基于1553B總線的航天大功率電動(dòng)舵機(jī)控制器設(shè)計(jì)

引言

目前，隨著導(dǎo)彈武器射程、速度、飛行高度和機(jī)動(dòng)性的不斷增加，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)正向著輸出力矩大、響應(yīng)速度快、功率大、體積小、集成度高、全數(shù)字化方向發(fā)展。無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，已經(jīng)在國防、航空航天等領(lǐng)域中得到了較好的應(yīng)用。

MIL-STD-1553B總線作為一種具有較高數(shù)據(jù)傳輸性能和管理效率、傳輸可靠的數(shù)據(jù)總線，已經(jīng)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備等復(fù)雜控制系統(tǒng)中。

本文以大功率無刷直流電動(dòng)舵機(jī)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套基于DSP+FPGA的數(shù)字化高精度、高可靠性的控制器，并且實(shí)現(xiàn)了1553BRT終端接入功能。

1 舵機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

舵機(jī)系統(tǒng)采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制策略，總體硬件設(shè)計(jì)如圖所示。具體工作過程如下：DSP通過1553B通訊模塊與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行可靠通信，通過轉(zhuǎn)子位置和舵面偏角檢測電路獲取轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速以及舵面實(shí)際偏角信號(hào)，結(jié)合自帶ADC模塊采樣得到相電流，通過三閉環(huán)控制算法處理，輸出調(diào)制PWM信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。利用FPGA的靈活可配置性設(shè)計(jì)硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)各主功能芯片的時(shí)序控制，包括1553B通訊模塊、轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速檢測電路和舵面偏角測量電路，大大減少了DSP軟件開銷，提高了CPU工作效率。

圖1舵機(jī)系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DSP主控單元

主控制器采用美國TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。該芯片采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)總線和程序總線分開，每秒可執(zhí)行1.5億次指令（150MIPS），具有單周期32X32位的乘與累加運(yùn)算（MAC）功能。針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用，片內(nèi)集成了兩個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器（EVA、EVB），16通道的高速ADC模塊。

邏輯控制單元

FPGA邏輯功能芯片選用Altera公司的CycloneII系列EP2C8T144C8。CycloneII是基于StratixII的90nm工藝推出的FPGA芯片，具有8256個(gè)邏輯單元(LE)，內(nèi)置36個(gè)M4KRAM塊，2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)以及18個(gè)乘法器模塊，提供給用戶85個(gè)可用的IO管腳接口。該芯片主要配合DSP使用，實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。

總線通訊模塊設(shè)計(jì)

選用DDC公司的BU-61580[5]作為1553B總線通信協(xié)議芯片。該芯片內(nèi)部集成有數(shù)字協(xié)議控制電路，雙路總線收發(fā)器等模塊，F(xiàn)PGA只需要操作協(xié)議芯片的17個(gè)常規(guī)寄存器和4KX16bit的RAM，全部通信過程協(xié)議芯片都能自動(dòng)完成。BU-61580與FPGA的電路連接如圖所示。利用74LVC4245芯片進(jìn)行邏輯電平匹配，TRANSPARENT/BUFFERED拉低將BU-61580設(shè)置為16位緩沖工作模式，F(xiàn)PGA直接使用芯片內(nèi)部4KX16bit共享RAM。

圖2BU-61580與FPGA的電路連接圖

功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

功能驅(qū)動(dòng)模塊采用Fuji公司的7MBP75RJ120，該IPM模塊能耐受高達(dá)1200V電壓，75A電流，內(nèi)部設(shè)有電源欠壓、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)功能。具體電路連接如圖所示。DSP輸出六路PWM信號(hào)經(jīng)過高速高共模比的光耦芯片HCPL-4504驅(qū)動(dòng)IPM內(nèi)部的IGBT，進(jìn)而控制無刷電機(jī)的三相電壓U、V、W。故障信號(hào)通過光耦芯片TLP521-1傳遞給DSP中斷口，電源供電采用4個(gè)獨(dú)立的WRB0515直流電源模塊。