基于1553B总线的航天大功率电动舵机控制器设计

引言

    目前，随着导弹武器射程、速度、飞行高度和机动性的不断增加，电动舵机系统正向着输出力矩大、响应速度快、功率大、体积小、集成度高、全数字化方向发展。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠，已经在国防、航空航天等领域中得到了较好的应用。

    MIL-STD-1553B总线作为一种具有较高数据传输性能和管理效率、传输可靠的数据总线，已经发展成熟并被广泛应用于航空航天、武器装备等复杂控制系统中。

    本文以大功率无刷直流电动舵机为对象，设计了一套基于DSP+FPGA的数字化高精度、高可靠性的控制器，并且实现了1553BRT终端接入功能。

1 舵机系统总体设计方案

    舵机系统采用位置、速度、电流三闭环控制策略，总体硬件设计如图所示。具体工作过程如下：DSP通过1553B通讯模块与主控计算机之间进行可靠通信，通过转子位置和舵面偏角检测电路获取转子位置、转速以及舵面实际偏角信号，结合自带ADC模块采样得到相电流，通过三闭环控制算法处理，输出调制PWM信号作用于功率驱动电路，驱动无刷直流电机转动。利用FPGA的灵活可配置性设计硬件逻辑电路实现对各主功能芯片的时序控制，包括1553B通讯模块、转子位置及转速检测电路和舵面偏角测量电路，大大减少了DSP软件开销，提高了CPU工作效率。

图1舵机系统总体硬件结构图

2 硬件电路设计

    2.1 DSP主控单元

    主控制器采用美国TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F2812。该芯片采用哈佛总线结构，将数据总线和程序总线分开，每秒可执行1.5亿次指令（150MIPS），具有单周期32X32位的乘与累加运算（MAC）功能。针对电机控制应用，片内集成了两个功能强大的事件管理器（EVA、EVB），16通道的高速ADC模块。

    逻辑控制单元

    FPGA逻辑功能芯片选用Altera公司的CycloneII系列EP2C8T144C8。CycloneII是基于StratixII的90nm工艺推出的FPGA芯片，具有8256个逻辑单元(LE)，内置36个M4KRAM块，2个锁相环(PLL)以及18个乘法器模块，提供给用户85个可用的IO管脚接口。该芯片主要配合DSP使用，实现逻辑控制功能。

    总线通讯模块设计

    选用DDC公司的BU-61580[5]作为1553B总线通信协议芯片。该芯片内部集成有数字协议控制电路，双路总线收发器等模块，FPGA只需要操作协议芯片的17个常规寄存器和4KX16bit的RAM，全部通信过程协议芯片都能自动完成。BU-61580与FPGA的电路连接如图所示。利用74LVC4245芯片进行逻辑电平匹配，TRANSPARENT/BUFFERED拉低将BU-61580设置为16位缓冲工作模式，FPGA直接使用芯片内部4KX16bit共享RAM。

图2BU-61580与FPGA的电路连接图

    功率驱动模块设计

    功能驱动模块采用Fuji公司的7MBP75RJ120，该IPM模块能耐受高达1200V电压，75A电流，内部设有电源欠压、过热保护、过流保护和短路保护功能。具体电路连接如图所示。DSP输出六路PWM信号经过高速高共模比的光耦芯片HCPL-4504驱动IPM内部的IGBT，进而控制无刷电机的三相电压U、V、W。故障信号通过光耦芯片TLP521-1传递给DSP中断口，电源供电采用4个独立的WRB0515直流电源模块。[page]

    图3IPM功率驱动模块电路连接图

    转子位置检测电路

    转子位置及转速检测采用旋转变压器与解码芯片组合方案。采用多摩川TS2620N21E11旋转变压器，入力电压AC7Vrms10KHz，变压比0.5±5%，误差精度最大±10′。解码芯片选用飞博尔的12位分辨率旋转变压器——角位速度数字转换器FB9412PB，该转换器具有10kHz激励电源输出，直接将旋转变压器输出的正余弦模拟信号转换为角度和速度数字信号，并以并行口方式输出，数据分辨率为5.3′，精度达到±7.8′，最大跟踪速度1000rps。FB9412PB与旋转变压器的端子连接如表1所示。

    电流检测电路

    采用LEM的HMS20-P霍尔电流传感器检测相电流，测量范围±60A，输出电压范围2.5V±(0.625×/20)V，响应时间小于5us。电路原理如图所示，将LEM的输出Vout和参考输出Vref经过集成运放OP27以3:4比例缩小后接入DSP的ADCINA0和ADCINB0端，两者相减可以减小温度影响以及测量误差。

图4 LEM电流检测电路连接图

    偏角检测电路

    电动舵机通过传动齿轮箱和滚珠丝缸将无刷直流电机的旋转运动转换为直线运动，推动喷管摆动，通过测量滚珠丝缸的位移量就可以确定喷管摆动角，选用德国海德汉公司生产的EQN425多圈绝对值编码器，转数为4096，每转位置数8192（13bits），计算时间0.5us，精度为，编码类型为格雷码，输出信号为同步串行信号（SSI）。SSI接口转并口模块选用SSI208P，该模块自动将同步串行接口信号（SSI）转换成8位并口数据，数据更新率大于100KHZ。

    限位保护电路

    最大限位保护电路通过安装在电机丝缸正反向最大行程处的限位开关实现，选用海立Z15G1微动开关。当丝缸运动到最大行程处时，对应开关接通，故障信号传递给DSP芯片中断口，直接关断六路PWM。

3 软件设计

    控制系统软件设计主要包括两部分内容：DSP主控程序设计和FPGA逻辑控制程序设计。DSP程序采用C语言编写，通过CCS3.3编译。FPGA采用Verilog语言编写，通过QuartusⅡ编译。[page]

    3.1 DSP主程序设计

    DSP主要实现了控制系统主程序和电流、位置、速度三闭环数字PID控制算法。FPGA将接收到的舵面偏转信号和采集到的转子位置、转速和实际舵面偏角传递给DSP，DSP结合自身ADC采样电流信号，通过算法处理，输出调制PWM。程序流程如图5所示。

图5DSP主程序流程    3.2 FPGA逻辑程序设计

    FPGA程序采用模块化设计思想，实现了BU-61580读写RAM控制时序、FB9412PB控制时序、SSI208P控制时序和DSP接口控制逻辑。各个模块的时序控制如图6-11所示。

4 结论

    本文设计实现了一套基于1553B总线通讯的大功率无刷直流电动舵机控制器，利用DSP高速运算性能实现电流、速度、位置三闭环控制算法，充分运用FPGA灵活可配置性设计时序逻辑控制电路，采用BU-61580协议芯片实现1553BRT终端控制器。实际应用表明，该控制器控制精度高、调节速度快，具有良好的工程应用价值。