基于FPGA的数字舵控系统设计与实现

孙章军，曹扬，郭光辉，金震，王彦利，田秀

（北京航天控制仪器研究所，北京，100039）

基于FPGA的数字舵控系统设计与实现

孙章军，曹扬，郭光辉，金震，王彦利，田秀

（北京航天控制仪器研究所，北京，100039）

为满足飞行器对舵机系统的数字化、高精度、实时性、控制效率的要求，电动舵机采用三相无刷直流电机+谐波减速器的结构形式，控制系统采用一个控制器控制四路舵机。介绍了一种数字化舵机控制系统的硬件组成和控制策略，以FPGA为控制核心，包括中央处理电路，驱动电路，反馈电路等，采用位置环、速度环和电流环三环控制策略，实现一个控制器对四路舵机的独立控制。试验表明，该舵机控制系统易于实现，控制精度高且控制效率高。

FPGA；数字舵控系统；设计；实现

0 引言

舵机系统是典型的位置伺服控制系统，舵机系统作为飞行器飞行控制系统的执行机构，其性能的好坏直接影响飞行器的飞行动态性能。随着对飞行器性能要求的不断提升，对于舵机系统的要求向着体积更小、承载能力更大、控制性能更好的方向发展[1-2]。传统的舵机系统主要采用模拟控制系统或者采用以单片机、DSP等微处理器构成的数字控制系统[3]。模拟控制系统容易受到干扰，参数调试不方便，而采用单片机、DSP等微处理器的控制系统在对多路舵机进行控制时，存在控制通道有限、实时性较差。

针对目前采用一个控制器控制四路舵机的需求，对该种舵机控制系统的设计与实现进行研究，采用FPGA作为主控芯片，研制一种数字化、小体积、实时性好的数字化舵控系统。

1 舵控系统硬件设计

舵机系统主要由舵机控制器、电机、减速器和电位器组成。舵控系统主要由FPGA主控电路、电源转换电路、光耦隔离电路、通信接口电路、霍尔处理电路、功率驱动电路、故障检测与保护电路、电流电压和舵机位置测量与处理电路等部分组成。外部提供的直流电源给功率驱动器和电源转换电路供电，电源转换电路将外部输入的电压转换成舵控系统上模拟电路所需的±15V，数字电路所需的+5V，+3.3V、+1.2V及功率驱动电路所需的+5V和+15V。

舵控系统采用电位器作为舵机输出轴角度位置传感器，采用±15V供电，经过低通滤波后，经AD7327转换器采样后送入FPGA。功率电路与控制电路之间采用光耦隔离，驱动芯片采用IR2136，具有欠压和过流保护功能。舵控系统和飞控计算机之间采用RS-422串口通信。

2 舵控系统软件设计

舵控系统软件主要完成系统的初始化、与飞控计算机通信、伺服控制算法、驱动控制和故障检测等工作。舵控系统软件采用模块化设计思想，主要包括初始化模块、通信模块、舵机输出角度处理模块、伺服控制算法模块、电机驱动控制模块和故障检测模块等，其中初始化模块负责系统初始化、FPGA时钟初始化、RS422通讯模块初始化、控制参数初始化等工作；通信模块则负责与飞控计算机通信，读取指令数据和在规定的时间内给上位机反馈当前舵机角度位置数据；舵机输出角度处理模块负责对舵机的角度进行采样和滤波处理；伺服控制算法模块负责根据接收到的指令与舵机反馈角度信号进行算法运算，计算出控制量；电机驱动控制模块根据伺服控制算法模块产生的控制量结合霍尔信号产生相应的PWM控制驱动电路；故障检测模块负责对舵机进行状态进行检测。

由于舵机系统需要较高的实时控制要求和动静态指标，舵机闭环控制采用“位置环+速度环+电流环”三闭环全数字控制形式，具体控制回路原理如图1所示。总体控制流程为：FPGA接收到飞控计算机发送的各个舵机的位置指令和舵机输出轴的当前位置，进行舵机位置环PI调节，得到速度指令；FPGA根据霍尔换向信号，计算得到电机转速，速度指令与计算得到的电机转速经速度环PI计算后得到电流指令；FPGA通过电流传感器测量电机的电流，根据电流指令与检测到的电流通过电流环P控制产生相应的电压控制信号，进而输出PWM信号到驱动电路。

图1 舵机控制系统回路原理

3 试验结果

图2为舵机系统在正弦指令和方波指令下的实测数据。图2（a）为舵机系统跟踪1 º，1Hz正弦信号时，四路舵机的实际响应曲线，由图可见，跟踪效果良好，图2（b）为舵机系统跟踪25度方波信号时，的波形，四路舵机的实际响应曲线，由图可见，系统超调量较小，响应速度快。实验结果表明，数字舵控系统设计正确及合理。

图2 舵机测试数据曲线

4 结论

本文利用Xilinx公司最具性价比的Spartan-6系列芯片，设计了一套一控四路舵机的伺服控制系统。实验结果表明，该数字化舵控系统具有尺寸小、精度高、可靠性高、抗干扰能力强等优点，满足了舵机的小型化和智能化要求。

[1]刘建斌.基于DSP的电动舵机控制系统设计[J].导航与控制, 2008, 7(1): 53-56.

[2]伍城,赵怀林,朱纪洪.一种小型数字电动舵机系统设计与实现[J].自动化与仪表, 2015, (10): 10-14,36.

[3]王京锋, 孙春祥,马隽.基于DSP和FUZZY-PID控制的弹用电动舵机伺服系统的研究[J].导航与控制, 2003, 4(3): 63-68.

Design and Implementation of a Digital-electric Servo System based on FPGA

Sun Zhangjun，Cao Yang，Guo Guanghui，Jin Zhen，Wang Yanli，Tian Xiu
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing,100039）

In order to meet the requirements of the digital, high precision, real-time and control efficiency of the servo system, the combination of BLDC directed by harmonic reducer was used to the electric actuator, and one controller is corresponded to four actuators in the paper. The paper introduced the structure solution and control strategy of the controller. The controller used the FPGA as the core, including the central processing circuit, drive circuit, feedback circuit etc We accomplish the digital actuator control system through the three closed-loop control strategy including position loop, speed loop and current loop Experiments results show that the system is easy to design and realize

FPGA; digital actuator controller; design; realizing