CN201371945Y - 基于fpga的电动舵机控制器 - Google Patents

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陈帅
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Abstract

基于FPGA的电动舵机控制器包括FPGA模块、电源模块、数字通信模块、信号调理及A/D转换模块以及电机驱动模块，本实用新型采用FPGA能通过不断改进控制算法来提高***性能，能实现多路舵机集成控制，集成度高，性能可靠，***具有可测性，从根本上解决模拟式电动舵机控制器模拟信号传输所引起的信号衰减及串扰问题。

Description

基于FPGA的电动舵机控制器
技术领域
本实用新型涉及飞行器电动舵机控制器，特别是涉及一种基于FPGA实现的高集成度、高可靠的，对飞行器多路舵机实现集成控制的数字式电动舵机控制器。
背景技术
舵机***是飞控作动***的关键分***之一，它的各种性能的提高是进一步改进飞控***性能的重要环节。近年来，电动舵机以其简单可靠、成本低、易于控制等特性得到了广泛的应用。为了提高飞行器的机动能力，使其完成更复杂的飞行任务，就需要研发更高性能的电动舵机伺服***，使其能够快速地控制舵机的转角，最大程度地实现电动舵机的动态性能。
目前，电动舵机控制器以模拟实现为主，采用运算放大器实现PID运算及PWM波型生成。其工作原理为：由运算放大器加法电路将控制模拟信号和反馈模拟信号作差；将差值分别送入由运算放大器组成的比例电路、积分电路及微分电路；再将三路信号求和得到PID运算结果，电路中必须加入相应的相位校正网络。若为多环控制，则由多个上述PID运算电路组成多环PID运算电路。接着，由运算放大器振荡电路组成的三角波发生器信号与PID运算结果信号被送入运算放大器比较电路，得出PWM波形信号。最后通过功率放大电路驱动电机，实现舵机控制。使用模拟线路作为控制器虽然有控制平滑的优点，但是也存在许多固有的缺点，如控制线路体积较大、限制新控制方法的使用、电路参数变化对伺服回路的特性影响较大、伺服回路可测试性差、可靠性差、切换保护逻辑复杂、余度管理复杂等。
电动舵机控制器采用数字控制技术是未来的一种趋势。FPGA器件是将半定制的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程特性结合在一起，使其不仅包含大量的门电路，速度快，功耗低，使设计的电子产品能够实现小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有用户可编程特性。仅用一片FPGA芯片就可构造许多电子***，不仅可以代替传统的数字集成电路，而且还可以代替一般的PLD器件和半定制的ASIC，适用于复杂***的设计。随着FPGA功能的完善以及规模的不断扩大，在FPGA内部就能生成功能强大的CPU核以及DSP核，用户就能轻松地构建不但具备多任务快速响应的实时操作***，而且能够快速地对数据进行并行处理的功能强大的单芯片伺服控制器。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的线路简单、可靠性强、集成度高的电动舵机控制器。
本实用新型的技术解决方案是：基于FPGA的电动舵机控制器，包括FPGA模块、电源模块、数字通信模块、信号调理及A/D转换模块和电机驱动模块，电源模块分别与FPGA模块、数字通信模块、信号调理及A/D转换模块和电机驱动模块相连并提供相应电源，FPGA模块与数字通信模块、信号调理及A/D转换模块以及电机驱动模块数据线连接，并控制数字通信模块、信号调理及A/D转换模块和电机驱动模块，信号调理及A/D转换模块将上位机模拟电压信号和舵机角位移传感器的模拟信号转换为数字信号后传输到FPGA模块，上位机的数字信号直接进入数字通信模块后传输到FPGA模块，FPGA模块接受到数字信号后，进行数据并行处理，FPGA模块将处理好的信号送到电机驱动模块，电机驱动模块根据FPGA模块输入的信号，形成H桥或三相桥驱动信号，驱动多路舵机。
