某飞行器舵机控制系统硬件设计

摘要：研究一种基于TMS320F28335 DSP(Digital Signal Processor)的全数字飞行器控制系统的硬件设计，分析了其结构组成：主控制器电路、舵面位置检测电路和通讯等硬件电路设计。经过多次试验调试，所设计的硬件系统可以满足飞行器性能要求。
关键词：飞行器；TMS320F28335；控制系统；硬件电路

    随着科学技术的发展进步，对飞行器飞行控制系统要求的不断提高，使得用传统的设计模拟飞行控制器设计方法无法满足要求。高速处理芯片的推出使研究导弹飞行器等非线性控制系统设计具有现实和长远意义。基于此种原因，为提高飞行控制器的可靠性和控制精度，本文采用TI公司的32位浮点DSP(TMS320F28335)为控制器核心，完成数字信号处理和导航解算，以及串口通信，数据采集和人机交换等任务。

1 控制系统原理
    舵机控制系统是按照选定的导引规律不断调整与修正飞行器的飞行轨迹，导引和控制飞行器飞向目标的硬件和软件集合。它的功能包括设定目标和飞行器的飞行参数，按照选定的导引规律形成飞行器飞行控制指令，经综合、校正后输出控制指令调整舵机推力方向或舵面偏转角，改变飞行器的飞行状态和飞行路线，使飞行器按允许误差命中目标。飞行器如果偏离控制系统预先设定的状态(飞行姿态发生变化)，通过传感器可探测到偏离的方向和大小，控制器按照相应的控制算法处理偏差后，输出一定的控制信号操纵相应的舵机，控制对应舵面进行偏转，使飞行器姿态角逐渐达到设定状态。从而达到改变飞行器的飞行状态和飞行路线，使飞行器按规定的误差击中目标。当飞行器姿态角到达预先设定状态，则舵面回归初始位置，飞行器此时按设定姿态正常飞行。飞行器控制系统原理如图1所示。

2 舵机控制系统硬件结构
    飞行器舵机控制系统主要有捷联惯导系统、主控制器及舵机部分构成。飞行器的实时飞行姿态信息有捷联惯导系统给定，DSP通过与预定姿态信息求偏差后得到4路舵机舵面的预定参考位置。舵面的实时位置信号是由舵机输出轴上的角度传感器提供，该位置信号经过调理电路处理之后输入到DSP的AD采样端。主控制器以DSP为核心经过内部控制算法处理后输出各种控制信号，输出的控制信号经过专用4路舵机驱动板卡，驱动4路舵机按要求转动。舵机系统作为飞行控制的执行机构，由4套无刷直流电机、谐波减速器、位置传感器组成。分别安装在飞行器尾部相互垂直的两个轴平面上，其安装位置顺时针排序为1#、2#、3#、4#舵机，在具体使用过程中，1#舵机和3#舵机可配合同步使用，2#舵机和4#舵机可配合同步使用。整个系统的硬件结构如图2所示。

    本系统由上位机向飞行控制器发送飞行器预先设定的控制指令，通过UART总线传输到主控制器。捷联惯导系统中飞行器实时姿态数据、线性电位器上舵面实时位置信号以及上位机上预设的控制指令数据，共同组合后代入到的飞行控制算法中。通过主控制器处理后得到的PWM波形，输出到舵机驱动板卡实现对舵机舵面调整，进而实现对飞行器的控制。此外，主控制器还将系统运行状态传送至上位机，通过PC机上的测控应用程序实现对控制系统监测和后期数据处理。

3 系统硬件设计
3．1 主控芯片的选择
    德州仪器(TI)公司DSP产品中TMS320F28X系列数字信号处理器内嵌32位DSP核，运算速度可达150MIPS，还具有丰富的外设，以及较强的运算、控制和通信能力，其在电力、汽车、航天、通讯、工业、医疗等方面得到广泛应用。本系统采用的是TI公司推出的新型浮点型数字信号控制器(TMS320F28335)，具有32位单精度浮点运算单元(FPU)，每秒可做300兆次浮点运算，可实现许多复杂的控制算法。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A／D转换更精确快速，性能提高50％，快速傅立叶转化(FFT)等复杂计算算法性能提升了一倍之多。拥有足够的程序和数据空间，并且外设有丰富的接口，一个I2C总线，一个SPI口，16路12位A／D，3个SCI口等，使得系统外围电路的设计简化了，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本，同时有效地提高了整个系统的集成度。
3．2 舵面位置检测电路
    系统控制精度是整个系统最重要的技术指标之一，系统的检测装置和输出控制元件一般决定了系统的控制精度。本系统的舵面位置检测器件选择精密导电电位计。舵面位置检测传感器其检测的原理示意图如图3所示。线性电位器的滑动端与减速器同轴相连，一旦舵面位置发生改变，线性电位器阻值产生线性变化，其电压发生相应线性变化。

