全数字化飞行器舵机硬件控制系统设计＊

倪 原，牛佳惠，刘智平，刘应晟，秦东旭

（西安工业大学 电子信息与工程学院，西安 710021）

随着高速数字处理芯片的推广、先进导航系统的出现以及电动舵机技术的发展使飞行器控制系统性能得到很大提高，舵机面向全电化、数字化和智能化方向发展，先进的舵机控制方案也更易实现.早在2004年已有关于采用DSP芯片TMS320F240对电动舵机进行控制的研究［1-3］，虽然该芯片是作为电机控制的专用芯片而推出，但其处理能力相对较弱，只有20MIPS，因此只能实现对文中所研究的导弹舵机系统的常规控制，而无法使现代控制算法得到有效应用.高性能DSP芯片TMS320F2812的出现，使电动舵机的研究进入了一个新的领域.强大的性能和丰富的外设，不仅能处理复杂的控制算法，而且还简化了控制系统的开发过程和难度，使得研制的样机具有可靠性高、响应快等优点［4-6］.飞行器在高速飞行的过程中，舵机的转动和调整必须要求数据处理的快速性和精确性，因此在处理定点计算的同时还要做大量浮点运算，但这一点TMS320F2812却无法完成，它不具备浮点运算功能.近年，对电动舵机控制的研究开始采用TI公司最新推出的TMS320F28335芯片，它不仅继承了TMS320F2812的各种优点，还增加了浮点运算单元，为控制系统的设计提供了巨大的方便［7］.文献［8］中还提出了无刷直流电动舵机伺服系统的无位置传感器控制方案，为数字化电动舵机的发展提供又一重要途径.文献［9］则针对飞航导弹进行了舵机数字化伺服控制系统的设计与开发，设计的各模块电路对本文具有非常大的借鉴意义，但由于其选用的核心控制芯片性能和外设优势不明显，增加了开发难度，且许多智能控制算法都无法有效应用.文中以32位浮点高运算速率DSP（TMS320F28335）作为主控制器核心处理芯片，设计的一套全数字化飞行器舵机控制系统.在对无刷直流电机控制系统设计的基础上，对系统硬件总体结构进行模块化设计，包括姿态导航系统模块、DSP控制模块、数字伺服驱动器模块以及相配套的舵机执行机构、电源模块等.搭建系统硬件平台后，对各模块进行相关测试，并进行了系统总体调试和分析，同时对系统后期完善提供可行建议.

1 飞行器控制系统硬件结构设计

飞行器控制系统硬件部分是由导航系统、上位机、主控制器、舵面角度偏转传感器和舵机系统组成.飞行器控制系统的硬件结构组成如图1所示.电源模块由两个36V和一个12V的电池构成，36 V电源分别为四路舵机供电，12V电源则作为整个控制电路以及导航系统的供电电源.舵机系统作为本系统的执行机构，由4路稀土永磁无刷直流电机、4个谐波减速器和4个舵面偏转角度传感器组成，减速器安装在电机的转轴上，舵面偏转角度传感器安装在减速器输出轴上.

图1 控制系统的硬件结构图Fig.1 The structure of hardware control system

2 硬件设计

2.1 主控制器

舵机控制系统选取的DSP主控芯片是TI公司的TMS320F28335，它具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，符合飞行器在高速飞行过程中对运算以及处理速度的要求；片上集成256kB的闪存，方便自启动，无需外部扩展，从而大大减小了控制系统的尺寸；它还包括16通道的12位AD转换器，在实时参数采集与处理时可以更加精确快速的经过AD转换处理得到大量数据；并且内含丰富的中断源，能够及时处理各种突发事件，提高了系统的可靠性，同时也便于以后的升级.与此同时，根据实际设计我们需要四路脉冲信号作为舵机的控制信号，而此芯片还具有专门的ePWM（增强型脉冲宽度调制器）模块，包括18个PWM输出，因此完全可以满足设计要求.

2.2 导航系统

飞行过程中系统需要检测飞行器的飞行高度、飞行速度、三维角速率、三维角加速度以及实际姿态角等信息.文中的导航系统采用捷联式惯性导航系统，它能够完成采集飞行器飞行中的实时飞行高度、飞行速度等信息，同时能够实时解算飞行器的航向角、俯仰角、横滚角等实际姿态角信息，最终通过RS422接口以数字量的形式传输飞行器的航向和姿态角，以及三维角速率和三维角加速度等系统需要检测的信息.

