二位置尋北儀轉位控制系統設計

趙功偉，董全林，任磊

(北京航空航天大學，北京100083)

    摘要：介紹了一種基于DsP與FPGA的永磁直流力矩電動機轉位控制系統，其包括位置檢測回路，驅動控制回路和鎖定回路。該系統具有一定的快速性，結構簡單，實現方便．已成功應用于二位置尋北儀系統。

  關鍵詞：DsP；FPGA；尋北儀；永磁直流力矩電動機；轉位控制

  中圖分類號：TM359．6  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)12—0037—03

O前言

    二位置陀螺尋北儀是一種基于捷聯式慣性工作原理的快速、高精度、自主式定向儀表，它作為精確方位信息快速獲取的一種技術手段，在炮兵陣地測量、為火炮提供北向基準、為戰術和戰略導彈機動發射初始定向等方面起著重要的作用。本文所提到的轉位控制系統就是基于二位置陀螺尋北儀所設計的。由于尋北儀采用兩位置測量的技術方案，要求電機在O～180^。的范圍內進行轉動；同時在轉位動作過程中要求電機能夠快速轉位和慢速接近轉位目標點，到達預定位置后，開始采集數據，在采集過程中不能有任何搖擺和抖動，因此轉位機構還應該具有鎖定功能。

    由于對整個轉位控制系統的快速性和實時性要求很高，因此選用基于FPGA設計的接口電路和DSP作為中心處理器。尋北儀在0～180^。兩個位置進行數據采集時，電機處于堵轉狀態，并且電機經常處于低速運轉狀態，因此選用永磁式直流力矩電機作為轉位系統的執行元件。

1系統控制方案及構成

    實現電機控制的一般方法是采用PwM波，通過旋轉變壓器等測速裝置實時檢測電機轉速并反饋到控制回路中，根據反饋量利用PID等控制算法產生占空比可調的PwM波控制開關電路，經驅動放大以后進行電機調速控制，由此實現速度和位囂控制。由于尋北儀轉位機構不需要進行精確的轉速控制，只要求最終的位置精度，并且采用PwM波控制方案，其硬件和軟件實現相對都比較復雜，因此，針對轉位控制目標和尋北儀工作特點采用另一種更簡單有效的控制方案，主要包括三個回路：位置檢測回路，轉速控制回路和鎖定回路。其中，位置檢測回路完成到位信息檢測，DsP根據讀到的到位信息和當前作狀態產生控制命令并發送給FPGA，由FPcA產生控制信號控制驅動板動作實現電機轉速及鎖定回路驅動控制。

    系統包括尋北計算機、電機驅動電路、位置檢測電路及轉位機構等部分。電機控制系統如圖l所示。

    在DSP芯片選型時首先考慮要滿足尋北系統對速度、精度、動態范圍、實時性的要求，同時應盡可能減小系統體積、降低功耗和成本，綜合考慮以上因素，本文選用TI公司c3000系列中高性價比32位浮點處理器TMs320 v c33作為本系統的核心處理器。FPGA選取Altera公司的低成本、低功耗、高容量的AcExlK系列的EPlKt00Q1208—2。作為控制信號的執行元件，選型時主要考慮三個因素：開關速度、功率和噪聲容限。電機驅動控制信號由FPGA產生，由于數字電路信號屬于電壓信號而非電流信號，因此需要電壓型控制器件作為控制信號的執行元件，本文選用帶磁屏蔽和續流二極管的繼電器動作，完成電機轉速、轉向控制。磁屏蔽可以減小繼電器內部線圈對慣性器件的磁場干擾。另外，由于這款芯片內集成了一個二極管，可以起到防止在繼電器動作瞬間產生過沖電壓的作用，在減小電路復雜度的同時增強了系統工作的可靠性：

2硬件電路設計

2.l FPcA與DsP接口設計

    DsP與FPGA之間快速、可靠的數據通信是系統控制功能設計的關鍵。和一般的微處理器不同，DsP采用哈佛結構，地址線和數據線分離，TMS320Vc33提供32位數據總線和24位外部地址總線，可尋址的存儲空間為16 MB，由頁選通信號PAGEO—PAGE3分為4頁，每頁4 MB。本文中，FP—GA作為DSP的協處理器，映射在DsP的外部存儲單元0xB00000h～0xBFFFFFh，可以看作DsP外圍存儲器映射的I／0器件，負責數據采集、通訊、系統控制和其它接口電路設計。DsP作為主控制器通過控制總線、地址總線和數據總線訪問FPGA取得方位角解算需要的傳感器信息，接口邏輯結構如圖2所示：

    控制總線包括外部存取選通信號sTRB，讀寫信號R／w，頁選通信號PAGE2，外部中斷INT)、INT2、INT3。由于DSP的數據線是分時復用的，因此