所述的FPGA模块包括控制中心模块、RAM模块、UART模块、1553b模块、A/D采样控制及数字滤波模块、故障检测模块、状态指示模块、PWM生成模块和PID运算模块，控制中心模块分别与RAM模块、UART模块、1553b模块、A/D采样控制及数字滤波模块、故障检测模块、状态指示模块和PID运算模块数据线连接，PID运算模块与PWM生成模块数据线相连，控制中心模块控制各模块间的数据传递，UART模块、1553b模块根据数字通信模块传入的数字信号向控制中心模块传送读或写数据请求，控制中心将RAM模块中相应的数据送到UART模块、1553b模块或将传送的数据写入RAM模块中的相应位置并送入PID运算模块，A/D采样控制及数字滤波模块将从信号调理及A/D转换模块获取的控制及反馈数据送给PID运算模块，同时把数据经由控制中心写入RAM模块中的相应位置，PID运算模块结合通过控制中心从RAM模块获取的PID调节参数对接受到的数据进行PID运算并将PID运算的结果传送到PWM模块，PWM模块根据PID运算的结果和通过控制中心从RAM模块中获取的电机启停指令，控制多路舵机。
所述的电源模块包括DC/DC电源模块和两路低压差电压调节器LDO，DC/DC电源模块与低压差电压调节器串联，两路低压差电压调节器LDO并联，DC/DC电源模块将28VDC电源转换为15VDC和5VDC，两路低压差电压调节器LDO将5VDC转化为3.3VDC和1.5VDC。
所述的数字通信模块包括RT工作模式的1553b总线通信接口和UART通信接口，两个接口独立工作。
所述的信号调理及A/D转换模块由TLV2374芯片、HEF4051芯片、ADS7818芯片及辅助电路组成，两个TLV2374芯片将上位机四路模拟电压信号和舵机角位移传感器的四路模拟信号调理至0～5VDC，由HEF4051分时将信号送给ADS7818完成多路信号的A/D转换。
所述的电机驱动模块由多片三相桥驱动芯片和功率开关管及辅助电路组成，三相桥驱动芯片及辅助电路将FPGA模块输入的控制信号转化为功率开关管所需的上、下桥臂驱动信号，由功率开关管组成的三相桥电路的总电流经过功率开关管的采样电阻将电流信号传递回三相桥驱动芯片。
本实用新型与现有技术相比有益效果为：
(1)本实用新型采用FPGA模块，控制算法由软件实现，可不断地改进控制算法来提高***性能，这种改进只涉及软件，不更改或很少更改硬件，因而实现非常容易，且继承性好；
(2)本实用新型采用FPGA模块能实现多路舵机集成控制，相对于多个模拟器件实现控制算法的舵机控制器，集成度高，性能可靠；
(3)本实用新型的FPGA模块通过通信接口连接控制***和智能化的自动测试设备，在测试软件的支持下进行调试，并将调试的最佳参数固化，这种固化参数不随时间而改变，使控制***的性能稳定、一致；
(4)本实用新型采用数字式通信可从根本上解决模拟信号传输所引起的信号衰减及串扰问题；
(5)本实用新型采用FPGA模块具有用户可编程的特性。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的FPGA模块结构示意图；
图3为本实用新型的FPGA***电路原理图；
图4为本实用新型的FPGA***电路原理图；
图5为本实用新型的FPGA***电路原理图；
图6为本实用新型的电源模块原理图；
图7为本实用新型的数字通信模块原理图；
图8为本实用新型的信号调理及A/D转换模块原理图；
图9为本实用新型的电机驱动模块原理图。
具体实施方式
如图1所示，基于FPGA的电动舵机控制器包括FPGA模块1、电源模块2、数字通信模块3、信号调理及A/D转换模块4以及四路电机驱动模块5。电源模块2分别与其它四种模块相连，提供相应的电源；FPGA模块1与数字通信模块3、信号调理及A/D转换模块4以及电机驱动模块5相连，对各模块实现控制。
FPGA模块1由FPGA芯片及***电路构成，内部采用数据并行处理，能同时高速高效地完成多项任务，实现数字通信、信号采集、数字滤波、多路舵机的伺服控制算法和故障诊断，控制其它各个模块工作。FPGA芯片如图2所示内部采用模块化设计，由多个功能模块组成，包括控制中心模块6、RAM模块7、UART模块8、1553b模块9、A/D采样控制及数字滤波模块10、故障检测模块11、状态指示模块12、PWM生成模块13和PID运算模块14。
