基于國產(chǎn)FPGA的天線指向機構(gòu)伺服控制器的設(shè)計

胡雪剛，王濤，張軍，張得禮，王宏濤

(1. 南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201108)

0 引言

天線指向機構(gòu)的指向精度是評判天線能否進(jìn)行高精度掃描與指向的重要性能指標(biāo)[1]，而天線指向機構(gòu)的精度又取決于其伺服系統(tǒng)的控制精度，因此提高伺服控制器的精度對于天線高精度掃描和指向非常重要。

目前伺服控制器多采用DSP、MCU作為主控芯片，但是由于天線指向機構(gòu)的伺服控制器在工作過程中會面臨空間環(huán)境未知粒子輻射和高低溫環(huán)境等考驗，而DSP和MCU對單粒子輻射比較敏感，難以滿足空間應(yīng)用可靠性需求[2]。因此空間天線指向機構(gòu)伺服控制器采用FPGA作為主控芯片已成趨勢。中國空間技術(shù)研究院的劉鵬、董超等人設(shè)計了一種基于FPGA和單片機的星載定位指向控制器，以ACTEL的反熔絲FPGA作為主控芯片來驅(qū)動控制步進(jìn)電機，單片機作為輔助芯片來實現(xiàn)控制器與UART的串口通信[3]。上海宇航系統(tǒng)工程研究所的侯超、鄭悅等人采用單片的ACTEL公司的反熔絲FPGA作為中繼天線驅(qū)動控制主控芯片[4]。但是這些都是以國外的FPGA作為主控芯片，近年來國際形勢的變化加大了核心器件國產(chǎn)化的需求，只有掌握核心科技才能不受制于人。所以，設(shè)計并驗證以國產(chǎn)FPGA為主控芯片的天線指向伺服控制器可以加快核心器件國產(chǎn)化的步伐。

本文設(shè)計了以國產(chǎn)FPGA為主控芯片的天線指向機構(gòu)伺服控制器，采用步進(jìn)電機作為驅(qū)動電機，以雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器采集位置信息。本文提出了一種“細(xì)分控制+插值PID”的步進(jìn)電機控制算法來提高天線指向機構(gòu)的指向精度，以保證天線指向機構(gòu)指向時的平滑。對設(shè)計的伺服控制器進(jìn)行指向試驗，驗證伺服控制器的指向精度，然后進(jìn)行熱循環(huán)試驗和EMC(電磁兼容性)試驗，驗證該伺服控制器在空間環(huán)境中的可靠性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

天線指向機構(gòu)伺服控制系統(tǒng)解析上位機發(fā)送的工作命令和參數(shù)等，按照命令中的工作模式和位置給定要求，通過控制驅(qū)動步進(jìn)電機來控制天線指向機構(gòu)，并獲取指向機構(gòu)的位置、電流信息及其工作狀態(tài)，反饋至上位機。

天線指向機構(gòu)伺服控制系統(tǒng)主要包括FPGA與上位機通信模塊、PROM與FPGA的配置模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、電機驅(qū)動模塊以及步距角為0.9°的兩相混合式步進(jìn)電機等。由于旋轉(zhuǎn)變壓器承受高、低溫，抗沖擊和振動的能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光電編碼器[5]，為了提高測量的精度，采用極對數(shù)為1∶16的雙通道，粗、精速比為1∶16的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，采集電機的位置信息[6]。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

其工作過程如下：

1)上位機通過RS422向FPGA發(fā)送工作模式、位置給定等命令參數(shù)，F(xiàn)PGA通過RS422向上位機發(fā)送需要遙測的數(shù)據(jù)，例如位置、電流信息及工作狀態(tài)等；

2)FPGA根據(jù)AD128S102的時序控制AD128S102的信號，獲取AD轉(zhuǎn)換后的電流值；

3)FPGA根據(jù)AD2S80的時序控制AD2S80的信號，獲取雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器AD轉(zhuǎn)換后的值，并根據(jù)其耦合修正算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確組合[7]；

4)FPGA根據(jù)采集到的位置信息，通過基于插值的PID算法實現(xiàn)位置閉環(huán)控制，并且依據(jù)步進(jìn)電機控制原理進(jìn)行控制，生成相應(yīng)的控制信號，通過電平轉(zhuǎn)換輸出至MOSFET驅(qū)動芯片(IR2110)。

2 伺服控制算法

步進(jìn)電機驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號，步進(jìn)電機就會轉(zhuǎn)一個固定的步距角。由于步進(jìn)電機自身特性的影響，步進(jìn)電機的性能達(dá)不到實際的控制要求，故本文采取步進(jìn)電機細(xì)分控制以提高步進(jìn)電機的分辨率[8]。但是由于步進(jìn)電機存在丟步的現(xiàn)象，導(dǎo)致指向機構(gòu)的指向精度達(dá)不到要求。因此本文提出了一種基于插值PID的閉環(huán)控制算法來避免電機因丟步而造成的指向誤差[9]。算法流程圖如圖2所示。

