專利名稱：基于fpga的電動舵機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及飛行器電動舵機(jī)控制器，特別是涉及一種基于FPGA實(shí)現(xiàn) 的高集成度、高可靠的，對飛行器多路舵機(jī)實(shí)現(xiàn)集成控制的數(shù)字式電動舵機(jī)控 制器。
背景技術(shù)：
舵機(jī)系統(tǒng)是飛控作動系統(tǒng)的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一，它的各種性能的提高是進(jìn)一 步改進(jìn)飛控系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)。近年來，電動舵機(jī)以其簡單可靠、成本低、 易于控制等特性得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高飛行器的機(jī)動能力，使其完成更 復(fù)雜的飛行任務(wù)，就需要研發(fā)更高性能的電動舵機(jī)伺服系統(tǒng)，使其能夠快速地 控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角，最大程度地實(shí)現(xiàn)電動舵機(jī)的動態(tài)性能。
目前，電動舵機(jī)控制器以模擬實(shí)現(xiàn)為主，采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算及 PWM波型生成。其工作原理為由運(yùn)算放大器加法電路將控制模擬信號和反 饋模擬信號作差；將差值分別送入由運(yùn)算放大器組成的比例電路、積分電路及 微分電路；再將三路信號求和得到PID運(yùn)算結(jié)果，電路中必須加入相應(yīng)的相位 校正網(wǎng)絡(luò)。若為多環(huán)控制，則由多個(gè)上述PID運(yùn)算電路組成多環(huán)PID運(yùn)算電路。 接著，由運(yùn)算放大器振蕩電路組成的三角波發(fā)生器信號與PID運(yùn)算結(jié)果信號被 送入運(yùn)算放大器比較電路，得出PWM波形信號。最后通過功率放大電路驅(qū)動 電機(jī)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制。使用模擬線路作為控制器雖然有控制平滑的優(yōu)點(diǎn)，但是 也存在許多固有的缺點(diǎn)，如控制線路體積較大、限制新控制方法的使用、電路 參數(shù)變化對伺服回路的特性影響較大、伺服回路可測試性差、可靠性差、切換 保護(hù)邏輯復(fù)雜、余度管理復(fù)雜等。
電動舵機(jī)控制器采用數(shù)字控制技術(shù)是未來的一種趨勢。FPGA器件是將半 定制的門陣列電路的優(yōu)點(diǎn)和可編程邏輯器件的用戶可編程特性結(jié)合在一起，使其不僅包含大量的門電路，速度快，功耗低，使設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)小型
化、集成化和高可靠性，而且器件具有用戶可編程特性。僅用一片F(xiàn)PGA芯片
就可構(gòu)造許多電子系統(tǒng)，不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字集成電路，而且還可以代替
一般的PLD器件和半定制的ASIC,適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著FPGA功能 的完善以及規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在FPGA內(nèi)部就能生成功能強(qiáng)大的CPU核以及 DSP核，用戶就能輕松地構(gòu)建不但具備多任務(wù)快速響應(yīng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而且 能夠快速地對數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理的功能強(qiáng)大的單芯片伺服控制器。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于FPGA 的線路簡單、可靠性強(qiáng)、集成度高的電動舵機(jī)控制器。