磁懸浮慣性穩(wěn)定平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉濤++于嘯男

【摘 要】本文介紹磁懸浮慣性穩(wěn)定平臺(tái)的工作原理。提出了慣性穩(wěn)定平臺(tái)的硬件電路總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了以FPGA+DSP為核心的硬件控制系統(tǒng)。描述了硬件系統(tǒng)的組成，數(shù)字電路系統(tǒng)和模擬電路系統(tǒng)，并分別介紹各個(gè)電路系統(tǒng)的組成部分以及功能。詳細(xì)描述了旋轉(zhuǎn)變壓器的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】慣性穩(wěn)定平臺(tái)；硬件電路；FPGA+DSP；控制系統(tǒng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)

Designed And Implementation of hardware circuit for magnetic levitation inertial stabilization platform

YE Tao1，2 YU Xiao-nan2

（1.School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China；

2.Beijing Aerospace Control Institute， Beijing 100039， China）

【Abstract】In this paper， the working principle of magnetic levitation inertial stabilization platform is introduced. The hardware circuit design scheme of inertial stabilization platform is given， and the hardware control system based on FPGA+DSP is designed. The composition of the hardware circuit， the digital circuit system， and the components and functions of each circuit are described. The process of the rotary transformer、the control system and the motor driver design are described in detail.

【Key words】Inertial platform； Hardware circuit； FPGA+DSP； Control system； Motor driver

0 引言

慣性穩(wěn)定平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)高分辨率航空對(duì)地觀測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備，使用慣性穩(wěn)定平臺(tái)能夠有效的隔離載體運(yùn)動(dòng)對(duì)遙感載荷產(chǎn)生的干擾[1]。慣性穩(wěn)定平臺(tái)可以承載較重的的有效載荷，通過(guò)固連于臺(tái)體的陀螺敏感由機(jī)載機(jī)身角運(yùn)動(dòng)，線振動(dòng)或者其他因素引起的臺(tái)體干擾角運(yùn)動(dòng)，通過(guò)反饋控制計(jì)算機(jī)和電機(jī)的作用，驅(qū)動(dòng)臺(tái)體進(jìn)行反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，從而是有效載荷的視軸穩(wěn)定在慣性空間里。在此基礎(chǔ)上，利用高精度定位定向系統(tǒng)（POS）測(cè)量水平姿態(tài)基準(zhǔn)，與陀螺穩(wěn)定回路進(jìn)行復(fù)合控制，使有效載荷視軸準(zhǔn)確跟蹤當(dāng)?shù)卮咕€，保證高分辨率對(duì)地觀測(cè)。介紹以FPGA+DSP結(jié)構(gòu)為核心的穩(wěn)定平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用FPGA邏輯控制能力和并行處理機(jī)制實(shí)時(shí)的采集POS、陀螺、角度傳感器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)DSP完成控制回路計(jì)算。

1 慣性穩(wěn)定平臺(tái)硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)電路采用以FPGA+DSP為核心的數(shù)字、模擬混合電路系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集、信息處理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源轉(zhuǎn)換等部分。數(shù)據(jù)采集部分主要包括陀螺角速率、旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵尺、POS（高精度定位定向系統(tǒng)）等信息的采集。信號(hào)處理部分以DSP處理器為核心，通過(guò)外設(shè)接口的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線將FPGA中的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中[2]，然后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和控制策略解算，輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使能信號(hào)和PWM信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分主要包括功率放大、光耦隔離、電機(jī)換向等部分。由CPLD根據(jù)霍爾信號(hào)產(chǎn)生電機(jī)控制的換向表。電機(jī)使能信號(hào)、功放后的PWM信號(hào)和換向表三者共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制。其硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如下圖1所示。

慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)采用通過(guò)FPGA+DSP協(xié)同處理的主要基于FPGA和DSP各自的優(yōu)勢(shì)決定。FPGA支持并行和流水結(jié)構(gòu)。這樣可以通過(guò)多個(gè)處理單元并行工作，很適合多傳感器的數(shù)據(jù)的并行采集。由于FPGA在復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)的局限性，因此，在FPGA的基礎(chǔ)上增加DSP核，以提高控制回路的計(jì)算能力。同時(shí)，DSP專注于回路的控制運(yùn)算，從而提了系統(tǒng)的響應(yīng)速率。

