雙余度舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
劉冠志，林輝，李穎（西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710072）
摘要：為提高舵機(jī)系統(tǒng)可靠性，減小系統(tǒng)體積和重量，本文介紹了基于DSP和CPLD的雙余度舵機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用雙余度稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為舵機(jī)本體，對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙余度設(shè)計(jì)，采用分段PID控制方法，充分考慮雙余度電流均衡和系統(tǒng)故障處理，完成了對(duì)雙余度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精確控制，實(shí)現(xiàn)了舵面精確偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、跟蹤效果好。
關(guān)鍵詞：雙余度舵機(jī)；DSP；CPLD；分段PID
中圖分類號(hào)：TP275；TM36+l 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 01-0050-04
0引 言
目前，飛機(jī)正朝著多電甚至全電的方向發(fā)展。舵機(jī)系統(tǒng)是飛機(jī)姿態(tài)控制的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為順應(yīng)飛機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)并快速、精確地完成指定飛行任務(wù)，舵機(jī)系統(tǒng)也正漸漸由液壓、氣壓傳動(dòng)向電傳動(dòng)發(fā)展。飛機(jī)運(yùn)行伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)，舵機(jī)系統(tǒng)的任何一次故障，都有可能產(chǎn)生毀滅性的后果，因而，提高舵機(jī)系統(tǒng)的可靠性勢(shì)在必行。
提高舵機(jī)系統(tǒng)可靠性的傳統(tǒng)方法是采用冗余技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)備份，然而這種方法會(huì)增加系統(tǒng)的體積和重量，與全電飛機(jī)的初衷相悖。這種情況下，雙余度電機(jī)的使用既可以實(shí)現(xiàn)冗余，提高系統(tǒng)可靠性，又可以節(jié)省系統(tǒng)的體積和重量，找到了平衡點(diǎn)[1]。
本文選用雙余度稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為舵機(jī)本體，基于DSP( TMS320F2812)和CPLD( EPM7032AE)構(gòu)建控制平臺(tái)，完成了雙余度舵機(jī)
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)精確偏轉(zhuǎn)。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理
如圖1所示，本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上真正實(shí)現(xiàn)了雙余度的設(shè)訃思想，它具有兩套驅(qū)動(dòng)設(shè)備，兩個(gè)DSP控制器，并且兩個(gè)DSP相互通訊互為備份，舵機(jī)為具有兩套定子繞組和兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器的雙余度稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
1.1 DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
TMS320F2812運(yùn)算速度快且內(nèi)置多種功能模塊和接口，如模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元、事件管理器、時(shí)鐘單元、多通道緩沖串行口、串行外圍接口、串行
雙余度舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉冠志，等通信接口、增強(qiáng)型區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制器和通用輸入／輸
出多路復(fù)用器等，使得它既具有數(shù)字信號(hào)處理的目B力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能[2]。
作為系統(tǒng)核心控制單元．TMS320 F2812最主要的功能是接收控制指令采集電機(jī)反饋信號(hào)和數(shù)障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的控制功能，最終輸出用CPLD邏輯運(yùn)算的PWM信號(hào)和其他功能控制信號(hào)。
TMS320F2812具有強(qiáng)大的通信功能，指令接收可以采用AD采樣接收或者CAP捕獲頻率接收，也可以通過(guò)串口通信或CAN通信。對(duì)于舵面偏轉(zhuǎn)角度的指令，本系統(tǒng)采用CAP捕獲頻率實(shí)現(xiàn)指令接收，可以有效排除外界干擾，具體方法是捕獲相鄰的兩個(gè)信號(hào)上升沿，通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，對(duì)應(yīng)于軟件設(shè)定的比例關(guān)系即可得到偏轉(zhuǎn)角度指令。
1.2信號(hào)調(diào)理電路和隔離電路
TMS320F2812能夠接受的電壓范圍是0V-3V，因而，各種反饋信號(hào)需要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路放
大、濾波最終被其采集。
放大電路和濾波電路可根據(jù)所選放大芯片設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)所選放大芯片為INA194和OPA2277。
系統(tǒng)的控制對(duì)象是需28 V電壓驅(qū)動(dòng)的雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，而DSP與CPLD輸出的PWM是數(shù)字信號(hào)，為減步信號(hào)干擾，本系統(tǒng)應(yīng)用ADUM1401的磁耦隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，在性能、功耗、體積等各個(gè)方面都有光電隔離無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。ADUM1401數(shù)字隔離器邏輯接口不需要任何外部接口電路，使用方便。
1.3 CPLD控制邏輯
控制邏輯電路選用Altera公司的CPLD芯片-EPM7032AE對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、DSP輸出PWM信號(hào)、過(guò)流保護(hù)信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，輸出12路pWM信號(hào)作用于驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙余度電機(jī)的基本轉(zhuǎn)動(dòng)、余度控制及過(guò)流保護(hù)控制。
雙余度稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有兩套定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而，它的控制邏輯區(qū)別于普通三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，需要12路PWM信號(hào)控制六相定子繞組的導(dǎo)通順序，其中一套繞組在通電時(shí)間上****另一套繞組30度電角度。
EPM7032AE能夠快速地完成這些邏輯綜合，保障系 |