圖2 伺服控制算法結(jié)構(gòu)圖

其控制策略為：首先對接收到上位機發(fā)送的給定位置進(jìn)行插值計算，然后以插值計算得到的結(jié)果作為位置閉環(huán)PID每個控制周期的位置給定，進(jìn)行PID位置閉環(huán)控制，得到位置閉環(huán)PID的結(jié)果；以位置閉環(huán)PID的計算結(jié)果為速度給定，進(jìn)行步進(jìn)電機的細(xì)分控制，并采用SPWM技術(shù)控制輸出給驅(qū)動芯片的PWM信號。

2.1 插值PID位置控制算法

天線指向機構(gòu)接收上位機每2s發(fā)送的位置給定指令，PID位置閉環(huán)無法保證電機剛好在規(guī)定的時刻達(dá)到目標(biāo)位置，會導(dǎo)致在指向過程中會出現(xiàn)走走停停的現(xiàn)象。如何保證指向機構(gòu)的指向精度和平滑指向是位置閉環(huán)控制的關(guān)鍵和重點。因此本文提出了一種基于插值的PID的控制算法。

首先對上位機每隔一定時間發(fā)送的給定位置進(jìn)行插值處理，計算得到每個控制周期的給定位置，從而保證電機在指向時能夠平穩(wěn)光滑地運動。插值算式如下：

(1)

式中：ref(t)表示插值后計算得到的第t個控制周期的給定位置；r(k)表示上位機第k次給定的位置值；N是一個常數(shù)，表示每2s插值的次數(shù)。

得到每個控制周期的位置給定后進(jìn)行位置閉環(huán)控制。在該系統(tǒng)中，步進(jìn)電機的位置閉環(huán)為典型的絕對式的PID閉環(huán)控制算法，其離散算式如式(2)所示。

(2)

其中

e(t)=ref(t)-fb(t)

(3)

式中：fb(t)表示第t個控制周期旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的位置值；e(t)表示第t個控制周期給定位置與反饋位置的誤差值；u(t)表示位置閉環(huán)PID第t個控制周期的輸出值，也就是速度給定；Kp、Ki、Kd分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。在得到位置閉環(huán)PID輸出結(jié)果值后，進(jìn)行步進(jìn)電機的細(xì)分驅(qū)動控制。

2.2 步進(jìn)電機細(xì)分控制算法

由于所使用步進(jìn)電機的特性，步進(jìn)電機驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號，步進(jìn)電機就轉(zhuǎn)動一個固定的步距角0.9°，即此步進(jìn)電機的分辨率為0.9°。但是控制精度要求為0.1°，這使得指向機構(gòu)的控制精度達(dá)不到要求?？赏ㄟ^步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動控制提高電機的分辨率，細(xì)分驅(qū)動控制步進(jìn)電機各相電流以階梯狀變化，通過減小各相電流的突變來減小電磁力矩的突變，減小合成磁勢的角度，從而達(dá)到細(xì)分的目的[10-12]。 為了使步進(jìn)電機細(xì)分后的每一步轉(zhuǎn)動的角度保持一致，必須保證電流合成矢量的大小和旋轉(zhuǎn)角度保持不變，使用電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法，給A、B兩相通入相位差為π/2的正弦電流。步進(jìn)電機細(xì)分控制算法框圖如圖3所示。

圖3 細(xì)分控制算法結(jié)構(gòu)圖

正弦表中按照地址存放著正弦值，根據(jù)位置閉環(huán)PID輸出的結(jié)果u(t)進(jìn)行正弦表地址計算，讀出該地址存放的數(shù)據(jù)，輸出至比較器的輸入端，三角波計數(shù)器生成的三角波數(shù)據(jù)輸出至比較器的另一端。將這兩端的數(shù)據(jù)經(jīng)過比較器比較，得到SPWM脈沖信號。正弦表地址計算算式如下所示：

(4)

(5)

addr=∑p

(6)

式中：m表示電機每轉(zhuǎn)動一圈所需要的脈沖數(shù)；step表示細(xì)分?jǐn)?shù)；α表示步進(jìn)電機的步距角；p表示每個控制周期所需要的脈沖數(shù)；f表示控制頻率；addr表示計算得到的正弦表地址。首先計算出電機每轉(zhuǎn)動一周所需要的脈沖數(shù)，然后通過單位轉(zhuǎn)換計算得到每個控制周期所需要的脈沖數(shù)，并將每個控制周期所需要的脈沖數(shù)累加就得到當(dāng)前控制周期的正弦表地址。得到正弦表地址后讀取正弦表數(shù)值，將正弦表數(shù)值與三角波計數(shù)器進(jìn)行比較，產(chǎn)生對應(yīng)的PWM信號。