    TMS320F28335具有16路ADC转换通道，采样精度为12位。但ADC输入通道的电压范围为0～3 V，因此需将舵面位置偏转信号的范围调节至0～3 V的范围内。本系统设计恒流源电路、二阶低通滤波电路、差分电路、同向放大电路实现电压范围的调整。恒流源的设计保证了传感器获得的电流恒定，防止了因传感器电流不稳定而导致采集舵面位置数据的不准确。将采集的数据通过二阶低通滤波电路，滤除外界干扰，增加系统的抗干扰能力；差分电路作用是减去恒流源对传感器拉升的电压。
3．3 串行通信接口(SCI)设计
    为了保证对导航仪数据采集的准确性和实时性，所以使用RS422通信协议采集导航仪数据。RS422的数据传输采用差分平衡传输方式，抗噪声能力前，传输距离远，传输速度快和精度高等优点。采用SP3491芯片作为RS422的的全双工收发器，满足RS422串行协议的要求，数据传输速率可达10 Mbps(带负载)。F28335具有16位FIFO和波特率自检测功能。选用16为FIFO接收数据，每次可接收16位导航仪数据，提高接收速度和准确率。
    人机通信使用RS232通信协议，RS232是目前PC机和通信工业应用最广泛的传信通信接口，采取不平衡传输方式，是为点对点通信设计的，驱动负载为3～7千欧姆，适合本地设备之间通信。RS232串口芯片选用MAX232串口驱动芯片，是美信(MAXIM)公司为RS232通信串口设计的电平转换芯片，使用+5 V单电源供电。
    选择接收中断收发模式进行通信，DSP在中端点扫描串口中断标志位，一旦发现接收标志位置位就取缓存数据，否则跳过执行其他命令，不需占用大量CPU时间，以及接收数据的完整，不丢帧。当有数据要发送给上位机时，将数据写入发送缓存，发送标志位置位DSP进入中断，数据发送。
3．4 舵机控制电路设计
    TMS320F28335的EPWM模块产生4路PWM信号，4路方向信号。DSP输出的是3．3 V逻辑TTL电平，因此在电路中加入74LV245芯片，一方面可防止电机驱动板对DSP芯片的反向电流，起保护主控制器的作用；另一方面此芯片还可以起到增大驱动能力的作用，使输出信号具有更大电流。从DSP输出到74LV245的信号都属于数字信号，与电机驱动板电气没有直接联系。如果直接将数字驱动信号与电机驱动板共地并作为电机驱动板的输入，则电机驱动板对主控制器工作产生干扰，并降低系统抗干扰能力。因此采用光耦隔离的方法将主控制器与电机驱动板隔离。
3．5 系统电源设计
    飞行器所带DC—DC电源模块供电电压为36 V和12 V。其中36 V为舵机系统供电：12 V是为主控制系统供电。而在主控制系统中还需要5 V、3．3 V、1．9 V电压，其中5 V为系统内部分模拟器件电源供电，3．3 V为本控制系统大部分数字芯片供电以及作为DSP外设工作电源，1．9 V为DSP内核供电。其中5 V是由12 V通过LM7805电源管理芯片转换得到的，其输出电流可达到1 A，可满足主控制系统的需要。TMS320F2 8335(DSP)对内部模块的上电顺序也有要求，首先必须对外设模块上电，等电压稳定之后，才能对TMS320F28335的内核进行上电，否则系统将无法正常工作。选用TI公司的TPS73HD301非线性电源芯片，其优点就是5 V电压输入，3．3 V产生200 ms延时后1．9 V产生．为TMS320F28335的上电顺序提供了保障，输出电流可达1A，输出功率大，驱动负载能力强，而具有短路保护及热保护等功能。

4 结束语
    系统设计实现了以TMS320F28335处理器为控制核心，使用SCI串口为通讯方式，采用独立的四路EPWM输出方法，运用12位AD采集舵面位置信号的控制系统。该系统充分利用了TMS320F28335高速运算处理能力以及其丰富的外部接口特点，简化了电路设计的难度，提高了可靠性。在硬件设计的整个过程中，系统控制器集成化，小型化，并且注重可靠性和抗干扰能力，实现了飞行器控制系统对硬件功能要求。