控制中心6为FPGA的内部核心，担当数据协调角色，协调其它功能模块正常工作，控制各模块间的数据传递。当从UART模块或1553b模块传来数据读写请求时，控制中心就将RAM模块中相应的数据送到UART模块或1553b模块，或者将数据写入RAM模块中相应位置；A/D采样控制及数字滤波模块获取的控制及反馈数据在送给各PID运算模块的同时，也会把数据经由控制中心写入RAM模块中相应位置。PID运算模块所需的PID调节参数同样通过控制中心按一定时间间隔从RAM模块获取。PWM模块所需的电机启停指令也是通过控制中心从RAM模块中获取。控制中心通过定时分配以及优先级控制处理各模块的数据传递冲突。
RAM 7为128字节的双口随机存取内存，各种通信数据、A/D采样数据、运行参数、PID运算参数等均实时存入RAM7内。
UART 8是通用异步收发器协议模块，实现与PC机通信，在线查询或更改运行参数、PID运算参数等。1553b 9为飞机内部时分制命令/响应式多路复用数据总线协议模块，为远程终端(RT)工作模块，实现与弹载计算机的数字通信，控制各路舵机偏转以及返回舵机运行状态参数。UART模块8和1553b模块9组成了FPGA模块1的数字通信部分。由于FPGA硬件结构由设计者编程生成，根据弹载计算机通信要求，可以实现如奇偶校验、冗余码校验、纠错编码等数据通信协议，可以实现各种特定数据指令的解读及特定指定反馈，所有数据处理由硬件实现，实时性好。
A/D采样控制及数字滤波10实现对A/D转换器及多路选通器控制，完成多路模拟信号的分时采集。A/D采样控制及数字滤波模块10由于FPGA接口可自由编制，能灵活实现并行A/D芯片或串行A/D芯片的时钟信号、控制信号以及数据获取。在响应时间允许情况下，可由FPGA控制路选器实现单枚A/D芯片的多路模拟信号采集。A/D采样控制及数字滤波模块还对采集的信号进行数据滤波。由于控制指令及位移传感器目前常用方式仍为低频电压信号，易受到***其它部分干扰，另外A/D采样本身也会引入噪声，对A/D转换后的数字信号进行滤波，能对模拟滤波电路起到补充作用，更好地还原真实信号。根据对噪声特性的不同，采用中值滤波或FIR滤波，实现信号还原。
故障检测模块11处理欠电压、过电压、过电流、舵机角度异常等信号，实现故障汇报与***保护。故障检测模块11对各运行参数实现智能判断，若出现致命异常情况时，FPGA将重新导入配置文件重启***。连续多次重启***仍为故障状态，则停止PWM模块13的输出，等待上位机处理。
状态指示12控制两个LED指示灯闪烁方式，通过两个LED灯组合闪烁频率的不同，表征不同运行状态。方便***调试，形成产品可取消这部分电路。
PID运算模块14是FPGA模块1的运算核心部分，采用先进的数字PID算法实现多路舵机的闭环控制。FPGA强大的数据处理能力使得现代控制理论、模糊控制理论和神经网络理论等一些复杂算法数字化得以实现，控制策略得以优化，为高性能伺服***提供了实现手段。由FPGA实现的舵机控制器，可根据飞行环境特性以及可靠性要求，采用分段PID算法或模糊参数自整定PID算法，以后通过修改FPGA程序可更新更先进的控制算法。舵机控制是采用位置闭环、速度闭环、过电流时间限制综合实现。
PWM生成模块13有多路，是将各路的PID运算结果转化为“H”桥或三相桥驱动信号。各输出信号为脉宽调制信号，根据电机特性或应用情况的不同，可以为双极性脉宽调制信号或单极性脉宽调制信号，分别满足快速性需求或低功耗需求。
FPGA模块1的内部由全局时钟信号驱动，各功能模块并行处理。采用模拟通信模式工作时，各路指令电压信号和舵机反馈电压信号通过A/D采样控制10经控制中心6进入PID运算模块14，得到控制指令与反馈位置的量化差值，PID运算模块14通过控制中心6从RAM7内的各种初始值获得PID运算参数，由PID运算模块14运算得到的控制量送入PWM生成模块13，根据RAM7中的电机模式值的不同，得到有刷电机“H”桥驱动信号，或者是无刷直流电机模式，结合霍尔信号，得到三相桥驱动信号。采用数字通信模式工作时，直接由UART8或1553b9经控制中心6将各路控制指令的值送入PID运算模块14。
