某飛行器舵機控制系統(tǒng)硬件設計

摘要：研究一種基于TMS320F28335 DSP(Digital Signal Processor)的全數(shù)字飛行器控制系統(tǒng)的硬件設計，分析了其結構組成：主控制器電路、舵面位置檢測電路和通訊等硬件電路設計。經過多次試驗調試，所設計的硬件系統(tǒng)可以滿足飛行器性能要求。
關鍵詞：飛行器；TMS320F28335；控制系統(tǒng)；硬件電路

隨著科學技術的發(fā)展進步，對飛行器飛行控制系統(tǒng)要求的不斷提高，使得用傳統(tǒng)的設計模擬飛行控制器設計方法無法滿足要求。高速處理芯片的推出使研究導彈飛行器等非線性控制系統(tǒng)設計具有現(xiàn)實和長遠意義?；诖朔N原因，為提高飛行控制器的可靠性和控制精度，本文采用TI公司的32位浮點DSP(TMS320F28335)為控制器核心，完成數(shù)字信號處理和導航解算，以及串口通信，數(shù)據采集和人機交換等任務。

1 控制系統(tǒng)原理
舵機控制系統(tǒng)是按照選定的導引規(guī)律不斷調整與修正飛行器的飛行軌跡，導引和控制飛行器飛向目標的硬件和軟件集合。它的功能包括設定目標和飛行器的飛行參數(shù)，按照選定的導引規(guī)律形成飛行器飛行控制指令，經綜合、校正后輸出控制指令調整舵機推力方向或舵面偏轉角，改變飛行器的飛行狀態(tài)和飛行路線，使飛行器按允許誤差命中目標。飛行器如果偏離控制系統(tǒng)預先設定的狀態(tài)(飛行姿態(tài)發(fā)生變化)，通過傳感器可探測到偏離的方向和大小，控制器按照相應的控制算法處理偏差后，輸出一定的控制信號操縱相應的舵機，控制對應舵面進行偏轉，使飛行器姿態(tài)角逐漸達到設定狀態(tài)。從而達到改變飛行器的飛行狀態(tài)和飛行路線，使飛行器按規(guī)定的誤差擊中目標。當飛行器姿態(tài)角到達預先設定狀態(tài)，則舵面回歸初始位置，飛行器此時按設定姿態(tài)正常飛行。飛行器控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 舵機控制系統(tǒng)硬件結構
飛行器舵機控制系統(tǒng)主要有捷聯(lián)慣導系統(tǒng)、主控制器及舵機部分構成。飛行器的實時飛行姿態(tài)信息有捷聯(lián)慣導系統(tǒng)給定，DSP通過與預定姿態(tài)信息求偏差后得到4路舵機舵面的預定參考位置。舵面的實時位置信號是由舵機輸出軸上的角度傳感器提供，該位置信號經過調理電路處理之后輸入到DSP的AD采樣端。主控制器以DSP為核心經過內部控制算法處理后輸出各種控制信號，輸出的控制信號經過專用4路舵機驅動板卡，驅動4路舵機按要求轉動。舵機系統(tǒng)作為飛行控制的執(zhí)行機構，由4套無刷直流電機、諧波減速器、位置傳感器組成。分別安裝在飛行器尾部相互垂直的兩個軸平面上，其安裝位置順時針排序為1#、2#、3#、4#舵機，在具體使用過程中，1#舵機和3#舵機可配合同步使用，2#舵機和4#舵機可配合同步使用。整個系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。

本系統(tǒng)由上位機向飛行控制器發(fā)送飛行器預先設定的控制指令，通過UART總線傳輸?shù)街骺刂破?。捷?lián)慣導系統(tǒng)中飛行器實時姿態(tài)數(shù)據、線性電位器上舵面實時位置信號以及上位機上預設的控制指令數(shù)據，共同組合后代入到的飛行控制算法中。通過主控制器處理后得到的PWM波形，輸出到舵機驅動板卡實現(xiàn)對舵機舵面調整，進而實現(xiàn)對飛行器的控制。此外，主控制器還將系統(tǒng)運行狀態(tài)傳送至上位機，通過PC機上的測控應用程序實現(xiàn)對控制系統(tǒng)監(jiān)測和后期數(shù)據處理。

3 系統(tǒng)硬件設計
3．1 主控芯片的選擇
德州儀器(TI)公司DSP產品中TMS320F28X系列數(shù)字信號處理器內嵌32位DSP核，運算速度可達150MIPS，還具有豐富的外設，以及較強的運算、控制和通信能力，其在電力、汽車、航天、通訊、工業(yè)、醫(yī)療等方面得到廣泛應用。本系統(tǒng)采用的是TI公司推出的新型浮點型數(shù)字信號控制器(TMS320F28335)，具有32位單精度浮點運算單元(FPU)，每秒可做300兆次浮點運算，可實現(xiàn)許多復雜的控制算法。與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數(shù)據以及程序存儲量大，A／D轉換更精確快速，性能提高50％，快速傅立葉轉化(FFT)等復雜計算算法性能提升了一倍之多。擁有足夠的程序和數(shù)據空間，并且外設有豐富的接口，一個I2C總線，一個SPI口，16路12位A／D，3個SCI口等，使得系統(tǒng)外圍電路的設計簡化了，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，同時有效地提高了整個系統(tǒng)的集成度。
3．2 舵面位置檢測電路
系統(tǒng)控制精度是整個系統(tǒng)最重要的技術指標之一，系統(tǒng)的檢測裝置和輸出控制元件一般決定了系統(tǒng)的控制精度。本系統(tǒng)的舵面位置檢測器件選擇精密導電電位計。舵面位置檢測傳感器其檢測的原理示意圖如圖3所示。線性電位器的滑動端與減速器同軸相連，一旦舵面位置發(fā)生改變，線性電位器阻值產生線性變化，其電壓發(fā)生相應線性變化。

