二位置尋北儀轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
趙功偉，董全林，任磊
(北京航空航天大學(xué)，北京100083)
摘要：介紹了一種基于DsP與FPGA的永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)，其包括位置檢測(cè)回路，驅(qū)動(dòng)控制回路和鎖定回路。該系統(tǒng)具有一定的快速性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便．已成功應(yīng)用于二位置尋北儀系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：DsP；FPGA；尋北儀；永磁直流力矩電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)位控制
中圖分類號(hào)：TM359．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0037—03
O前言
二位置陀螺尋北儀是一種基于捷聯(lián)式慣性工作原理的快速、高精度、自主式定向儀表，它作為精確方位信息快速獲取的一種技術(shù)手段，在炮兵陣地測(cè)量、為火炮提供北向基準(zhǔn)、為戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)發(fā)射初始定向等方面起著重要的作用。本文所提到的轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)就是基于二位置陀螺尋北儀所設(shè)計(jì)的。由于尋北儀采用兩位置測(cè)量的技術(shù)方案，要求電機(jī)在O～180。的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)在轉(zhuǎn)位動(dòng)作過程中要求電機(jī)能夠快速轉(zhuǎn)位和慢速接近轉(zhuǎn)位目標(biāo)點(diǎn)，到達(dá)預(yù)定位置后，開始采集數(shù)據(jù)，在采集過程中不能有任何搖擺和抖動(dòng)，因此轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)還應(yīng)該具有鎖定功能。
由于對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)位控制系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性要求很高，因此選用基于FPGA設(shè)計(jì)的接口電路和DSP作為中心處理器。尋北儀在0～180。兩個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且電機(jī)經(jīng)常處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此選用永磁式直流力矩電機(jī)作為轉(zhuǎn)位系統(tǒng)的執(zhí)行元件。
1系統(tǒng)控制方案及構(gòu)成
實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的一般方法是采用PwM波，通過旋轉(zhuǎn)變壓器等測(cè)速裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并反饋到控制回路中，根據(jù)反饋量利用PID等控制算法產(chǎn)生占空比可調(diào)的PwM波控制開關(guān)電路，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大以后進(jìn)行電機(jī)調(diào)速控制，由此實(shí)現(xiàn)速度和位囂控制。由于尋北儀轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)不需要進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)速控制，只要求最終的位置精度，并且采用PwM波控制方案，其硬件和軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)都比較復(fù)雜，因此，針對(duì)轉(zhuǎn)位控制目標(biāo)和尋北儀工作特點(diǎn)采用另一種更簡(jiǎn)單有效的控制方案，主要包括三個(gè)回路：位置檢測(cè)回路，轉(zhuǎn)速控制回路和鎖定回路。其中，位置檢測(cè)回路完成到位信息檢測(cè)，DsP根據(jù)讀到的到位信息和當(dāng)前作狀態(tài)產(chǎn)生控制命令并發(fā)送給FPGA，由FPcA產(chǎn)生控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)板動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及鎖定回路驅(qū)動(dòng)控制。
系統(tǒng)包括尋北計(jì)算機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、位置檢測(cè)電路及轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)等部分。電機(jī)控制系統(tǒng)如圖l所示。
在DSP芯片選型時(shí)首先考慮要滿足尋北系統(tǒng)對(duì)速度、精度、動(dòng)態(tài)范圍、實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)應(yīng)盡可能減小系統(tǒng)體積、降低功耗和成本，綜合考慮以上因素，本文選用TI公司c3000系列中高性價(jià)比32位浮點(diǎn)處理器TMs320 v c33作為本系統(tǒng)的核心處理器。FPGA選取Altera公司的低成本、低功耗、高容量的AcExlK系列的EPlKt00Q1208—2。作為控制信號(hào)的執(zhí)行元件，選型時(shí)主要考慮三個(gè)因素：開關(guān)速度、功率和噪聲容限。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)由FPGA產(chǎn)生，由于數(shù)字電路信號(hào)屬于電壓信號(hào)而非電流信號(hào)，因此需要電壓型控制器件作為控制信號(hào)的執(zhí)行元件，本文選用帶磁屏蔽和續(xù)流二極管的繼電器動(dòng)作，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制。磁屏蔽可以減小繼電器內(nèi)部線圈對(duì)慣性器件的磁場(chǎng)干擾。另外，由于這款芯片內(nèi)集成了一個(gè)二極管，可以起到防止在繼電器動(dòng)作瞬間產(chǎn)生過沖電壓的作用，在減小電路復(fù)雜度的同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的可靠性：
2硬件電路設(shè)計(jì)
2.l FPcA與DsP接口設(shè)計(jì)
DsP與FPGA之間快速、可靠的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。和一般的微處理器不同，DsP采用哈佛結(jié)構(gòu)，地址線和數(shù)據(jù)線分離，TMS320Vc33提供32位數(shù)據(jù)總線和24位外部地址總線，可尋址的存儲(chǔ)空間為16 MB，由頁(yè)選通信號(hào)PAGEO—PAGE3分為4頁(yè)，每頁(yè)4 MB。本文中，F(xiàn)P—GA作為DSP的協(xié)處理器，映射在DsP的外部存儲(chǔ)單元0xB00000h～0xBFFFFFh，可以看作DsP外圍存儲(chǔ)器映射的I／0器件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、通訊、系統(tǒng)控制和其它接口電路設(shè)計(jì)。DsP作為主控制器通過控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線訪問FPGA取得方位角解算需要的傳感器信息，接口邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示：
控制總線包括外部存取選通信號(hào)sTRB，讀寫信號(hào)R／w，頁(yè)選通信號(hào)PAGE2，外部中斷INT)、INT2、INT3。由于DSP的數(shù)據(jù)線是分時(shí)復(fù)用的，因此 |
