雙余度舵機控制系統設計
劉冠志，林輝，李穎（西北工業大學自動化學院，西安710072）
摘要：為提高舵機系統可靠性，減小系統體積和重量，本文介紹了基于DSP和CPLD的雙余度舵機控制系統。該系統選用雙余度稀土永磁無刷直流電動機作為舵機本體，對硬件結構進行雙余度設計，采用分段PID控制方法，充分考慮雙余度電流均衡和系統故障處理，完成了對雙余度舵機轉動的精確控制，實現了舵面精確偏轉。實驗結果表明該系統響應速度快、跟蹤效果好。
關鍵詞：雙余度舵機；DSP；CPLD；分段PID
中圖分類號：TP275；TM36+l 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848( 2010) 01-0050-04
0引 言
目前，飛機正朝著多電甚至全電的方向發展。舵機系統是飛機姿態控制的核心執行機構，為順應飛機發展的趨勢并快速、精確地完成指定飛行任務，舵機系統也正漸漸由液壓、氣壓傳動向電傳動發展。飛機運行伴隨著高風險，舵機系統的任何一次故障，都有可能產生毀滅性的后果，因而，提高舵機系統的可靠性勢在必行。
提高舵機系統可靠性的傳統方法是采用冗余技術實現系統備份，然而這種方法會增加系統的體積和重量，與全電飛機的初衷相悖。這種情況下，雙余度電機的使用既可以實現冗余，提高系統可靠性，又可以節省系統的體積和重量，找到了平衡點[1]。
本文選用雙余度稀土永磁無刷直流電動機作為舵機本體，基于DSP( TMS320F2812)和CPLD( EPM7032AE)構建控制平臺，完成了雙余度舵機
控制系統設計，實現了舵機精確偏轉。
1 系統硬件結構與工作原理
如圖1所示，本系統從結構上真正實現了雙余度的設訃思想，它具有兩套驅動設備，兩個DSP控制器，并且兩個DSP相互通訊互為備份，舵機為具有兩套定子繞組和兩個轉子位置傳感器的雙余度稀土永磁無刷直流電動機。
1.1 DSP系統實現的功能
TMS320F2812運算速度快且內置多種功能模塊和接口，如模／數轉換單元、事件管理器、時鐘單元、多通道緩沖串行口、串行外圍接口、串行
雙余度舵機控制系統設計劉冠志，等通信接口、增強型區域網絡控制器和通用輸入／輸
出多路復用器等，使得它既具有數字信號處理的目B力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能[2]。
作為系統核心控制單元．TMS320 F2812最主要的功能是接收控制指令采集電機反饋信號和數障信號，實現設定的控制功能，最終輸出用CPLD邏輯運算的PWM信號和其他功能控制信號。
TMS320F2812具有強大的通信功能，指令接收可以采用AD采樣接收或者CAP捕獲頻率接收，也可以通過串口通信或CAN通信。對于舵面偏轉角度的指令，本系統采用CAP捕獲頻率實現指令接收，可以有效排除外界干擾，具體方法是捕獲相鄰的兩個信號上升沿，通過內部的計數器計數，對應于軟件設定的比例關系即可得到偏轉角度指令。
1.2信號調理電路和隔離電路
TMS320F2812能夠接受的電壓范圍是0V-3V，因而，各種反饋信號需要經過調理電路放
大、濾波最終被其采集。
放大電路和濾波電路可根據所選放大芯片設計，本系統所選放大芯片為INA194和OPA2277。
系統的控制對象是需28 V電壓驅動的雙余度無刷直流電動機，而DSP與CPLD輸出的PWM是數字信號，為減步信號干擾，本系統應用ADUM1401的磁耦隔離技術實現信號隔離，在性能、功耗、體積等各個方面都有光電隔離無法比擬的優勢。ADUM1401數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對電機轉子位置信號、DSP輸出PWM信號、過流保護信號和正反轉信號進行邏輯綜合，輸出12路pWM信號作用于驅動電路，進而實現雙余度電機的基本轉動、余度控制及過流保護控制。
雙余度稀土永磁無刷直流電動機具有兩套定子繞組和兩套轉子位置傳感器，因而，它的控制邏輯區別于普通三相無刷直流電動機，需要12路PWM信號控制六相定子繞組的導通順序，其中一套繞組在通電時間上****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 |
