基于DSP+CPLD的四电动舵机伺服控制器设计

米月星 ，林 辉，李 志

(西北工业大学，陕西西安710129)

1四舵机伺服控制系统

舵机作为现代飞行器的伺服执行机构，对其质量、体积以及控制性能都提出了更高的要求［1-2］。舵机伺服系统分为四个独立的通道，分别完成对四个舵面的控制。每个通道由舵机本体和伺服控制器组成。四舵机伺服控制系统结构框图如图1所示。伺服控制器接收制导计算机的的位置信号给定，控制四台舵机按照给定的位置信号做相应的作动，控制各舵面的角度变化。

图1 四舵机伺服控制系统

2 12路霍尔信号的捕获

本系统中，霍尔信号同时送至DSP和CPLD。CPLD通过电机三相霍尔信号的逻辑运算产生PWM控制信号，DSP通过霍尔信号的捕获计算得知电机的转速作为速度环的回馈信号。电机的转速信号由霍尔信号回馈得知。单个DSP有6个CAP管脚，而四台电机共有12路霍尔信号需要捕获。单纯依靠DSP的CAP管脚无法实现对12路霍尔的捕获。这就需要CPLD将每三路霍尔信号异或，将异或信号送至DSP的CAP口。0～360°的电角度范围内，三相霍尔及其异或信号如图2所示。

图2 三相霍尔及其异或信号

图 2 中，HA、HB、HC分别为一台电机的三相霍尔信号，YH为其异或信号。由图2看出，每相霍尔的上升或下降均能导致YH高低电平的变化。这样通过捕获YH信号的上升沿和下降沿，就能确定三相霍尔电平跳变的时刻。采用M法测速，在一定的时间T内，测取YH信号的脉冲个数M，从而得到电机的转速。这样，一台电机三相霍尔信号跳变的捕获可由一个CAP管脚完成，4个CAP管脚即可完成对12路霍尔信号跳变的捕获，并由此计算出四台电机的转速。

3 PWM信号的产生

单个DSP的EVA全比较单元PWM电路可以产生12路PWM，实现对两台电机的调速控制，无法满足四舵机伺服系统的控制要求。另一方面，DSP控制无刷直流电动机的起停和换相时，要进行大量的逻辑运算，就要占用大量的CPU资源，会大大影响CPU的工作效率［4］。无论是对四台舵机的控制要求，还是对系统的控制响应速度，都必须借助CPLD高速的逻辑运算能力。DSP完成AD采集、PID运算以及中断管理，CPLD完成多路PWM的产生以及实时保护的功能。系统选用EPM1270来完成多路PWM波的产生。DSP与CPLD的接口电路示意图如图3所示。

图3 DSP与CPLD的接口电路示意图

图3中，四台电机的起停、制动、方向信号由DSP的I/O口输出，占空比通过通用定时器的比较操作产生的T1PWM～T4PWM确定，CPLD将这几路信号与12路霍尔信号进行逻辑运算，输出四台舵机的PWM控制信号。

4软件设计

4．1 DSP 功能设计

DSP主要完成控制算法的计算和时间管理的功能，是系统的核心部分。系统采用位置环+速度环+电流环的死循环控制策略，死循环控制均采用PID算法。系统软件设计流程图如图4所示。

图4 系统软件设计流程图

图4(a)中，AD中断程序完成对电流传感器、电位计以及角度给定的采样;CAP中断程序完成对12路霍尔信号的捕获，并计算得出电机转速;PID中断完成PID控制算法。图4(b)中，将电流环的计算结果赋值给TxCMPR，实时改变占空比的大小，并通过TxPWM管脚将占空比送至CPLD。

4．2 CPLD 程序设计

CPLD的功能是把DSP的控制使能信号与霍尔信号进行逻辑运算，输出PWM控制信号。当接收到硬件保护信号时，关闭PWM输出，实时保护系统的正常工作。

在Quartus II集成开发工具中建立仿真波形，可以验证系统的有效性。电机换相逻辑信号仿真波形如图5所示。

图5 电机换相逻辑信号仿真波形

图5中，APWM1～APWM6为舵机1的PWM控制信号，T1PWM、DIR1、ENABLE1分别为舵机1的占空比、方向和使能信号，SA1、SB1、SC1为舵机1的三相霍尔位置信号。程序上采用“上斩下不斩”的控制方法［5］，即上桥臂输出的是斩波信号，下桥臂输出的是高低电平。当ENABLE1为低电平时，CPLD由各路信号进行逻辑运算，正常输出控制信号，当ENABLE1为高电平时，舵机1不使能，CPLD关闭PWM控制信号输出。

5实验结果

位置控制信号由导航计算机给定，位置信号由电位计回馈得知，速度信号由霍尔信号计算得出，母线电流由电流传感器ACS712回馈。电机在30%的占空比下运行时，DSP的CAP管脚捕获波形如图6所示。

图6 CAP管脚的捕获波形

图6中，上图是A相霍尔信号，下图是三相霍尔的异或信号。可以看出，在0～360°的电角度范围内，异或信号有6个上升沿或下降沿，使得电机的每相霍尔信号的上升或下降均能被DSP捕获。

电机在30%的占空比下运行时，一个桥臂的PWM波形如图7所示。

图7 30%占空比下，一个桥臂的PWM波形

图7中，PWM控制信号低电平有效，上桥臂为低电平时，下桥臂为高电平，关断对应的MOSFET开关管。

6结 语

本文设计了一种多舵机伺服控制器，基于单个DSP完成了四台舵机的伺服控制，系统充分利用了DSP强大的事件管理和浮点运算的能力以及CPLD高速的逻辑运算能力。实验结果验证了系统的正常工作。整个系统结构简单，集成度高，大大减小了系统控制器的体积，也大大提高了系统的可靠性。

［1］ 周小庆．高速无人机电动舵机控制器的设计与实现［D］．杭州:浙江大学，2010．

［2］ 李世民，王新平．电动舵机控制系统设计［J］．机械与电子，2011(11):60-63．

［3］ Zhang Da，Li Hui．A stochastic-based FPGA controller for an induction motor drive with integrated neural network algorithms［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(2):551-561．

［4］ 米月星，林辉，高翌阳．天线双轴稳定平台伺服控制器的设计和实现［J］．微特电机，2011，39(8):35-37．

［5］ 刘冠志．基于DSP和CPLD的全电刹车驱动器设计［D］．西安:西北工业大学，2010．

［6］ 于凯平，郭宏，吴海洋．采用DSP和FPGA多电机速度伺服驱动控制平台［J］．电机与控制学报，2011，15(9):39-43．