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，包括FPGA 模塊、電源模塊、數(shù)字通信模塊、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊， 電源模塊分別與FPGA模塊、數(shù)字通信模塊、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊和電機(jī) 驅(qū)動模塊相連并提供相應(yīng)電源，F(xiàn)PGA模塊與數(shù)字通信模塊、信號調(diào)理及A/D 轉(zhuǎn)換模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊數(shù)據(jù)線連接，并控制數(shù)字通信模塊、信號調(diào)理及A/D 轉(zhuǎn)換模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊，信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊將上位機(jī)模擬電壓信號和 舵機(jī)角位移傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸?shù)紽PGA模塊，上位機(jī)的 數(shù)字信號直接進(jìn)入數(shù)字通信模塊后傳輸?shù)紽PGA模塊，F(xiàn)PGA模塊接受到數(shù)字 信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)并行處理，F(xiàn)PGA模塊將處理好的信號送到電機(jī)驅(qū)動模塊， 電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)FPGA模塊輸入的信號，形成H橋或三相橋驅(qū)動信號，驅(qū) 動多路舵機(jī)。
所述的FPGA模塊包括控制中心模塊、RAM模塊、UART模塊、1553b 模塊、A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊、故障檢測模塊、狀態(tài)指示模塊、PWM生 成模塊和PID運(yùn)算模塊，控制中心模塊分別與RAM模塊、UART模塊、1553b 模塊、A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊、故障檢測模塊、狀態(tài)指示模塊和PID運(yùn) 算模塊數(shù)據(jù)線連接，PID運(yùn)算模塊與PWM生成模塊數(shù)據(jù)線相連，控制中心模塊控制各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，UART模塊、1553b模塊根據(jù)數(shù)字通信模塊傳入 的數(shù)字信號向控制中心模塊傳送讀或?qū)憯?shù)據(jù)請求，控制中心將RAM模塊中相 應(yīng)的數(shù)據(jù)送到UART模塊、1553b模塊或?qū)魉偷臄?shù)據(jù)寫入RAM模塊中的相 應(yīng)位置并送入PID運(yùn)算模塊，A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊將從信號調(diào)理及A/D 轉(zhuǎn)換模塊獲取的控制及反饋數(shù)據(jù)送給PID運(yùn)算模塊，同時(shí)把數(shù)據(jù)經(jīng)由控制中心 寫入RAM模塊中的相應(yīng)位置，PID運(yùn)算模塊結(jié)合通過控制中心從RAM模塊獲 取的PID調(diào)節(jié)參數(shù)對接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算并將PID運(yùn)算的結(jié)果傳送到 PWM模塊，PWM模塊根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果和通過控制中心從RAM模塊中獲 取的電機(jī)啟停指令，控制多路舵機(jī)。
所述的電源模塊包括DC/DC電源模塊和兩路低壓差電壓調(diào)節(jié)器LDO, DC/DC電源模塊與低壓差電壓調(diào)節(jié)器串聯(lián)，兩路低壓差電壓調(diào)節(jié)器LDO并聯(lián)， DC/DC電源模塊將28VDC電源轉(zhuǎn)換為15VDC和5VDC,兩路低壓差電壓調(diào) 節(jié)器LDO將5VDC轉(zhuǎn)化為3.3VDC和1.5VDC。
所述的數(shù)字通信模塊包括RT工作模式的1553b總線通信接口和UART通 信接口，兩個(gè)4妄口獨(dú)立工作。
所述的信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊由TLV2374芯片、HEF4051芯片、 ADS7818芯片及輔助電路組成，兩個(gè)TLV2374芯片將上位機(jī)四路模擬電壓信 號和舵機(jī)角位移傳感器的四踏4莫擬信號調(diào)理至0 ~ 5VDC，由HEF4051分時(shí)將 信號送給ADS7818完成多路信號的A/D轉(zhuǎn)換。
