舵機是控制飛行器運動方向的關鍵部件,。隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，提高舵機伺服系統(tǒng)的性能成為當前的迫切需要,。為此,，設計者在考慮到諧波傳動的隨速度波動和低阻尼特點的基礎上，以提高舵機系統(tǒng)控制品質為目標,，提出了一種新型舵機控制系統(tǒng),。該硬件系統(tǒng)以CYPRESS公司的CY7C68013處理器為核心，結合使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和高性能的模/數(shù)轉換器（ADC）,，并通過USB2.0總線接口實現(xiàn)了PC機與CY7C68013處理器之間的參數(shù)傳送,。
　　由于舵機系統(tǒng)對定位精度、頻率響應特性,、階躍響應特性和震蕩次數(shù)等因素有著非常高的要求,，因此其測試數(shù)據(jù)、分析曲線和指示結果是分析,、判定系統(tǒng)性能和工作狀態(tài)的重要依據(jù)和手段,。本文所涉及的控制器具有USB2.0總線接口,，它負責與PC機通信，這使得控制器在運行中產(chǎn)生的各種參數(shù)和變量能夠實時地傳送并在CRT上顯示,，極大地方便了對參數(shù)變化趨勢的觀察和控制過程的判斷分析,，為加快參數(shù)的整定奠定了基礎。
1 系統(tǒng)的構成與工作原理
1.1 系統(tǒng)的構成
　　如圖1所示,，系統(tǒng)由主控板卡,、電機驅動" title="電機驅動">電機驅動板卡、微型計算機以及包括力矩伺服電機,、諧波減速器及其位置電位計的舵機組成,。其中，主控板卡為該系統(tǒng)的核心組成部分,，運算處理器采用CYPRESS公司的CY7C68013芯片,。

1.2 系統(tǒng)的工作原理
　　本系統(tǒng)由上位微機發(fā)送控制指令，經(jīng)由USB2.0總線傳送至主控板卡,。主控板卡將采集到的舵機實時位置數(shù)據(jù)與上位機" title="上位機">上位機傳來的位置指令數(shù)據(jù)代入到增量式分段離散PID控制算法" title="控制算法">控制算法中進行運算,。處理后得到的PWM調制波形作為電機驅動板卡的輸入信號，通過電機驅動板卡上的H橋電路對電機進行驅動,，進而完成對電機的控制,。另外，主控板卡還將舵機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由USB2.0總線上行傳送至上位微機,，由PC機測控應用程序" title="應用程序">應用程序對其進行后期分析處理,。
2 系統(tǒng)的硬件電路描述
2.1主控板卡部分
2.1.1主控板卡的構成
　　在整個硬件系統(tǒng)中，主控板是核心的部分,。該板卡的原理框圖如圖2所示,。此板卡的主控芯片為CY7C68013處理器，其內部嵌有USB2.0總線控制器,，用戶可通過USB串行總線與計算機進行高速實時通信,。FPGA采用的是ALTERA公司的EP1C3T144C8,由Flash 存儲器EPCS1對其進行上電初始化配置。主控板卡的舵機位置反饋給A/D轉換電路,，這里采用的是ADI公司的AD9241模/數(shù)轉換器及與其匹配的電壓基準源REF192,，對反饋的舵偏角度模擬信號進行數(shù)字轉換。在舵機電位器產(chǎn)生的表征角度值的反饋電壓信號送至ADC以前,，為了排除高頻干擾,，加入了一個以OP77運算放大器為核心的二階壓控低通濾波環(huán)節(jié)。

