双余度舵机控制系统设计
刘冠志，林辉，李颖（西北工业大学自动化学院，西安710072）
摘要：为提高舵机系统可靠性，减小系统体积和重量，本文介绍了基于DSP和CPLD的双余度舵机控制系统。该系统选用双余度稀土永磁无刷直流电动机作为舵机本体，对硬件结构进行双余度设计，采用分段PID控制方法，充分考虑双余度电流均衡和系统故障处理，完成了对双余度舵机转动的精确控制，实现了舵面精确偏转。实验结果表明该系统响应速度快、跟踪效果好。
关键词：双余度舵机；DSP；CPLD；分段PID
中图分类号：TP275；TM36+l 文献标志码：A 文章编号：1001-6848( 2010) 01-0050-04
0引 言
目前，飞机正朝着多电甚至全电的方向发展。舵机系统是飞机姿态控制的核心执行机构，为顺应飞机发展的趋势并快速、精确地完成指定飞行任务，舵机系统也正渐渐由液压、气压传动向电传动发展。飞机运行伴随着高风险，舵机系统的任何一次故障，都有可能产生毁灭性的后果，因而，提高舵机系统的可靠性势在必行。
提高舵机系统可靠性的传统方法是采用冗余技术实现系统备份，然而这种方法会增加系统的体积和重量，与全电飞机的初衷相悖。这种情况下，双余度电机的使用既可以实现冗余，提高系统可靠性，又可以节省系统的体积和重量，找到了平衡点[1]。
本文选用双余度稀土永磁无刷直流电动机作为舵机本体，基于DSP( TMS320F2812)和CPLD( EPM7032AE)构建控制平台，完成了双余度舵机
控制系统设计，实现了舵机精确偏转。
1 系统硬件结构与工作原理
如图1所示，本系统从结构上真正实现了双余度的设讣思想，它具有两套驱动设备，两个DSP控制器，并且两个DSP相互通讯互为备份，舵机为具有两套定子绕组和两个转子位置传感器的双余度稀土永磁无刷直流电动机。
1.1 DSP系统实现的功能
TMS320F2812运算速度快且内置多种功能模块和接口，如模／数转换单元、事件管理器、时钟单元、多通道缓冲串行口、串行外围接口、串行
双余度舵机控制系统设计刘冠志，等通信接口、增强型区域网络控制器和通用输入／输
出多路复用器等，使得它既具有数字信号处理的目B力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能[2]。
作为系统核心控制单元．TMS320 F2812最主要的功能是接收控制指令采集电机反馈信号和数障信号，实现设定的控制功能，最终输出用CPLD逻辑运算的PWM信号和其他功能控制信号。
TMS320F2812具有强大的通信功能，指令接收可以采用AD采样接收或者CAP捕获频率接收，也可以通过串口通信或CAN通信。对于舵面偏转角度的指令，本系统采用CAP捕获频率实现指令接收，可以有效排除外界干扰，具体方法是捕获相邻的两个信号上升沿，通过内部的计数器计数，对应于软件设定的比例关系即可得到偏转角度指令。
1.2信号调理电路和隔离电路
TMS320F2812能够接受的电压范围是0V-3V，因而，各种反馈信号需要经过调理电路放
大、滤波最终被其采集。
放大电路和滤波电路可根据所选放大芯片设计，本系统所选放大芯片为INA194和OPA2277。
系统的控制对象是需28 V电压驱动的双余度无刷直流电动机，而DSP与CPLD输出的PWM是数字信号，为减步信号干扰，本系统应用ADUM1401的磁耦隔离技术实现信号隔离，在性能、功耗、体积等各个方面都有光电隔离无法比拟的优势。ADUM1401数字隔离器逻辑接口不需要任何外部接口电路，使用方便。
1.3 CPLD控制逻辑
控制逻辑电路选用Altera公司的CPLD芯片-EPM7032AE对电机转子位置信号、DSP输出PWM信号、过流保护信号和正反转信号进行逻辑综合，输出12路pWM信号作用于驱动电路，进而实现双余度电机的基本转动、余度控制及过流保护控制。
双余度稀土永磁无刷直流电动机具有两套定子绕组和两套转子位置传感器，因而，它的控制逻辑区别于普通三相无刷直流电动机，需要12路PWM信号控制六相定子绕组的导通顺序，其中一套绕组在通电时间上****另一套绕组30度电角度。
EPM7032AE能够快速地完成这些逻辑综合，保障系 |