所述的電機(jī)驅(qū)動模塊由多片三相橋驅(qū)動芯片和功率開關(guān)管及輔助電路組 成，三相橋驅(qū)動芯片及輔助電路將FPGA模塊輸入的控制信號轉(zhuǎn)化為功率開關(guān) 管所需的上、下橋臂驅(qū)動信號，由功率開關(guān)管組成的三相橋電路的總電流經(jīng)過 功率開關(guān)管的采樣電阻將電流信號傳遞回三相橋驅(qū)動芯片。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為 (1)本實(shí)用新型采用FPGA模塊，控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，可不斷地改進(jìn) 控制算法來提高系統(tǒng)性能，這種改進(jìn)只涉及軟件，不更改或很少更改硬件，因而實(shí)現(xiàn)非常容易，且繼承性好；
(2) 本實(shí)用新型采用FPGA模塊能實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)集成控制，相對于多個(gè) 模擬器件實(shí)現(xiàn)控制算法的舵機(jī)控制器，集成度高，性能可靠；
(3) 本實(shí)用新型的FPGA模塊通過通信接口連接控制系統(tǒng)和智能化的自 動測試設(shè)備，在測試軟件的支持下進(jìn)行調(diào)試，并將調(diào)試的最佳參數(shù)固化，這種 固化參數(shù)不隨時(shí)間而改變，使控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、 一致；
(4 )本實(shí)用新型采用數(shù)字式通信可從根本上解決模擬信號傳輸所引起的信 號衰減及串?dāng)_問題；
(5)本實(shí)用新型采用FPGA模塊具有用戶可編程的特性。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型的FPGA模塊結(jié)構(gòu)示意圖3為本實(shí)用新型的FPGA外圍電路原理圖4為本實(shí)用新型的FPGA外圍電路原理圖5為本實(shí)用新型的FPGA外圍電路原理圖6為本實(shí)用新型的電源模塊原理圖7為本實(shí)用新型的數(shù)字通信模塊原理圖8為本實(shí)用新型的信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊原理圖9為本實(shí)用新型的電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖。
具體實(shí)施方式

如圖1所示，基于FPGA的電動舵機(jī)控制器包括FPGA模塊1、電源模塊 2、數(shù)字通信模塊3、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊4以及四路電機(jī)驅(qū)動模塊5。電 源模塊2分別與其它四種模塊相連，提供相應(yīng)的電源；FPGA模塊1與數(shù)字通 信模塊3、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊4以及電機(jī)驅(qū)動模塊5相連，對各模塊實(shí) 現(xiàn)控制。
FPGA模塊1由FPGA芯片及外圍電路構(gòu)成，內(nèi)部采用數(shù)據(jù)并行處理，能同時(shí)高速高效地完成多項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信、信號采集、數(shù)字濾波、多路舵
機(jī)的伺服控制算法和故障診斷，控制其它各個(gè)模塊工作。FPGA芯片如圖2所 示內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，由多個(gè)功能模塊組成，包括控制中心模塊6、 RAM模 塊7、 UART模塊8、 1553b模塊9、 A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊10、故障 檢測模塊11 、狀態(tài)指示模塊12、 PWM生成模塊13和PID運(yùn)算模塊14。
控制中心6為FPGA的內(nèi)部核心，擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)角色，協(xié)調(diào)其它功能模塊 正常工作，控制各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞。當(dāng)從UART模塊或1553b模塊傳來數(shù)據(jù) 讀寫請求時(shí)，控制中心就將RAM模塊中相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到UART模塊或1553b 模塊，或者將數(shù)據(jù)寫入RAM模塊中相應(yīng)位置；A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊 獲取的控制及反饋數(shù)據(jù)在送給各PID運(yùn)算模塊的同時(shí)，也會把數(shù)據(jù)經(jīng)由控制中 心寫入RAM模塊中相應(yīng)位置。PID運(yùn)算模塊所需的PID調(diào)節(jié)參數(shù)同樣通過控 制中心按一定時(shí)間間隔從RAM模塊獲取。PWM模塊所需的電機(jī)啟停指令也是 通過控制中心從RAM模塊中獲取。控制中心通過定時(shí)分配以及優(yōu)先級控制處 理各模塊的數(shù)據(jù)傳遞沖突。