2 數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

慣性穩(wěn)定平臺(tái)硬件電路系統(tǒng)主要分為FPGA模塊和DSP模塊。其中FPGA選擇XILINX公司生產(chǎn)的XC3S500E，該FPGA擁有豐富的邏輯資源和乘法器資源，能夠充分滿足設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集和處理的要求，并為后續(xù)的功能擴(kuò)展預(yù)留了足夠的邏輯資源[3]。而DSP選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812，具有較高的性價(jià)比，靈活的指令系統(tǒng)和操作性能，高速的運(yùn)算性能。把最適合電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的外圍設(shè)備嵌入到其中。其DSP運(yùn)算主頻可達(dá)150MHz，可以滿足系統(tǒng)對(duì)控制回路計(jì)算的任務(wù)要求。

2.1 FPGA模塊

慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)數(shù)字量輸出的傳感器，可以采用串行通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中MESM陀螺和光柵尺采用RS-422接口，POS采用RS-232接口。FPGA模擬串口通信的接口協(xié)議完成MESM陀螺、光柵尺、POS數(shù)據(jù)的采集。而旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的是正余弦的模擬信號(hào)，需要通過(guò)一個(gè)軸角轉(zhuǎn)換芯片AD2S80A轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，便于FPGA采集。

根據(jù)任務(wù)精度的要求不同，旋轉(zhuǎn)變壓器的采集可以分為單通道和雙通道。單通道RDC轉(zhuǎn)換電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗沖擊性能和抗震性能良好、可靠性高、成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)[4]，主要應(yīng)用與精度要求不太高的場(chǎng)合。本文采用單通道旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)據(jù)采集，其硬件電路原理框圖如圖2所示。

FPGA通過(guò)邏輯單元進(jìn)行分頻產(chǎn)生2KHz的方波信號(hào)，通過(guò)一個(gè)中心頻率為2KHz帶寬為100Hz的二階帶通濾波，選擇基頻為2KHz的正弦信號(hào)，在經(jīng)過(guò)比例放大電路，放大到均值為4V，最大能夠提供0.75A的電流，頻率為2KHz的正弦波作為旋轉(zhuǎn)變壓器的激磁信號(hào)。然后通過(guò)FPGA生成AD2S80A軸角轉(zhuǎn)換芯片的控制時(shí)序，完成軸角轉(zhuǎn)換芯片對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的采集。其RDC控制時(shí)序圖如下圖3所示。

其中fpga_clk為時(shí)鐘信號(hào)；rdc_xc_cs和rdc_zc_cs分別為x軸和z軸的AD2S80A端口的控制信號(hào)；rdc_a0_x和rdc_a0_z分別為x軸和z軸的位選信號(hào)。

2.2 DSP模塊

DSP主要負(fù)責(zé)陀螺穩(wěn)定回路、姿態(tài)調(diào)平/跟蹤回路、位置鎖定回路的控制計(jì)算；電機(jī)控制量PWM；使能信號(hào)的輸出。此外DSP利用其嵌入式SPI外設(shè)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度傳感器的A/D采集和數(shù)據(jù)處理、DSP通過(guò)并行總線和FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)選用的加速度計(jì)為石英繞性加速度計(jì)。石英繞性加速度計(jì)輸出信號(hào)是與外部加速度成正比的輸出電流信號(hào)，此信號(hào)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)高精密采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[3]，在通過(guò)模擬濾波后，接入到AD7734芯片的輸入端，然后DSP利用其SPI接口外設(shè)對(duì)AD7734進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬電路系統(tǒng)主要功能有過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)光耦隔離、方位無(wú)刷電機(jī)的換相和驅(qū)動(dòng)、俯仰和橫滾有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率放大；系統(tǒng)方位軸電機(jī)選用直流無(wú)刷力矩電機(jī)。直流無(wú)刷力矩電機(jī)采用霍爾元件做位置傳感器實(shí)現(xiàn)位置反饋，利用電機(jī)霍爾信號(hào)產(chǎn)生精確的換相控制[5]。穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰、橫滾軸端的電機(jī)則是選用直流有刷電機(jī)。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)的硬件組成。設(shè)計(jì)一種基于FPGA+DSP的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，利用FPGA和DSP各自優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率。系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，數(shù)字電路系統(tǒng)是系統(tǒng)計(jì)算處理的核心，主要負(fù)責(zé)信息的采集和處理，模擬電路系統(tǒng)是主要負(fù)責(zé)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)電源的供應(yīng)。通過(guò)硬件系統(tǒng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)中FPGA能夠?qū)崟r(shí)的、穩(wěn)定的采集傳感器數(shù)據(jù)；DSP能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的完成回路的控制運(yùn)算；CPLD能夠產(chǎn)生精確的換向表完成對(duì)回路電機(jī)的控制。

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[責(zé)任編輯：王楠]