基于TMS320F28377D的微型舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

唐瑞敏 王洪生 楊 茜 劉 佳 陳子瑋

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基于TMS320F28377D的微型舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

唐瑞敏 王洪生 楊 茜 劉 佳 陳子瑋

（湖北三江航天紅峰控制有限公司，孝感 432000）

利用TMS320F28377D雙核CPU，實(shí)現(xiàn)了飛控和舵控集中在一個CPU，通過CPU1核與CPU2核之間內(nèi)部信息共享區(qū)（IPC）實(shí)現(xiàn)信息交互，解決傳統(tǒng)飛控計算機(jī)與舵控計算機(jī)需要通過外接通信接口實(shí)現(xiàn)通信的問題。舵系統(tǒng)采用片內(nèi)AD采樣設(shè)計，大大減少電源模塊，其次實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)AD低電壓狀態(tài)下，舵反饋仍舊保持較高采樣精度。最后通過仿真和實(shí)驗論證該設(shè)計可靠性高，具有較強(qiáng)抗干擾性，工程價值較高，并能夠?qū)崿F(xiàn)舵系統(tǒng)微型化。

微型舵機(jī)；控制系統(tǒng)；雙核；IPC；片內(nèi)AD

1 引言

傳統(tǒng)基于有刷直流電機(jī)的舵系統(tǒng)控制芯片一般采用TI公司C2000系列運(yùn)動控制芯片，以TMS320F2812、TMS320F28335居多，通過片外AD采樣芯片采集舵反饋信息，然后通過數(shù)據(jù)端口傳遞給CPU，CPU按一定的控制規(guī)律解算出伺服系統(tǒng)控制信號控制驅(qū)動芯片，最后達(dá)到控制電機(jī)的目的[1]。傳統(tǒng)舵機(jī)控制系統(tǒng)為了達(dá)到高精度位置反饋信息，基本采用片外16位精度采樣芯片，以AD7606采樣芯片為例，需要額外提供±10V正常工作電壓。傳統(tǒng)DSP內(nèi)部結(jié)果寄存器均為12位精度AD，當(dāng)角度傳感器供電電壓過低時出現(xiàn)電壓較小波動時，會出現(xiàn)較大跳數(shù)現(xiàn)象，因此傳統(tǒng)角度傳感器一般采用±10V、±12V、±15V供電[2]，精度提高同時也會增加電源模塊數(shù)量，直接增加硬件成本及布局空間，無法實(shí)現(xiàn)舵系統(tǒng)小型化，本文設(shè)計舵機(jī)角度傳感器采用+3.3V供電，無需額外電源芯片供電。

2 微型舵系統(tǒng)基本工作原理

2.1 舵系統(tǒng)基本工作原理

微型舵系統(tǒng)工作原理框圖見圖1，其工作原理是產(chǎn)品工作時彈上一體化控制組件舵控制單元接收舵機(jī)控制信號，并將控制信號、舵機(jī)反饋信號按照一定的控制規(guī)律生成PWM方波信號，經(jīng)驅(qū)動器功率放大后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動由諧波減速器構(gòu)成的減速機(jī)構(gòu)帶動輸出軸偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)角度和力矩輸出。舵系統(tǒng)采用位置傳感器敏感舵軸位置并轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋至控制器，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)位置閉環(huán)[3]。

圖1 伺服機(jī)構(gòu)工作原理框圖

2.2 TMS320F28377D基本工作原理

飛控程序通過CPU1核實(shí)現(xiàn)舵控指令計算，通過CPU1核與CPU2核之間的共享存儲區(qū)（IPC）實(shí)現(xiàn)信息交互，CPU2核為舵控程序，CPU2核通過尋址方式讀取CPU1核存儲在共享區(qū)相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，通過片內(nèi)AD實(shí)時讀取舵反饋信息，按一定控制算法結(jié)算四個舵機(jī)控制量。TMS320F28377D內(nèi)部工作原理如圖2所示。

圖2 TMS320F28377D工作原理示意圖

3 硬件實(shí)現(xiàn)

整個舵系統(tǒng)電路分為控制電路和驅(qū)動電路，由于控制電路與飛控電路集成，功率放大器只承擔(dān)驅(qū)動電機(jī)作用，通過接收控制信號，驅(qū)動電機(jī)按指令轉(zhuǎn)動。硬件電路采用DSP發(fā)出控制信號，經(jīng)過SN74LVC4245A實(shí)現(xiàn)+3.3V轉(zhuǎn)+5V，最后控制驅(qū)動芯片，實(shí)現(xiàn)控制四路舵機(jī)。