FPGA模块1的各模块的参数值是在固定频率下通过控制中心6从RAM7获取，运行状态参数也会按一定频率写入RAM7，因此可以通过UART8或1553b9来更改RAM7的内存值，从而调整控制参数。另外也可以通过UART8或1553b9来读取运行状态。各模块与RAM7的数据交换由控制中心6协调完成。故障检测模块11从电机驱动模块5得到电路运行情况，从PID运算模块14得到控制指令和反馈位置信号，通过预先设定的情况判断***运行是否正常，并通过UART8或1553b9送回上位机。出现致命情况时重启***，多次重启仍出错情况关闭驱动电路，等待上位机作进一步操作。
FPGA模块1由Altera公司的EP1C6T144I7芯片及***电路构成，***电路如图3、4、5所示。其内部的各功能均采用VHDL或Verilog HDL硬件描述语言编写生成，不涉及其它公司的IP核。
电源模块2完成控制器所需的各种电压的转换。如图6所示，包括DC/DC电源模块与两路低压差电压调节器，DC/DC电源模块与低压差电压调节器串联，两路低压差电压调节器LDO并联。先由DC/DC电源模块将28VDC电源转换为15VDC和5VDC，再由低压差电压调节器LDO将5VDC转化为3.3VDC和1.5VDC。电源模块2采用朝阳电源厂的4NIC-DC6转换器和低压差电压调节器。
数字通信模块3实现信号电压变换、通信隔离等功能。如图7所示，包括1553b接口芯片及***电路和UART接口芯片及***电路，1553b通信为RT工作模式。数字通信模块3采用HI-1567接口芯片。
信号调理及A/D转换模块4完成位移传感器信号采集以及模拟通信信号的采集与传递。舵机控制器模拟通信信号是多路-10V～+10V电压信号，分别代表各路舵机对应角度。信号调理及A/D转换模块4实现接收上位机模拟控制指令电压信号以及给上位机返回各路舵机实时角度位置的模拟电压信号，还完成对舵机角位移传感器信号的模数转换。为减小***其它部分对模拟信号的干扰，信号调理及A/D转换模块4与FPGA模块1之间采用ADuM1400系列数字隔离器实现隔离。如图8所示，信号调理及A/D转换模块4由BB公司的ADS7818、Philips公司的HEF4051、运算放大器TLV2374及辅助电路组成，在FPGA控制下实现各模拟信号的分时采样。
电机驱动模块5是由多片三相桥驱动芯片、辅助电路和功率开关管组成，三相桥驱动芯片及自举电路将弱的控制信号转化为功率开关管所需的上、下桥臂驱动信号；功率开关管组成的三相桥电路的总电流经过采样电阻将电流信号传递回三相桥驱动芯片。根据输入信号的不同，电机驱动模块可为H桥或三相桥，实现多路有刷直流伺服电机或无刷直流伺服电机的驱动。各输出信号为脉宽调制信号，根据电机特性或应用情况的不同，可以为双极性脉宽调制信号或单极性脉宽调制信号，分别满足快速性需求或低功耗需求。如图9所示，电机驱动模块5由多路相同结构IR公司的IRS2136和IRFS4710及辅助电路组成，实现电机驱动。
本实用新型未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1、基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：包括FPGA模块(1)、电源模块(2)、数字通信模块(3)、信号调理及A/D转换模块(4)和电机驱动模块(5)，电源模块(2)分别与FPGA模块(1)、数字通信模块(3)、信号调理及A/D转换模块(4)和电机驱动模块(5)相连并提供相应电源，FPGA模块(1)与数字通信模块(3)、信号调理及A/D转换模块(4)以及电机驱动模块(5)数据线连接，并控制数字通信模块(3)、信号调理及A/D转换模块(4)和电机驱动模块(5)，信号调理及A/D转换模块(4)将上位机模拟电压信号和舵机角位移传感器的模拟信号转换为数字信号后传输到FPGA模块(1)，上位机的数字信号直接进入数字通信模块(3)后传输到FPGA模块(1)，FPGA模块(1)接受到数字信号后，进行数据并行处理，FPGA模块(1)将处理好的信号送到电机驱动模块(5)，电机驱动模块(5)根据FPGA模块(1)输入的信号，形成H桥或三相桥驱动信号，驱动多路舵机。