2.3 控制算法仿真

運用Simulink對設(shè)計的控制算法進(jìn)行建模仿真，并與不采取插值只采取PID的控制算法進(jìn)行仿真對比。仿真結(jié)果如圖4-圖5所示。

圖4 兩相調(diào)制波仿真結(jié)果圖

圖5 系統(tǒng)算法仿真結(jié)果圖

圖4是A、B相SPWM調(diào)制的數(shù)值為相位差為π/2的正弦波，滿足其控制要求。圖5是系統(tǒng)最終仿真結(jié)果，結(jié)果顯示基于插值PID的控制算法相較于傳統(tǒng)的PID控制算法的電機速度平滑，并且指向精度也相對提高。

3 試驗驗證

3.1 指向精度試驗驗證

采用專用測試臺對伺服控制器進(jìn)行指向測試試驗。上位機在發(fā)送跟蹤指令前先給控制器下發(fā)預(yù)置指令，使電機轉(zhuǎn)動至指向指令的初始位置。到達(dá)初始位置后開始進(jìn)行指向跟蹤(測試臺每隔2s發(fā)送指向位置)。本試驗發(fā)送的指向位置是周期為2 000s、幅值為180°的正弦曲線。最終測試結(jié)果如圖6所示。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)指向跟蹤精度高，達(dá)到了0.09°的指向精度，并且滿足電機平穩(wěn)跟蹤的要求。

圖6 電機指向試驗結(jié)果圖

3.2 可靠性試驗驗證

為了驗證這個基于國產(chǎn)FPGA的伺服控制器在空間環(huán)境中的可靠性，進(jìn)行了熱循環(huán)試驗和EMC試驗。

熱循環(huán)試驗條件按照Q/RJ356-2013《衛(wèi)星型譜單機試驗通用要求》在高低溫交變試驗箱中展開，如圖7所示。試驗初始溫度為22.3℃，初始相對濕度為44%RH。試驗的溫度范圍為-35℃～70℃，并且第一次和最后一次的高溫端和低溫端的持續(xù)時間至少為6h，中間循環(huán)的高溫端和低溫端的持續(xù)時間至少為2h，溫變速率為3～5℃/min。

圖7 熱循環(huán)試驗箱內(nèi)狀態(tài)圖

EMC試驗條件按照Q/RJ356—2013《衛(wèi)星型譜單機試驗通用要求》在EMC實驗室開展。試驗布置如圖8所示。

圖8 EMC試驗布置圖

將待測的伺服控制器放入EMC實驗室中，電源通過LISN(線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))給被測的伺服控制器供電，被測伺服控制器通過電纜與地測相連來觀察試驗時伺服控制器的主要功能參數(shù)。由于此伺服控制器主要采用二次電源供電，其核心電源為5V，因此對其展開了CE102(10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射)檢測項目，測試結(jié)果如圖9測試結(jié)果顯示，在260kHz～4.16MHz頻段有超標(biāo)。該超標(biāo)主要是由于該頻段與電機驅(qū)動頻率和產(chǎn)品內(nèi)部晶振頻率的倍頻重合造成，屬于機構(gòu)驅(qū)動控制類電子產(chǎn)品固有特性，不影響其性能。

圖9 5V正端CE102檢測圖

在進(jìn)行伺服控制器熱循環(huán)試驗和EMC試驗時，對該產(chǎn)品的主要功能進(jìn)行測試。其試驗的測試值如表1所示。

表1 伺服控制器試驗前后主要指標(biāo)測試表

測試結(jié)果顯示：在進(jìn)行熱循環(huán)試驗和EMC試驗時，伺服控制器的功能參數(shù)基本沒有發(fā)生變化，伺服控制器滿足空間環(huán)境的可靠性要求。

4 結(jié)語

本文針對天線指向機構(gòu)，采用國產(chǎn)FPGA作為指向機構(gòu)伺服控制器的主控芯片，基于插值的PID算法設(shè)計并實現(xiàn)了單片F(xiàn)PGA架構(gòu)的天線指向機構(gòu)伺服控制器，并對此伺服控制器進(jìn)行了熱循環(huán)試驗驗證和EMC試驗驗證。結(jié)果表明，此基于插值PID算法、細(xì)分的SPWM技術(shù)的伺服控制器能夠精確地實現(xiàn)指向，并且在進(jìn)行熱循環(huán)和EMC試驗時，伺服控制器的各項指標(biāo)和功能均符合要求。因此，該伺服控制器滿足天線指向機構(gòu)的指向精度要求和空間環(huán)境的可靠性要求。