3.1 電源管理電路設(shè)計

通過圖3所示電路，實(shí)現(xiàn)28V轉(zhuǎn)+5V，最大輸出電流達(dá)3A，其中輸出電壓電阻可通過調(diào)節(jié)1、2匹配輸出，計算如式（1）、式（2）所示。如圖4為5V轉(zhuǎn)3.3V電路，通過式（3）～式（5）調(diào)節(jié)1、2進(jìn)行匹配輸出3.3V。+3.3V不僅提供DSP正常供電，也提供角度傳感器電源電壓，因此3.3V電壓是否穩(wěn)定決定角度傳感器輸出精度。

圖3 28V轉(zhuǎn)5V電路

（2）

3.2 信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

信號轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)控制PWM信號到4路舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動模塊輸入信號電平變換，增加PWM信號的驅(qū)動能力。其轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖5所示。

圖5 信號轉(zhuǎn)換電路

3.3 驅(qū)動電路設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動設(shè)計方式，如圖6示，選用L6206驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片最大工作電壓52V，額定輸出電流達(dá)到2.8A。通過控制芯片使能端ENA、ENB信號，達(dá)到控制驅(qū)動芯片輸出通斷。該電路具有體積小、輸出功率大、效率高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

圖6 驅(qū)動電路

4 軟件實(shí)現(xiàn)

控制軟件固化嵌入于DSP內(nèi)，是電動伺服系統(tǒng)的核心部分。控制軟件結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)DSP控制器的數(shù)據(jù)通信功能，實(shí)現(xiàn)電動伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能等。其控制回路算法設(shè)計見圖7所示。

圖7 控制回路算法設(shè)計

4.1 CPU1核工作流程

CPU1核完成在上述兩個內(nèi)存地址中分別提取舵控指令和舵反饋信息。

CPU1核通過CAN總線接收到的舵控指令，并將接收到的舵控指令放入IPC共享內(nèi)存區(qū)舵控內(nèi)存地址中。for(i=0;i<4;i++)

{

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]=(int)(sRXCANMessage.pucMsgData[i*2]+sRXCANMessage.pucMsgData[i*2+1]*256);//CAN總線接收到的舵控指令

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]=DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]*MAXVOLT/TRANS;

DcdyRegs.dcdy_ipc_com.com_dk_Pt[i]=DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i];//將接收到的舵控指令放入IPC共享內(nèi)存區(qū)舵控內(nèi)存地址中

}

CPU1核從IPC共享內(nèi)存區(qū)提取舵反饋信息，并通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)。

for(i=0;i<4;i++)

{

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DF[i]=DcdyRegs.dcdy_ipc_com.com_fk_Pt[i];//從IPC共享內(nèi)存區(qū)提取舵反饋信息

DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DFK[i]=(int16)(DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DF[i]*TRANS/MAXVOLT);

sTXCANMessage.pucMsgData[i*2]=(unsignedint)DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DFK[i]&0xff;

sTXCANMessage.pucMsgData[i*2+1]=(unsignedint)DcdyRegs.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DFK[i]/256;

}

CANMessageSet(CANA_BASE,25,&sTXCANMessage, MSG_OBJ_TYPE_TX);//通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)

CPU1核具體實(shí)現(xiàn)流程圖見圖8所示。CPU1核除了完成系統(tǒng)初始化外，還完成了對PWM、ADC、GSmemory及LED燈控制權(quán)的配置，實(shí)現(xiàn)了對外CAN通訊過程。

圖8 CPU1核軟件工作流程圖

4.2 CPU2核工作流程

CPU2核定義的上述兩個內(nèi)存地址，一個用于讀CPU1的舵控，一個用于寫舵反饋給CPU1。CPU2核主要完成了從IPC共享內(nèi)存區(qū)讀取舵控指令，并往IPC共享內(nèi)存區(qū)寫舵反饋信息，完成了舵控制循環(huán)，及時往IPC共享內(nèi)存區(qū)更新舵反饋信息。

DcdyRegs2.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DK[i]=DcdyRegs2.dcdy_ipc_com.com_dk_Pt[i];//從IPC共享內(nèi)存區(qū)讀取舵控指令

for(i=0;i<4;i++)

{

DcdyRegs2.dcdy_ipc_com.com_fk_Pt[i]=DcdyRegs2.dcdy_data.rudder_ctrl_data.DF[i];//及時往IPC共享內(nèi)存區(qū)更新舵反饋信息

}

CPU2核具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖9所示。其中控制循環(huán)流程圖如圖10所示。

圖9 CPU2核軟件工作流程圖

圖10 控制循環(huán)軟件工作流程圖

CPU1核和CPU2核之間通過共享交互區(qū)IPC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩核之間的傳遞，其實(shí)現(xiàn)過程參見圖11所示。

圖11 CPU1核和CPU2核數(shù)據(jù)交互原理圖

5 舵系統(tǒng)仿真與實(shí)驗對比

建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖12所示，模型由位置環(huán)、位置經(jīng)濾波、微分后的速度環(huán)組成。