RAM 7為128字節(jié)的雙口隨機(jī)存取內(nèi)存，各種通信數(shù)據(jù)、A/D采樣數(shù)據(jù)、 運(yùn)行參數(shù)、PID運(yùn)算參數(shù)等均實(shí)時(shí)存入RAM7內(nèi)。
UART 8是通用異步收發(fā)器協(xié)議模塊，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信，在線查詢或更 改運(yùn)行參數(shù)、PID運(yùn)算參數(shù)等。1553b9為飛機(jī)內(nèi)部時(shí)分制命令/響應(yīng)式多路復(fù) 用數(shù)據(jù)總線協(xié)議模塊，為遠(yuǎn)程終端(RT)工作模塊，實(shí)現(xiàn)與彈載計(jì)算機(jī)的數(shù)字 通信，控制各路舵機(jī)偏轉(zhuǎn)以及返回舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。UART模塊8和1553b 模塊9組成了 FPGA模塊1的數(shù)字通信部分。由于FPGA硬件結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)者編 程生成，根據(jù)彈載計(jì)算機(jī)通信要求，可以實(shí)現(xiàn)如奇偶校驗(yàn)、冗余碼校驗(yàn)、糾錯(cuò) 編碼等數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)各種特定數(shù)據(jù)指令的解讀及特定指定反饋，所 有數(shù)據(jù)處理由硬件實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好。
A/D釆樣控制及數(shù)字濾波10實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器及多路選通器控制，完成 多路模擬信號的分時(shí)采集。A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊10由于FPGA接口可自由編制，能靈活實(shí)現(xiàn)并行A/D芯片或串行A/D芯片的時(shí)鐘信號、控制信號 以及數(shù)據(jù)獲取。在響應(yīng)時(shí)間允許情況下，可由FPGA控制路選器實(shí)現(xiàn)單枚A/D 芯片的多路模擬信號采集。A/D采樣控制及數(shù)字濾波^^莫塊還對采集的信號進(jìn)行 數(shù)據(jù)濾波。由于控制指令及位移傳感器目前常用方式仍為低頻電壓信號，易受 到系統(tǒng)其它部分干擾，另外A/D采樣本身也會引入噪聲，對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 信號進(jìn)行濾波，能對模擬濾波電路起到補(bǔ)充作用，更好地還原真實(shí)信號。根據(jù) 對噪聲特性的不同，采用中值濾波或FIR濾波，實(shí)現(xiàn)信號還原。
故障檢測模塊11處理欠電壓、過電壓、過電流、舵機(jī)角度異常等信號，實(shí) 現(xiàn)故障匯報(bào)與系統(tǒng)保護(hù)。故障檢測模塊11對各運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)智能判斷，若出現(xiàn) 致命異常情況時(shí)，F(xiàn)PGA將重新導(dǎo)入配置文件重啟系統(tǒng)。連續(xù)多次重啟系統(tǒng)仍 為故障狀態(tài)，則停止PWM模塊13的輸出，等待上位機(jī)處理。
狀態(tài)指示12控制兩個(gè)LED指示燈閃爍方式，通過兩個(gè)LED燈組合閃爍頻 率的不同，表征不同運(yùn)行狀態(tài)。方便系統(tǒng)調(diào)試，形成產(chǎn)品可取消這部分電路。
PID運(yùn)算模塊14是FPGA模塊1的運(yùn)算核心部分，采用先進(jìn)的數(shù)字PID 算法實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)的閉環(huán)控制。FPGA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使得現(xiàn)代控制理論、 模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等一些復(fù)雜算法數(shù)字化得以實(shí)現(xiàn)，控制策略得以 優(yōu)化，為高性能伺服系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)手段。由FPGA實(shí)現(xiàn)的舵機(jī)控制器，可根 據(jù)飛行環(huán)境特性以及可靠性要求，釆用分段PID算法或模糊參數(shù)自整定PID算 法，以后通過修改FPGA程序可更新更先進(jìn)的控制算法。舵機(jī)控制是采用位置 閉環(huán)、速度閉環(huán)、過電流時(shí)間限制綜合實(shí)現(xiàn)。