TMS320F28335具有16路ADC轉換通道，采樣精度為12位。但ADC輸入通道的電壓范圍為0～3 V，因此需將舵面位置偏轉信號的范圍調節(jié)至0～3 V的范圍內。本系統(tǒng)設計恒流源電路、二階低通濾波電路、差分電路、同向放大電路實現(xiàn)電壓范圍的調整。恒流源的設計保證了傳感器獲得的電流恒定，防止了因傳感器電流不穩(wěn)定而導致采集舵面位置數(shù)據的不準確。將采集的數(shù)據通過二階低通濾波電路，濾除外界干擾，增加系統(tǒng)的抗干擾能力；差分電路作用是減去恒流源對傳感器拉升的電壓。
3．3 串行通信接口(SCI)設計
為了保證對導航儀數(shù)據采集的準確性和實時性，所以使用RS422通信協(xié)議采集導航儀數(shù)據。RS422的數(shù)據傳輸采用差分平衡傳輸方式，抗噪聲能力前，傳輸距離遠，傳輸速度快和精度高等優(yōu)點。采用SP3491芯片作為RS422的的全雙工收發(fā)器，滿足RS422串行協(xié)議的要求，數(shù)據傳輸速率可達10 Mbps(帶負載)。F28335具有16位FIFO和波特率自檢測功能。選用16為FIFO接收數(shù)據，每次可接收16位導航儀數(shù)據，提高接收速度和準確率。
人機通信使用RS232通信協(xié)議，RS232是目前PC機和通信工業(yè)應用最廣泛的傳信通信接口，采取不平衡傳輸方式，是為點對點通信設計的，驅動負載為3～7千歐姆，適合本地設備之間通信。RS232串口芯片選用MAX232串口驅動芯片，是美信(MAXIM)公司為RS232通信串口設計的電平轉換芯片，使用+5 V單電源供電。
選擇接收中斷收發(fā)模式進行通信，DSP在中端點掃描串口中斷標志位，一旦發(fā)現(xiàn)接收標志位置位就取緩存數(shù)據，否則跳過執(zhí)行其他命令，不需占用大量CPU時間，以及接收數(shù)據的完整，不丟幀。當有數(shù)據要發(fā)送給上位機時，將數(shù)據寫入發(fā)送緩存，發(fā)送標志位置位DSP進入中斷，數(shù)據發(fā)送。
3．4 舵機控制電路設計
TMS320F28335的EPWM模塊產生4路PWM信號，4路方向信號。DSP輸出的是3．3 V邏輯TTL電平，因此在電路中加入74LV245芯片，一方面可防止電機驅動板對DSP芯片的反向電流，起保護主控制器的作用；另一方面此芯片還可以起到增大驅動能力的作用，使輸出信號具有更大電流。從DSP輸出到74LV245的信號都屬于數(shù)字信號，與電機驅動板電氣沒有直接聯(lián)系。如果直接將數(shù)字驅動信號與電機驅動板共地并作為電機驅動板的輸入，則電機驅動板對主控制器工作產生干擾，并降低系統(tǒng)抗干擾能力。因此采用光耦隔離的方法將主控制器與電機驅動板隔離。
3．5 系統(tǒng)電源設計
飛行器所帶DC—DC電源模塊供電電壓為36 V和12 V。其中36 V為舵機系統(tǒng)供電：12 V是為主控制系統(tǒng)供電。而在主控制系統(tǒng)中還需要5 V、3．3 V、1．9 V電壓，其中5 V為系統(tǒng)內部分模擬器件電源供電，3．3 V為本控制系統(tǒng)大部分數(shù)字芯片供電以及作為DSP外設工作電源，1．9 V為DSP內核供電。其中5 V是由12 V通過LM7805電源管理芯片轉換得到的，其輸出電流可達到1 A，可滿足主控制系統(tǒng)的需要。TMS320F2 8335(DSP)對內部模塊的上電順序也有要求，首先必須對外設模塊上電，等電壓穩(wěn)定之后，才能對TMS320F28335的內核進行上電，否則系統(tǒng)將無法正常工作。選用TI公司的TPS73HD301非線性電源芯片，其優(yōu)點就是5 V電壓輸入，3．3 V產生200 ms延時后1．9 V產生．為TMS320F28335的上電順序提供了保障，輸出電流可達1A，輸出功率大，驅動負載能力強，而具有短路保護及熱保護等功能。

4 結束語
系統(tǒng)設計實現(xiàn)了以TMS320F28335處理器為控制核心，使用SCI串口為通訊方式，采用獨立的四路EPWM輸出方法，運用12位AD采集舵面位置信號的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了TMS320F28335高速運算處理能力以及其豐富的外部接口特點，簡化了電路設計的難度，提高了可靠性。在硬件設計的整個過程中，系統(tǒng)控制器集成化，小型化，并且注重可靠性和抗干擾能力，實現(xiàn)了飛行器控制系統(tǒng)對硬件功能要求。