2.3 串行通信接口设计

DSP控制器的数据接收与发送可以由串行通信接口（SCI）模块实现，SCI模块支持处理器和其他使用标准不归零格式（NRZ）的异步外围设备间的数字通信，可通过一个16位波特率控制寄存器的编程，配置不同的通信速率.TMS320F28335内部有SCIA、SCIB和SCIC三个功能完全相同的串行通信接口模块，它与导航系统通信使用SCIB，通信接口选用RS－422串行总线接口标准，导航仪通过SCIB以中断方式向DSP发送数据，且数据传送的波特率设置为115200bps，具体传输数据格式为：l位起始位、8位数据位、1位停止位，无奇偶校验；与上位机通信则使用SCIC，通信接口选用RS－232串行总线接口标准，传输数据格式和传送波特率设置与RS－422相同.

2.4 舵机控制系统设计

舵机控制系统包括DSP、稀土永磁无刷直流电机、谐波减速器、驱动电路和舵面偏转角度传感器，它作为本系统的执行机构，是制导飞行器整个系统中的重要组成部分.

本设计中，系统参数性能指标要求舵轴转速范围0～50r／min，最大输出转矩20N·m；舵面调整范围±10°，调整误差小于0.1°.

2.4.1 执行电机与减速器

选取了功率120W，输出转矩为0.5N·m的稀土永磁无刷直流电机，它是一种采用PWM方波控制的新型直流电动机，近年来应用广泛.稀土永磁无刷直流电机正常情况下工作时最大转速可达3000r／min，由于在工作时需要输出较大的力矩才能完成舵面的调整，因此选用减速比1∶40的谐波齿轮减速器作为该电机配套的减速器增大输出力矩.由于电机的输出转矩为0.5N·m，则减速器输出轴的输出转矩为20N·m.电机的最大转速可达3000r／min，减速器的减速比1∶40，要使电机减速后舵轴输出转速为50r／min，电机的实际输出转速为2000r／min.

2.4.2 伺服舵机驱动电路设计

电机驱动器用于执行DSP控制器的命令并快速将命令下达给执行机构，系统选用全数字化伺服驱动器，能够驱动电压50V功率200W以下的伺服电机，与本系统选取的稀土永磁无刷直流电机相匹配.驱动器的输入信号由DSP提供，包括电机位置和速度控制脉冲信号和方向信号，位置和速度脉冲信号由ePWM模块产生，其频率决定电机转速，50kHz脉冲对应3000r／min，因此电机实际输出转速为2000r／min时，需要输出最小周期30μs的脉冲.脉冲个数决定舵轴的转动角度，舵轴转动1°对应的脉冲个数约为111个.

四路方向信号则由DSP内部I／O口控制，如图2所示是其中一路舵机控制原理图.

图2 一路舵机控制原理图Fig.2 Control principle of an actuator

由于电机驱动器所需输入高电平为5V，而DSP输出脉冲信号电压为3.3V，因此加入了74LV245芯片来实现电平转换且增大驱动能力和输出电流.

从DSP到74LV245输出的信号都属于数字信号，如果直接将数字驱动信号与电机驱动器共地并作为电机驱动器的输入，电机驱动器将对主控制器工作产生干扰，并降低系统抗干扰能力和安全性.因此采用光耦隔离的方法将主控制器与电机驱动器隔离.

2.4.3 舵面位置检测

舵机控制时，通过软件设置让主控制器输出占空比为50%，最小周期为30μs的脉冲信号，用定时器中断使电机转动到指定位置，实现对舵面偏转角度的控制，以达到控制飞行器飞行姿态的目的.

系统选用抗震性强、反馈灵敏的精密导电塑料电位计作为舵面位置检测传感器，将线性电位计的转动孔与舵机减速器的输出轴连接，一旦舵面位置改变，线性电位计的电阻值随之线性改变，同时其端电压也随之线性改变，输出的电压信号通过DSP内部的A／D端采样得到.

由于系统性能指标要求舵机转轴的转动范围为±10°，而TMS320F28335的ADC电压范围为0～3V，因此必须对A／D转换的结果进行标度变换，否则DSP只能采集0～3范围内数字.0～3V电压对应的数字量为0～4095，输入模拟量转换成数字量的过程为：当输入模拟电压小于0V时，数字值＝0；当输入模拟电压在0～3V之间时，数字值 ＝（输入模拟电压－参考模拟电压）／3×4095，其中参考模拟电压为0；当输入模拟电压大于3V时，数字值＝4095.

2.5 系统电源电路设计

系统设计的电源模块有36V和12V两种电压.36V为舵机系统供电，12V为控制系统供电.TMS320F28335内核电压为1.9V，I／O引脚电压为3.3V，主控制器外围电路还需要5V的电源电压，因此需要电源管理芯片将12V电源电压转换为主控制器所需电压.如图3所示，在主控制器外围电压转换电路中，5V的供电电压由12V通过LM7805电源管理芯片转换得到，LM7805是三端正电源稳压电路，其输出电流可达到1A，满足主控制系统的需要.其中C8和C9是稳压集成电路所要求的，用于稳定LM7805内部放大器的工作状态，C9还起到改善电压调整过度响应的作用.