2.1.2 主控板卡的功能
　　主控板卡不但承擔著執(zhí)行來自上位機的控制指令并將指令執(zhí)行的實時狀態(tài)上行送至上位機的任務,，而且還要將經(jīng)過處理器運算產(chǎn)生的相應占空比" title="占空比">占空比的PWM信號送至電機驅動板卡,，實現(xiàn)對電機的精準控制。
　　板卡中各部分的具體職能如下：
　　(a)CY7C68013接收來自計算機的控制命令,，并連同實時角度反饋數(shù)據(jù)一起代入到增量式分段離散PID算法中運算,，生成11位占空比數(shù)據(jù)送至FPGA以生成PWM信號,；另外，CPU還要將實時反饋數(shù)據(jù)值以相應的通信協(xié)議送至計算機,，以便上位機測控應用程序做進一步處理,。
　　(b)FPGA內部的功能模塊由硬件描述語言Verilog編寫，如圖3所示,，主要有四項功能,，分別是：
　　·接收CPU發(fā)送來的占空比數(shù)據(jù)，通過內部的PWM生成模塊產(chǎn)生相應的脈寬調制信號,，并輸出到驅動電機驅動板卡,，進而拖動電機。
　　·通過時序狀態(tài)機為本系統(tǒng)提供主時鐘,，使整個控制系統(tǒng)以同一步調協(xié)調運行，這樣就有效地避免了各部分之間的競爭與冒險,。
　　·為ADC傳送來的數(shù)字信號進行均值濾波,，減小測量誤差。
　　·指標測試模塊將測試結果輸出到FPGA的相應引腳,，可由示波器直觀檢測到測試結果,。
　　(c)二階壓控濾波模塊通帶截止頻率為1kHz,品質因數(shù)Q值為1，可有效地濾除反饋信號的高頻干擾,。
　　(d)模/數(shù)轉換器AD9241的采樣率為1.25MHz,，14位精度，可以滿足系統(tǒng)指標的要求,，實時給FPGA提供精準的位置反饋信息,。

2.2 電機驅動板卡部分
　　該電路采用可逆H型雙極式PWM開關功率放大器作為主回路驅動電機。它主要是由大功率晶體管D1047和達林頓管TIP122組合而成的復合管,，以及續(xù)流二極管1N5408組成的橋式電路,。PWM信號經(jīng)高速光耦隔離器件6N137將信號隔離，這樣就很好地避免了電機驅動板卡對主控板卡的干擾,。隔離后的脈寬調制信號由三極管3DG6構成的放大電路放大,，送給末級電路，控制H橋復合管的開關,。電機驅動板卡原理框圖如圖4所示,。

3 軟件程序設計及其算法描述
3.1 CY7C68013處理器固件主程序設計
　　CY7C68013的主程序負責完成對CPU的初始化并對數(shù)據(jù)進行相應處理。初始化包括對I/O,、寄存器,、處理器工作狀態(tài)以及內部USB2.0控制模塊等的初始化。在初始化過程完成后,，進入數(shù)據(jù)處理的運算子程序,。該子程序具體工作流程如圖5所示,。

3.2 CPU與上位機的通信
　　CY7C68013與上位機的USB2.0串行通信采用批量傳輸模式，一次傳輸包括令牌包,、數(shù)據(jù)包和握手包三部分,。令牌包與握手包為USB控制器自行生成，數(shù)據(jù)包由用戶指令填充,。因此,，這里提出形如XX XX XX H的3字節(jié)傳輸通信方案作為USB2.0傳送的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。其中,，第一字節(jié)為指令標識字節(jié),，第二字節(jié)為16位指令目標值的高字節(jié)，第三字節(jié)為16位指令目標值的低字節(jié),。在該系統(tǒng)的硬件板卡和上位微機的上行和下行通信中,，均采用上述通信方案進行控制命令的發(fā)送和舵機工作狀態(tài)的監(jiān)測。
3.3 上位機測控應用程序設計
　　為便于舵機的控制和系統(tǒng)指標的測試,，編制了基于Windows操作系統(tǒng)環(huán)境的底層驅動函數(shù)C++應用程序,，即測控應用程序軟件包。該測控應用程序的用戶界面分為實時顯示區(qū),、目標位置控制區(qū),、指標測試區(qū)等幾大模塊，可以對電機的目標位置進行設定,，對系統(tǒng)指標進行測試,，并實時地將PWM占空比數(shù)據(jù)、目標值數(shù)據(jù)以及反饋值數(shù)據(jù)以趨勢圖的形式直觀地顯示出來,，易于進行在線分析處理和評估,。

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