PWM生成模塊13有多路，是將各路的PID運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為"H"橋或三 相橋驅(qū)動信號。各輸出信號為脈寬調(diào)制信號，根據(jù)電機(jī)特性或應(yīng)用情況的不同， 可以為雙極性脈寬調(diào)制信號或單極性脈寬調(diào)制信號，分別滿足快速性需求或低 功耗需求。
FPGA模塊1的內(nèi)部由全局時(shí)鐘信號驅(qū)動，各功能模塊并行處理。采用模 擬通信模式工作時(shí)，各路指令電壓信號和舵機(jī)反饋電壓信號通過A/D采樣控制10經(jīng)控制中心6進(jìn)入PID運(yùn)算模塊14，得到控制指令與反饋位置的量化差值， PID運(yùn)算模塊14通過控制中心6從RAM7內(nèi)的各種初始值獲得PID運(yùn)算參數(shù)， 由PID運(yùn)算模塊14運(yùn)算得到的控制量送入PWM生成模塊13，根據(jù)RAM7中 的電機(jī)模式值的不同，得到有刷電機(jī)"H"橋驅(qū)動信號，或者是無刷直流電機(jī) 模式，結(jié)合霍爾信號，得到三相橋驅(qū)動信號。采用數(shù)字通信模式工作時(shí)，直接 由UART8或1553b9經(jīng)控制中心6將各路控制指令的值送入PID運(yùn)算模塊14。
FPGA模塊1的各模塊的參數(shù)值是在固定頻率下通過控制中心6從RAM7 獲取，運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)也會按一定頻率寫入RAM7,因此可以通過UART8或 1553b9來更改RAM7的內(nèi)存值，從而調(diào)整控制參數(shù)。另外也可以通過UART8 或1553b9來讀取運(yùn)行狀態(tài)。各模塊與RAM7的數(shù)據(jù)交換由控制中心6協(xié)調(diào)完 成。故障檢測模塊11從電機(jī)驅(qū)動模塊5得到電路運(yùn)行情況，從PID運(yùn)算模塊 14得到控制指令和反饋位置信號，通過預(yù)先設(shè)定的情況判斷系統(tǒng)運(yùn)行是否正 常，并通過UART8或1553b9送回上位機(jī)。出現(xiàn)致命情況時(shí)重啟系統(tǒng)，多次重 啟仍出錯(cuò)情況關(guān)閉驅(qū)動電路，等待上位機(jī)作進(jìn)一 步操作。
FPGA才莫塊1由Altera公司的EP1C6T144I7芯片及外圍電路構(gòu)成，外圍 電路如圖3、 4、 5所示。其內(nèi)部的各功能均采用VHDL或VerilogHDL硬件描 述語言編寫生成，不涉及其它公司的IP核。
電源模塊2完成控制器所需的各種電壓的轉(zhuǎn)換。如圖6所示，包括DC/DC 電源模塊與兩路低壓差電壓調(diào)節(jié)器，DC/DC電源模塊與低壓差電壓調(diào)節(jié)器串 聯(lián)，兩路低壓差電壓調(diào)節(jié)器LDO并聯(lián)。先由DC/DC電源模塊將28VDC電源 轉(zhuǎn)換為15VDC和5VDC,再由低壓差電壓調(diào)節(jié)器LDO將5VDC轉(zhuǎn)化為3.3VDC 和1.5VDC。電源模塊2采用朝陽電源廠的4NIC-DC6轉(zhuǎn)換器和低壓差電壓調(diào) 節(jié)器。
數(shù)字通信模塊3實(shí)現(xiàn)信號電壓變換、通信隔離等功能。如圖7所示，包括 1553b接口芯片及外圍電路和UART接口芯片及外圍電路，1553b通信為RT 工作模式。數(shù)字通信模塊3采用Hl-1567接口芯片。信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊4完成位移傳感器信號采集以及模擬通信信號的 采集與傳遞。舵機(jī)控制器模擬通信信號是多路-10V +10V電壓信號，分別代 表各路舵機(jī)對應(yīng)角度。信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊4實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)模擬控制指 令電壓信號以及給上位機(jī)返回各路舵機(jī)實(shí)時(shí)角度位置的模擬電壓信號，還完成 對舵機(jī)角位移傳感器信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。為減小系統(tǒng)其它部分對模擬信號的干擾， 信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊4與FPGA模塊1之間采用ADuM1400系列數(shù)字隔 離器實(shí)現(xiàn)隔離。如圖8所示，信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊4由BB公司的ADS7818、 Philips公司的HEF4051、運(yùn)算放大器TLV2374及輔助電路組成，在FPGA控 制下實(shí)現(xiàn)各模擬信號的分時(shí)采樣。
