二位置寻北仪转位控制系统设计

赵功伟，董全林，任磊

(北京航空航天大学，北京100083)

    摘要：介绍了一种基于DsP与FPGA的永磁直流力矩电动机转位控制系统，其包括位置检测回路，驱动控制回路和锁定回路。该系统具有一定的快速性，结构简单，实现方便．已成功应用于二位置寻北仪系统。

  关键词：DsP；FPGA；寻北仪；永磁直流力矩电动机；转位控制

  中图分类号：TM359．6  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)12—0037—03

O前言

    二位置陀螺寻北仪是一种基于捷联式惯性工作原理的快速、高精度、自主式定向仪表，它作为精确方位信息快速获取的一种技术手段，在炮兵阵地测量、为火炮提供北向基准、为战术和战略导弹机动发射初始定向等方面起着重要的作用。本文所提到的转位控制系统就是基于二位置陀螺寻北仪所设计的。由于寻北仪采用两位置测量的技术方案，要求电机在O～180^。的范围内进行转动；同时在转位动作过程中要求电机能够快速转位和慢速接近转位目标点，到达预定位置后，开始采集数据，在采集过程中不能有任何摇摆和抖动，因此转位机构还应该具有锁定功能。

    由于对整个转位控制系统的快速性和实时性要求很高，因此选用基于FPGA设计的接口电路和DSP作为中心处理器。寻北仪在0～180^。两个位置进行数据采集时，电机处于堵转状态，并且电机经常处于低速运转状态，因此选用永磁式直流力矩电机作为转位系统的执行元件。

1系统控制方案及构成

    实现电机控制的一般方法是采用PwM波，通过旋转变压器等测速装置实时检测电机转速并反馈到控制回路中，根据反馈量利用PID等控制算法产生占空比可调的PwM波控制开关电路，经驱动放大以后进行电机调速控制，由此实现速度和位嚣控制。由于寻北仪转位机构不需要进行精确的转速控制，只要求最终的位置精度，并且采用PwM波控制方案，其硬件和软件实现相对都比较复杂，因此，针对转位控制目标和寻北仪工作特点采用另一种更简单有效的控制方案，主要包括三个回路：位置检测回路，转速控制回路和锁定回路。其中，位置检测回路完成到位信息检测，DsP根据读到的到位信息和当前作状态产生控制命令并发送给FPGA，由FPcA产生控制信号控制驱动板动作实现电机转速及锁定回路驱动控制。

    系统包括寻北计算机、电机驱动电路、位置检测电路及转位机构等部分。电机控制系统如图l所示。

    在DSP芯片选型时首先考虑要满足寻北系统对速度、精度、动态范围、实时性的要求，同时应尽可能减小系统体积、降低功耗和成本，综合考虑以上因素，本文选用TI公司c3000系列中高性价比32位浮点处理器TMs320 v c33作为本系统的核心处理器。FPGA选取Altera公司的低成本、低功耗、高容量的AcExlK系列的EPlKt00Q1208—2。作为控制信号的执行元件，选型时主要考虑三个因素：开关速度、功率和噪声容限。电机驱动控制信号由FPGA产生，由于数字电路信号属于电压信号而非电流信号，因此需要电压型控制器件作为控制信号的执行元件，本文选用带磁屏蔽和续流二极管的继电器动作，完成电机转速、转向控制。磁屏蔽可以减小继电器内部线圈对惯性器件的磁场干扰。另外，由于这款芯片内集成了一个二极管，可以起到防止在继电器动作瞬间产生过冲电压的作用，在减小电路复杂度的同时增强了系统工作的可靠性：

2硬件电路设计

2.l FPcA与DsP接口设计

    DsP与FPGA之间快速、可靠的数据通信是系统控制功能设计的关键。和一般的微处理器不同，DsP采用哈佛结构，地址线和数据线分离，TMS320Vc33提供32位数据总线和24位外部地址总线，可寻址的存储空间为16 MB，由页选通信号PAGEO—PAGE3分为4页，每页4 MB。本文中，FP—GA作为DSP的协处理器，映射在DsP的外部存储单元0xB00000h～0xBFFFFFh，可以看作DsP外围存储器映射的I／0器件，负责数据采集、通讯、系统控制和其它接口电路设计。DsP作为主控制器通过控制总线、地址总线和数据总线访问FPGA取得方位角解算需要的传感器信息，接口逻辑结构如图2所示：

    控制总线包括外部存取选通信号sTRB，读写信号R／w，页选通信号PAGE2，外部中断INT)、INT2、INT3。由于DSP的数据线是分时复用的，因此