2、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的FPGA模块(1)包括控制中心模块(6)、RAM模块(7)、UART模块(8)、1553b模块(9)、A/D采样控制及数字滤波模块(10)、故障检测模块(11)、状态指示模块(12)、PWM生成模块(13)和PID运算模块(14)，控制中心模块(6)分别与RAM模块(7)、UART模块(8)、1553b模块(9)、A/D采样控制及数字滤波模块(10)、故障检测模块(11)、状态指示模块(12)和PID运算模块(14)数据线连接，PID运算模块(14)与PWM生成模块(13)数据线相连，控制中心模块(6)控制各模块间的数据传递，UART模块(8)、1553b模块(9)根据数字通信模块(3)传入的数字信号向控制中心模块(6)传送读或写数据请求，控制中心(6)将RAM模块(7)中相应的数据送到UART模块(8)、1553b模块(9)或将传送的数据写入RAM模块(7)中的相应位置并送入PID运算模块(14)，A/D采样控制及数字滤波模块(10)将从信号调理及A/D转换模块(4)获取的控制及反馈数据送给PID运算模块(14)，同时把数据经由控制中心(6)写入RAM模块(7)中的相应位置，PID运算模块(14)结合通过控制中心(6)从RAM模块(7)获取的PID调节参数对接受到的数据进行PID运算并将PID运算的结果传送到PWM模块(13)，PWM模块(13)根据PID运算的结果和通过控制中心(6)从RAM模块(7)中获取的电机启停指令，控制多路舵机。
3、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的电源模块(2)包括DC/DC电源模块和两路低压差电压调节器LDO，DC/DC电源模块与低压差电压调节器串联，两路低压差电压调节器LDO并联，DC/DC电源模块将28VDC电源转换为15VDC和5VDC，两路低压差电压调节器LDO将5VDC转化为3.3VDC和1.5VDC。
4、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的数字通信模块(3)包括RT工作模式的1553b总线通信接口和UART通信接口，两个接口独立工作。
5、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的信号调理及A/D转换模块(4)由TLV2374芯片、HEF4051芯片、ADS7818芯片及辅助电路组成，两个TLV2374芯片将上位机四路模拟电压信号和舵机角位移传感器的四路模拟信号调理至0～5VDC，由HEF4051分时将信号送给ADS7818完成多路信号的A/D转换。
6、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的电机驱动模块(5)由多片三相桥驱动芯片和功率开关管及辅助电路组成，三相桥驱动芯片及辅助电路将FPGA模块(1)输入的控制信号转化为功率开关管所需的上、下桥臂驱动信号，由功率开关管组成的三相桥电路的总电流经过功率开关管的采样电阻将电流信号传递回三相桥驱动芯片。
7、根据权利要求3所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的FPGA模块(1)采用VHDL或Verilog HDL硬件描述语言编写的EP1C6T144I7芯片。
8、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的信号调理及A/D转换模块(4)与FPGA模块(1)之间采用ADuM1400系列数字隔离器隔离。
9、根据权利要求1所述的基于FPGA的电动舵机控制器，其特征在于：所述的数字通信模块(3)采用HI-1567接口芯片。
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