基于1553B总线的航天大功率电动舵机控制器设计.docx

基于1553B总线的航天大功率电动舵机控制器设计基于1553B总线的航天大功率电动舵机控制器设计董海迪何华锋导语：设计了一套基于DSP+FPGA的电动舵机控制器。主要完成了1553BRT终端控制器、IPM功率驱动、转子位置及转速检测、相电流测量、舵面偏角测量和限位保护。通过DSP编程实现控制主程序和三闭环控制算法，FPGA实现时序控制逻辑。实际应用说明，该控制器具有精度高、响应速度快、可靠性高的优点。引言目前，随着导弹武器射程、速度、飞行高度和机动性的不断增加，电动舵机系统正向着输出力矩大、响应速度快、功率大、体积小、集成度高、全数字化方向开展。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且构造简单、运行可靠，已经在国防、航空航天等领域中得到了较好的应用。MIL-STD-1553B总线作为一种具有较高数据传输性能和管理效率、传输可靠的数据总线，已经开展成熟并被广泛应用于航空航天、武器装备等复杂控制系统中。本文以大功率无刷直流电动舵机3为对象，设计了一套基于DSP+FPGA的数字化高精度、高可靠性的控制器，并且实现了1553BRT终端接入功能。1舵机系统总体设计方案舵机系统采用位置、速度、电流三闭环控制策略，总体硬件设计如下图。详细工作经过如下：DSP通过1553B通讯模块与主控计算机之间进展可靠通信，通过转子位置和舵面偏角检测电路获取转子位置、转速和舵面实际偏角信号，结合自带ADC模块采样得到相电流，通过三闭环控制算法处理，输出调制PWM信号作用于功率驱动电路，驱动无刷直流电机转动。利用FPGA的灵敏可配置性设计硬件逻辑电路实现对各主功能芯片的时序控制，包括1553B通讯模块、转子位置及转速检测电路和舵面偏角测量电路，大大减少了DSP软件开销，进步了CPU工作效率。图1舵机系统总体硬件构造图2硬件电路设计2.1DSP主控单元主控制器采用美国TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F28124。该芯片采用哈佛总线构造，将数据总线和程序总线分开，每秒可执行1.5亿次指令150MIPS，具有单周期32X32位的乘与累加运算MAC功能。针对电机控制应用，片内集成了两个功能强大的事件管理器EVA、EVB，16通道的高速ADC模块。逻辑控制单元FPGA逻辑功能芯片选用Altera公司的CycloneII系列EP2C8T144C8。CycloneII是基于StratixII的90nm工艺推出的FPGA芯片，具有8256个逻辑单元(LE)，内置36个M4KRAM块，2个锁相环(PLL)和18个乘法器模块，提供应用户85个可用的IO管脚接口。该芯片主要配合DSP使用，实现逻辑控制功能。总线通讯模块设计选用DDC公司的BU-615805作为1553B总线通信协议芯片。该芯片内部集成有数字协议控制电路，双路总线收发器等模块，FPGA只需要操作协议芯片的17个常规存放器和4KX16bit的RAM，全部通信经过协议芯片都能自动完成。BU-61580与FPGA的电路连接如下图。利用74LVC4245芯片进展逻辑电平匹配，TRANSPARENT/BUFFERED拉低将BU-61580设置为16位缓冲工作形式，FPGA直接使用芯片内部4KX16bit分享RAM。图2BU-61580与FPGA的电路连接图功率驱动模块设计功能驱动模块采用Fuji公司的7MBP75RJ120，该IPM模块能耐受高达1200V电压，75A电流，内部设有电源欠压、过热保护、过流保护和短路保护功能。详细电路连接如下图。DSP输出六路PWM信号经过高速高共模比的光耦芯片HCPL-4504驱动IPM内部的IGBT，进而控制无刷电机的三相电压U、V、W。故障信号通过光耦芯片TLP521-1传递给DSP中断口，电源供电采用4个独立的WRB0515直流电源模块。图3IPM功率驱动模块电路连接图转子位置检测电路转子位置及转速检测采用旋转变压器与解码芯片组合方案。采用多摩川TS2620N21E11旋转变压器6，入力电压AC7Vrms10KHz，变压比0.55%，误差精度最大10。解码芯片选用飞博尔的12位分辨率旋转变压器角位速度数字转换器FB9412PB，该转换器具有10kHz鼓励电源输出，直接将旋转变压器输出的正余弦模拟信号转换为角度和速度数字信号，并以并行口方式输出，数据分辨率为5.3，精度到达7.8，最大跟踪速度1000rps。FB9412PB与旋转变压器的端子连接如表1所示。表1FB9412PB与旋转变压器的端子连接关系表