計；實現(xiàn)

0 引言

舵機系統(tǒng)是典型的位置伺服控制系統(tǒng)，舵機系統(tǒng)作為飛行器飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其性能的好壞直接影響飛行器的飛行動態(tài)性能。隨著對飛行器性能要求的不斷提升，對于舵機系統(tǒng)的要求向著體積更小、承載能力更大、控制性能更好的方向發(fā)展[1-2]。傳統(tǒng)的舵機系統(tǒng)主要采用模擬控制系統(tǒng)或者采用以單片機、DSP等微處理器構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)[3]。模擬控制系統(tǒng)容易受到干擾，參數(shù)調(diào)試不方便，而采用單片機、DSP等微處理器的控制系統(tǒng)在對多路舵機進(jìn)行控制時，存在控制通道有限、實時性較差。

針對目前采用一個控制器控制四路舵機的需求，對該種舵機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行研究，采用FPGA作為主控芯片，研制一種數(shù)字化、小體積、實時性好的數(shù)字化舵控系統(tǒng)。

1 舵控系統(tǒng)硬件設(shè)計

舵機系統(tǒng)主要由舵機控制器、電機、減速器和電位器組成。舵控系統(tǒng)主要由FPGA主控電路、電源轉(zhuǎn)換電路、光耦隔離電路、通信接口電路、霍爾處理電路、功率驅(qū)動電路、故障檢測與保護電路、電流電壓和舵機位置測量與處理電路等部分組成。外部提供的直流電源給功率驅(qū)動器和電源轉(zhuǎn)換電路供電，電源轉(zhuǎn)換電路將外部輸入的電壓轉(zhuǎn)換成舵控系統(tǒng)上模擬電路所需的±15V，數(shù)字電路所需的+5V，+3.3V、+1.2V及功率驅(qū)動電路所需的+5V和+15V。

舵控系統(tǒng)采用電位器作為舵機輸出軸角度位置傳感器，采用±15V供電，經(jīng)過低通濾波后，經(jīng)AD7327轉(zhuǎn)換器采樣后送入FPGA。功率電路與控制電路之間采用光耦隔離，驅(qū)動芯片采用IR2136，具有欠壓和過流保護功能。舵控系統(tǒng)和飛控計算機之間采用RS-422串口通信。

2 舵控系統(tǒng)軟件設(shè)計

舵控系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)的初始化、與飛控計算機通信、伺服控制算法、驅(qū)動控制和故障檢測等工作。舵控系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，主要包括初始化模塊、通信模塊、舵機輸出角度處理模塊、伺服控制算法模塊、電機驅(qū)動控制模塊和故障檢測模塊等，其中初始化模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、FPGA時鐘初始化、RS422通訊模塊初始化、控制參數(shù)初始化等工作；通信模塊則負(fù)責(zé)與飛控計算機通信，讀取指令數(shù)據(jù)和在規(guī)定的時間內(nèi)給上位機反饋當(dāng)前舵機角度位置數(shù)據(jù)；舵機輸出角度處理模塊負(fù)責(zé)對舵機的角度進(jìn)行采樣和濾波處理；伺服控制算法模塊負(fù)責(zé)根據(jù)接收到的指令與舵機反饋角度信號進(jìn)行算法運算，計算出控制量；電機驅(qū)動控制模塊根據(jù)伺服控制算法模塊產(chǎn)生的控制量結(jié)合霍爾信號產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制驅(qū)動電路；故障檢測模塊負(fù)責(zé)對舵機進(jìn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。

由于舵機系統(tǒng)需要較高的實時控制要求和動靜態(tài)指標(biāo)，舵機閉環(huán)控制采用“位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)”三閉環(huán)全數(shù)字控制形式，具體控制回路原理如圖1所示?？傮w控制流程為：FPGA接收到飛控計算機發(fā)送的各個舵機的位置指令和舵機輸出軸的當(dāng)前位置，進(jìn)行舵機位置環(huán)PI調(diào)節(jié)，得到速度指令；FPGA根據(jù)霍爾換向信號，計算得到電機轉(zhuǎn)速，速度指令與計算得到的電機轉(zhuǎn)速經(jīng)速度環(huán)PI計算后得到電流指令；FPGA通過電流傳感器測量電機的電流，根據(jù)電流指令與檢測到的電流通過電流環(huán)P控制產(chǎn)生相應(yīng)的電壓控制信號，進(jìn)而輸出PWM信號到驅(qū)動電路。

圖1 舵機控制系統(tǒng)回路原理

3 試驗結(jié)果

圖2為舵機系統(tǒng)在正弦指令和方波指令下的實測數(shù)據(jù)。圖2（a）為舵機系統(tǒng)跟蹤1 o，1Hz正弦信號時，四路舵機的實際響應(yīng)曲線，由圖可見，跟蹤效果良好，圖2（b）為舵機系統(tǒng)跟蹤25度方波信號時，的波形，四路舵機的實際響應(yīng)曲線，由圖可見，系統(tǒng)超調(diào)量較小，響應(yīng)速度快。實驗結(jié)果表明，數(shù)字舵控系統(tǒng)設(shè)計正確及合理。

圖2 舵機測試數(shù)據(jù)曲線

4 結(jié)論

本文利用Xilinx公司最具性價比的Spartan-6系列芯片，設(shè)計了一套一控四路舵機的伺服控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該數(shù)字化舵控系統(tǒng)具有尺寸小、精度高、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，滿足了舵機的小型化和智能化要求。

[1]劉建斌.基于DSP的電動舵機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].導(dǎo)航與控制, 2008, 7(1): 53-56.

[2]伍城,趙懷林,朱紀(jì)洪.一種小型數(shù)字電動舵機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表, 2015, (10): 10-14,36.

[3]王京鋒, 孫春祥,馬雋.基于DSP和FUZZY-PID控制的彈用電動舵機伺服系統(tǒng)的研究[J].導(dǎo)航與控制, 2003, 4(3): 63-68.

Design and Implementation of a Digital-electric Servo System based on FPGA

Sun Zhangjun，Cao Yang，Guo Guanghui，Jin Zhen，Wang Yanli，Tian Xiu
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing,100039）

In order to meet the requirements of the digital, high precision, real-time and control efficiency of the servo system, the combination of BLDC directed by harmonic reducer was used to the electric actuator, and one controller is corresponded to four actuators in the paper. The paper introduced the structure solution and control strategy of the controller. The controller used the FPGA as the core, including the central processing circuit, drive circuit, feedback circuit etc We accomplish the digital actuator control system through the three closed-loop control strategy including position loop, speed loop and current loop Experiments results show that the system is easy to design and realize

FPGA; digital actuator controller; design; realizing