圖12 系統(tǒng)仿真模型

5.1 時域特性

圖13 時域特性仿真結(jié)果

圖14 時域特性實(shí)測結(jié)果

給系統(tǒng)2°階躍信號時，舵機(jī)的階躍響應(yīng)曲線如圖13所示，可以看出系統(tǒng)在2°范圍內(nèi)的超調(diào)量小于5%，圖14為測試軟件實(shí)測舵機(jī)響應(yīng)2°階躍時，采集舵反饋繪制圖形，從圖中得到舵機(jī)調(diào)整時間為36ms，超調(diào)量為0%，半振蕩次數(shù)為0，具有較快動態(tài)響應(yīng)能力。

5.2 頻率特性

額定3Nm彈性負(fù)載條件下，2°10Hz正弦波信號響應(yīng)曲線見圖15。幅頻值約為-1.3dB，相頻值約為-60°，具有較快動態(tài)響應(yīng)能力。圖16為頻帶特性實(shí)測結(jié)果，幅頻值為-1.145dB，相頻值為-64.761°，對比圖16仿真結(jié)果，性能指標(biāo)基本一致，舵機(jī)能夠滿足輸出幅值衰減3dB或相移大于90°時，頻帶不小于12Hz。

圖15 頻帶特性仿真結(jié)果

圖16 頻帶特性實(shí)測結(jié)果

5.3 波形跟蹤

通過測試軟件給定35°，0.1Hz正弦波，通過測試軟件繪制波形如圖17所示，從圖中看出整個指令周期內(nèi)，舵機(jī)能夠平穩(wěn)跟隨指令信號，小信號干擾較少，舵反饋波形較為干凈。

圖17 波形跟蹤舵反饋圖

6 結(jié)束語

基于TMS320F28377D的微型舵系統(tǒng)控制系統(tǒng)通過仿真結(jié)果與實(shí)驗仿真證實(shí)具有可行性，該設(shè)計不僅能夠大大減少硬件電路，也提高系統(tǒng)可靠性，舵系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微型化。以上分析仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合，但也存在差異?？傮w來說，仿真結(jié)果整體優(yōu)于物理樣機(jī)實(shí)測結(jié)果。分析引起差異原因及解決辦法主要如下：

a. 仿真模型為理想模型，傳遞運(yùn)動時不存在傳動間隙，實(shí)測物理樣機(jī)中由于加工工藝限制，無法消除間隙，只能盡量減小。理想仿真模型傳遞運(yùn)動時不存在摩擦。物理樣機(jī)中，各個運(yùn)動副之間傳遞運(yùn)動時均存在動摩擦力。造成系統(tǒng)上升時間的滯后。

b. 理想仿真模型中AD采樣不會出現(xiàn)供電不穩(wěn)或者干擾造成跳數(shù)現(xiàn)象，實(shí)測物理樣機(jī)由于布板工藝，電磁兼容考慮不全，會造成AD采樣出現(xiàn)較小跳數(shù)，引起小信號干擾。布線時考慮對電源線、地線與信號線分開，強(qiáng)、弱信號線分開，數(shù)字信號與模擬信號分開，電纜信號線雙絞，減少對信號干擾[4，5]。

c. 理想仿真模型通過理論計算可整定控制參數(shù)，實(shí)測物理樣機(jī)控制參數(shù)與理論計算結(jié)果存在差異，只能通過不斷嘗試調(diào)節(jié)出最優(yōu)控制參數(shù)。

1 秦文甫. 基于DSP 的數(shù)字化舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：清華大學(xué)，2004

2 齊歡，王小平. 系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2006

3 夏長亮. 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009

4 宋科璞. 基于DSP的數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)

5 莊凱，廖勇. 基于DSP的永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 微電機(jī)，2007，40(2)：55～57

Design of Micro Steering Gear Control System Based on TMS320F28377D

Tang Ruimin Wang Hongsheng Yang Xi Liu Jia Chen Ziwei

(Hubei Sanjiang Aerospace Hongfeng Control Co., Ltd., Xiaogan 432000)

By using the TMS320F28377D dual-core CPU, this thesis puts flight control and rudder control together in a CPU, and gets information interaction through internal information sharing area (IPC) between CPU1 core and CPU2 core. It solves the communication problem of traditional flight control computer and rudder control computer which was depended on the external interface in tradition. First of all, the steering gear adopts AD sampling design in the chip, which greatly reduces the power supply module. Secondly, the steering gear feedback keeps high sampling accuracy even the AD on the chip is under low voltage. Finally, it is proved that the design of the steering gear has characters of high reliability, strong anti-interference, high engineering value and miniaturization through simulation and experiment.

micro steering gear；control system；dual-core；IPC；AD on chip

唐瑞敏（1988），工程師，控制工程專業(yè)；研究方向：伺服電氣設(shè)計。

2019-04-12