基于SOC的多轴稳定系统回路控制

张学梅，赵 友，闫光亚

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

基于SOC的多轴稳定系统回路控制

张学梅，赵 友，闫光亚

（北京航天控制仪器研究所，北京100039）

围绕基于多通道信号处理与控制SOC芯片实现惯性平台系统典型控制回路，进行了设计方法、流程及最终实现结果的阐述。首先，依据平台系统的要求制定系统工作流程；之后根据硬件资源进行各工作流程的分配和调整；再进行数据采集处理、算法实现、过程数据处理、PWM输出处理、其他输出量处理；最终通过功率级将电信号传输给平台上的执行元件，实现平台系统四条典型控制回路。此方法能够适应多种算法和系统需求，可实现自主化、小型化，且功耗小、可靠性高。

SOC；回路；控制

0 引言

本文通过理论分析、仿真及最终实现，介绍了一种基于多通道信号处理与控制SOC的惯性平台系统典型回路控制设计方法。

平台控制回路传统实现方式是通过多级运放实现控制算法的模拟电路，因其体积大、功耗大及适应性差，渐渐不能满足需求。为解决此问题，近年来出现了基于FPGA和DSP实现的数字电路，因基于FPGA实现平台的数字控制相对开发时间较长，且国产成熟FPGA芯片只有600万门，不满足使用要求，只能依赖进口芯片，无法国产化；而基于DSP的设计，因其资源有限，不易同时实现平台多条回路控制或较复杂算法，无法满足日益增长的使用需求。

多通道信号处理与控制SOC（简称SOC）是一款适用于多通道控制信号处理应用的高性能定点DSP处理器。它基于片上总线，共集成了8个高性能的自主指令集DSP处理器核。它们可以根据不同通道的处理特点分别加载不同的应用程序，在中心处理器核控制下协同处理同一任务。基于SOC进行平台控制回路设计，可有效克服模拟回路的弊端，并解决开发时间长、资源不足等问题。

1 总体设计

1.1 解决主要问题

本文主要解决：克服现有技术的不足，提供一种基于SOC的惯性平台系统典型回路控制设计方法。此方法基于可靠的硬件保证，能够适应多种算法和系统需求，可实现自主化、小型化，且功耗小、可靠性高。

1.2 技术方案

基于SOC的平台系统所有回路特别是稳定回路的控制技术，实现形式示意图如图1所示。

图1 实现形式示意图Fig.1 Diagram of implemention form

（1）主CPU通信方式

通过并行总线与主CPU通信，含各回路状态控制信号，以及石英表信息等。

（2）回路实现

在设计回路的实现方式时，考虑在采样频率可达到10～20倍激磁频率的情况下，将信号和激磁直接通过AD采样，在SOC内部实现信号解调的方法，2kHz的姿态角信号采集使用此方式实现；但平台稳定回路中陀螺激磁已达到8kHz，单路采样频率至少要达到80kHz，在需节省空间的前提下，只用一片AD实现多路信号采集，采样频率还要翻倍，不易实现。最终采用通过控制AD采样实现将解调后的陀螺输出信号（模拟量）转化为数字量，并进行滤波算法的处理；再经专用算法计算后，进行PWM输出转换。

其他回路实现方法基本类似，只是输入信号形式不同，姿态角和石英表信号从异步串行接口和并行总线接收。平台系统回路控制输入输出示意图如图2所示。

图2 平台系统回路控制输入输出示意图Fig.2 Diagram of control loops’for platform system I/O

2 根据硬件资源进行各工作流程的分配和调整

多通道信号处理与控制SOC主要由时钟产生单元（CGU）、复位产生单元（RGU）、自主指令集DSP处理器核、调试接口单元（DSU）、宿主处理器接口（PIU）、串行外设接口（SPI）、定时器（Timer）、异步串行通信接口（ARTU）、集中控制模块（Center）和总线控制器（AHB_Ctr）组成，其逻辑结构如图2所示。除了全局复位和时钟输入信号外，芯片对外接口由宿主处理器接口、调试接口、2个异步串行通信接口、8个SPI接口、定时器、扩展存储器接口和可测性设计接口等组成。控制与信息处理多核SOC芯片逻辑结构如图3所示。

图3 控制与信息处理多核SOC芯片逻辑结构Fig.3 Structure ofcontrol and information processing multicore SOC chip

2.1 通过并行总线与主CPU通信

对应1．2节的主CPU通信方式，通过宿主处理器接口，按其8位字节访问模式，即8位数据总线、4位地址总线和相关读写控制线，实现与主CPU通信的需求。

2.2 时钟

SOC上共有17个时钟域。将其中的SlowClk用于异步串行通信接口和DSU接口，使串行通信不受片上时钟工作频率的影响；7个协同处理器核在SubClk1～7与SubClkB1～7时钟域下工作，在使用过程中，为降低系统功耗，将暂时不使用的协同处理器核对应的工作时钟，通过设置片上时钟使能寄存器（ClkOffReg）暂时关闭；MainClk与MainClkB已被用作中心处理器核的工作时钟，片上其他电路（PIU、SPI、Timer等）则采用MainClk时钟域。