電機(jī)驅(qū)動模塊5是由多片三相橋驅(qū)動芯片、輔助電路和功率開關(guān)管組成， 三相橋驅(qū)動芯片及自舉電路將弱的控制信號轉(zhuǎn)化為功率開關(guān)管所需的上、下橋 臂驅(qū)動信號；功率開關(guān)管組成的三相橋電路的總電流經(jīng)過采樣電阻將電流信號 傳遞回三相橋驅(qū)動芯片。根據(jù)輸入信號的不同，電機(jī)驅(qū)動模塊可為H橋或三相 橋，實(shí)現(xiàn)多路有刷直流伺服電機(jī)或無刷直流伺服電機(jī)的驅(qū)動。各輸出信號為脈 寬調(diào)制信號，根據(jù)電機(jī)特性或應(yīng)用情況的不同，可以為雙極性脈寬調(diào)制信號或 單極性脈寬調(diào)制信號，分別滿足快速性需求或低功耗需求。如圖9所示，電機(jī) 驅(qū)動模塊5由多路相同結(jié)構(gòu)IR公司的IRS2136和IRFS4710及輔助電路組成， 實(shí)現(xiàn)電才幾驅(qū)動。
本實(shí)用新型未詳細(xì)說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求1、基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于包括FPGA模塊(1)、電源模塊(2)、數(shù)字通信模塊(3)、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)和電機(jī)驅(qū)動模塊(5)，電源模塊(2)分別與FPGA模塊(1)、數(shù)字通信模塊(3)、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)和電機(jī)驅(qū)動模塊(5)相連并提供相應(yīng)電源，F(xiàn)PGA模塊(1)與數(shù)字通信模塊(3)、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)以及電機(jī)驅(qū)動模塊(5)數(shù)據(jù)線連接，并控制數(shù)字通信模塊(3)、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)和電機(jī)驅(qū)動模塊(5)，信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)將上位機(jī)模擬電壓信號和舵機(jī)角位移傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸?shù)紽PGA模塊(1)，上位機(jī)的數(shù)字信號直接進(jìn)入數(shù)字通信模塊(3)后傳輸?shù)紽PGA模塊(1)，F(xiàn)PGA模塊(1)接受到數(shù)字信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)并行處理，F(xiàn)PGA模塊(1)將處理好的信號送到電機(jī)驅(qū)動模塊(5)，電機(jī)驅(qū)動模塊(5)根據(jù)FPGA模塊(1)輸入的信號，形成H橋或三相橋驅(qū)動信號，驅(qū)動多路舵機(jī)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的FPGA模塊(1 )包括控制中心模塊(6)、 RAM模塊(7)、 UART模塊(8)、 1553b模塊(9)、 A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊(10)、故障檢測模塊 (11)、狀態(tài)指示模塊(12)、 PWM生成模塊(13)和PID運(yùn)算模塊(14), 控制中心模塊(6)分別與RAM模塊(7 )、 UART模塊(8 )、 1553b模塊(9 )、 A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊(10 )、故障檢測模塊(11 )、狀態(tài)指示模塊(12 ) 和PID運(yùn)算模塊(14)數(shù)據(jù)線連接，PID運(yùn)算模塊(14)與PWM生成模塊(13) 數(shù)據(jù)線相連，控制中心模塊(6)控制各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，UART模塊(8 )、 1553b模塊(9)根據(jù)數(shù)字通信模塊(3)傳入的數(shù)字信號向控制中心模塊(6) 