图3 主控制器外围电压转换电路Fig.3 The conversion circuit of peripheral voltage of main controller

如图4所示，在DSP引脚电压转换电路中，3.3V电压由5V通过AMS1117芯片转换得到，AMS1117是一个低漏失电压调整器，片内提供过载和过热保护.它具有可调节和固定两种版本，本设计选取输出固定版本，输出电压3.3V.输出连接一个10μF的钽电容能够确保AMS1117的稳定性.

图4 DSP引脚电压转换电路Fig.4 The conversion circuit of pin voltage of DSP

DSP内核电压转换电路中，1.9V电压由5V通过AMS1585芯片转换得到，如图5所示，AMS1585是一个高性能固定电压调节器，能够过短保护且热关闭，输出连接钽电容可保证电路的稳定性，也可给电路一部分频率补偿.

图5 DSP内核电压转换电路Fig.5 The conversion circuit of core voltage of DSP

3 实验测试及分析

3.1 转速测试

控制过程中通过数字PID控制提高了电机的响应速度，减小超调量，转速更稳定.如图6所示，稳定时的转速v0为2000r／min，达到稳定状态的时间t0小于0.1s，因此在实际设计的过程中可以快速调整舵机的转速.

在测试过程中，通过软件设置使主控制器产生周期为30μs的脉冲信号，用示波器检测峰－峰值达5.12V，周期30.04μs，满足设计要求.然后通过转速表检测电机的转速，经过多次试验最后测得电机转速的平均值为2000.6r／min，经减速器减速后舵轴转速范围0～50r／min，满足系统参数性能指标要求，使舵机在飞行器高速飞行的状态下依然能够快速调整舵面，同时还可以为舵轴提供足够的输出力矩，确保舵面在较高的空气阻力作用下能够准确的偏转到指定位置.

图6 电机启动过程中的速度特性曲线Fig.6 The speed characteristic curve of motor starting procedure

3.2 转动角度测试

舵轴转动1°对应的脉冲个数约为111个，一个脉冲信号周期为30μs，因此舵轴转动10°所需时间为33.3ms，将DSP的定时器设置为33.3ms.设置完成后启动电机，通过舵轴上为测试安装的刻度表查看舵轴转动的实际角度，经过多次测试，舵轴转动范围都能预期达到参数要求的±10°，并且调整误差小于0.1°.

3.3 功率测试

在电机轴上加20N·m的负载，使用电流表串接在电机驱动器电源回路上，测试得到电机驱动器的最大电流小于3A，满足负载输出力矩要求.

3.4 总体性能测试

系统上电后由上位机发送自检指令，对整个系统进行自检，自检结束后把自检结果反馈回上位机，待系统各项指标都正常后，再由上位机设定预定轨迹姿态信息，通过RS232传送至主控制器.在飞行过程中导航仪检测飞行器的实际姿态信息并通过RS422连续传送至主控制器，同时主控制器AD端对舵机转轴上角度传感器反馈的舵面实时位置信息连续采样.三组反馈回的数据通过主控制器相关控制算法处理后得到4路脉冲信号，输出到4路驱动器后控制4路舵面的偏转，从而达到对飞行器姿态的调整，经测试系统功能达到设计要求.

3.5 系统分析

飞行器舵机控制系统是高精度的位置随动系统，内部相互干扰主要是DSP控制器和电机驱动器，设计中采用光耦隔离的方式进行连接，但仍存在一些辐射干扰.因此，将DSP控制器放入金属屏蔽盒中屏蔽很好解决了外界电磁干扰问题.

系统采用单DSP处理器实现对四路舵机的控制，DSP既要完成大量的数据运算和复杂的算法处理，还要进行信号采集、控制信号输出等，无法有效的缩短控制周期.因此在后期的工作过程中，可以考虑采用双核DSP处理器实现对四路舵机的控制，一块主要用于完成浮点运算和算法处理，另一块主要用来完成控制信号输出，这样控制周期便得到大幅缩短.

4 结论

文中设计的是以TMS320F28335处理器为控制核心，使用SCI串口进行通信，采用独立增强型脉冲宽度调制器（ePWM）输出四路脉冲信号，运用12位AD采集舵面位置信号的控制系统，充分利用了芯片的外设功能，使系统具有更大的灵活性、更高的集成度以及更强的稳定性.

整个硬件设计的过程中实现了主控制器的小型化、集成化，并且注重系统的可靠性和抗干扰能力，满足了飞行器控制系统对硬件功能的要求.

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