MainClk、SubClk1～7有内外两种模式，选用由外部管脚提供的系统时钟，从而保证系统工作同步。

2.3 DSP资源及回路实现

SOC中基于片上总线集成8个高性能的DSP处理器核，仅中心处理器（DSP处理器核0）可主动程序加载，用于实现处理程序的自加载，及其他7个从处理器的管理（DSP处理器核1～7）。

对应1．2节的回路实现，由主处理器实现数据处理，7个从处理器负责实现各回路算法，其中3条稳定回路及一条随动回路分别占用一个从处理器。

2.4 接口

通过SOC的8个SPI接口对Flash存储器、E2PROM存储器的控制与访问，实现程序加载以及对8bit～16bit AD或DA转换器的控制实现数据输入和带宽测试。

3 数据采集及处理

3.1 数据采集

在前文已提到，根据不同的回路有不同输入接口：通过2．4节中的方式SPI接口对外设AD芯片的控制，实现模拟量和数字量之间的转换或从总线接口、串口等直接接收数字量。直流信号采样频率设为1kHz～4kHz，2kHz交流正弦信号采样频率设为信号频率的16倍。

3.2 数据处理

解调后的陀螺输出信号为直流信号，通过AD中采到的数据进行临近8次的求和处理而降低数据采集误差；未经解调的姿态角输出信号（姿态角信号尚未实现串口传输）为2kHz的交流正弦信号，取临近16次采样的和作为数据输入，因采样周期与实际信号周期非整数倍，采到的数据有小幅波动，但不影响回路性能。

4 算法实现及输出

4.1 回路控制算法

按照SOC芯片可实现的通用算法实现模式，对回路的滤波和校正部分按式（1）进行转换：

其中，u_out为输出量，e_in为输入量，cof_n为系数，k-n为相对于当前时刻的前n时刻。

上述方法可实现大多数回路的使用要求，包括需要分段控制的回路。更改回路参数只需改写cof系数即可，该系数被直接存储于寄存器中，程序运行时，读取寄存器中的值。

4.2 PWM输出

PWM信号通过SOC的GPIO实现，经74ALVC164245隔离后驱动至SNJ5407J。首先，将算法的计算结果通过可配置为PWM或定时器的接口TINT2-TINT5（片内使用32位定时器实现）转换为脉宽调制信号，分辨率根据实际选为15位，通过SOC最大输出电流能达到25mA的PWM专用I/O口输出，再通过功率级给到平台上的执行机构，完成平台系统各控制回路的工作。

5 回路实现

目前，已实现了平台3个轴的稳定回路及随动回路控制。

5.1 台体轴稳定回路实现

根据回路特性进行台体轴稳定回路设计，其Simlink仿真模型如图4所示，系统开环Bode图如图5所示，系统闭环Bode图如图6所示，系统输出的阶跃响应图如图7所示。

图4 台体轴稳定回路Simlink仿真模型Fig.4 Simulation model of the platform axis stabilization loop“Simlink”

图5 台体轴稳定回路开环Bode图Fig.5 System open-loop characteristics

图6 台体轴稳定回路闭环Bode图Fig.6 System close-loop characteristics

图7 台体轴稳定回路阶跃响应图Fig.7 System output of step response

其校正部分传函为（采样频率4kHz）：

式（2）按式（1）转换为：

由图5～图7可得到回路参数为：带宽27．1Hz，相裕度38°，幅值裕度16．1dB，调节时间＜0．1s（取0．5%误差带），满足回路要求。从而证明，通过上述方法设计的平台台体轴稳定回路，可满足平台系统要求。

5.2 其他回路实现

为进一步证明上述方法的正确性，对平台内环轴稳定回路、平台外环轴稳定回路、平台随动回路进行设计，最终实现的回路参数如表1所示。

表1 回路参数Table 1 Loop parameters

表1数据进一步证明，通过上述方法设计的平台4条典型回路，可满足平台系统要求。该设计方法对于惯性平台系统中的其他典型回路——调平回路、锁定回路、陀螺加速度计伺服回路等也同样适用。

6 结论

本文提出了基于SOC芯片实现惯性平台系统典型回路控制方法，并进行了平台4条典型回路的具体实现。该方法满足多种算法和系统需求，可实现自主化、小型化，且功耗小、可靠性高。

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The General Control-loop Technology for Multi-axis Stabilization System Based on the SOC Chip

ZHANG Xue-mei，ZHAO You，YAN Guang-ya
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

In this paper，it realizes all of the control loops for platform system based on multi channels signal processing and control SOC chip．Firstly，the population system of platform system using control loops is added in the system for the new generation workflow．Secondly，hardware resources are allocated to the workflow．It designs data processing，algorithm，data process，PWM signal conversion．At last，electrical signals are transferred to control actuator by power amplifier．The method can adapt to various algorithms requirements of system，and it can realize autonomous，small size，low power consumption and high reliability．

SOC；loop；control

V242．4

A

1674-5558（2017）01-01290

10．3969/j．issn．1674-5558．2017．03．006

张学梅，女，硕士，高级工程师，研究方向为平台电气系统。

2016-07-04