傳送讀或?qū)憯?shù)據(jù)請求，控制中心(6)將RAM模塊(7)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到UART 模塊(8)、 1553b模塊(9)或?qū)魉偷臄?shù)據(jù)寫入RAM模塊(7)中的相應(yīng)位 置并送入PID運(yùn)算模塊(14), A/D采樣控制及數(shù)字濾波模塊(10)將從信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4 )獲取的控制及反饋數(shù)據(jù)送給PID運(yùn)算模塊(14 ),同 時(shí)把數(shù)據(jù)經(jīng)由控制中心(6)寫入RAM模塊(7)中的相應(yīng)位置，PID運(yùn)算才莫 塊(14)結(jié)合通過控制中心(6)從RAM模塊(7)獲取的PID調(diào)節(jié)參數(shù)對接 受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算并將PID運(yùn)算的結(jié)果傳送到PWM模塊(13 )， PWM 模塊(13)根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果和通過控制中心(6)從RAM模塊(7)中獲 取的電機(jī)啟停指令，控制多路舵機(jī)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的電源模塊(2)包括DC/DC電源模塊和兩路低壓差電壓調(diào)節(jié)器LDO, DC/DC電源模塊與低壓差電壓調(diào)節(jié)器串聯(lián)，兩路低壓差電壓調(diào)節(jié)器LDO并聯(lián)， DC/DC電源模塊將28VDC電源轉(zhuǎn)換為15VDC和5VDC,兩路低壓差電壓調(diào) 節(jié)器LDO將5VDC轉(zhuǎn)化為3.3VDC和1.5VDC。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的數(shù)字通信模塊(3)包括RT工作模式的1553b總線通信接口和UART il/f言^妄口，兩個(gè)4妄口獨(dú)立工<卡。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)由TLV2374芯片、HEF4051芯片、 ADS7818芯片及輔助電路組成，兩個(gè)TLV2374芯片將上位機(jī)四路模擬電壓信 號和舵機(jī)角位移傳感器的四贈4莫擬信號調(diào)理至0 ~ 5VDC,由HEF4051分時(shí)將 信號送給ADS7818完成多路信號的A/D轉(zhuǎn)換。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的電機(jī)驅(qū)動模塊(5 )由多片三相橋驅(qū)動芯片和功率開關(guān)管及輔助電路組成， 三相橋驅(qū)動芯片及輔助電路將FPGA模塊(1 )輸入的控制信號轉(zhuǎn)化為功率開 關(guān)管所需的上、下橋臂驅(qū)動信號，由功率開關(guān)管組成的三相橋電路的總電流經(jīng) 過功率開關(guān)管的采樣電阻將電流信號傳遞回三相橋驅(qū)動芯片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的FPGA模塊(1 )采用VHDL或Verilog HDL硬件描述語言編寫的EP1C6T144I7芯片。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)與FPGA模塊(1 )之間采用ADuM1400 系列數(shù)字隔離器隔離。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的電動舵機(jī)控制器，其特征在于 所述的數(shù)字通信模塊(3)采用Hl-1567接口芯片。
專利摘要基于FPGA的電動舵機(jī)控制器包括FPGA模塊、電源模塊、數(shù)字通信模塊、信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊，本實(shí)用新型采用FPGA能通過不斷改進(jìn)控制算法來提高系統(tǒng)性能，能實(shí)現(xiàn)多路舵機(jī)集成控制，集成度高，性能可靠，系統(tǒng)具有可測性，從根本上解決模擬式電動舵機(jī)控制器模擬信號傳輸所引起的信號衰減及串?dāng)_問題。
文檔編號B64C13/50GK201371945SQ20082023384
公開日2009年12月30日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者吳澤勇, 李天義, 帥 陳 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司烽火機(jī)械廠