舵機(jī)是控制飛行器運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)鍵部件。隨著航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，提高舵機(jī)伺服系統(tǒng)的性能成為當(dāng)前的迫切需要。為此，設(shè)計(jì)者在考慮到諧波傳動(dòng)的隨速度波動(dòng)和低阻尼特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以提高舵機(jī)系統(tǒng)控制品質(zhì)為目標(biāo)，提出了一種新型舵機(jī)控制系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)以CYPRESS公司的CY7C68013處理器為核心，結(jié)合使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和高性能的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并通過USB2.0總線接口實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與CY7C68013處理器之間的參數(shù)傳送。
　　由于舵機(jī)系統(tǒng)對(duì)定位精度、頻率響應(yīng)特性、階躍響應(yīng)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(jié)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(fù)責(zé)與PC機(jī)通信，這使得控制器在運(yùn)行中產(chǎn)生的各種參數(shù)和變量能夠?qū)崟r(shí)地傳送并在CRT上顯示，極大地方便了對(duì)參數(shù)變化趨勢(shì)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(chǔ)。
1 系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理
1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成
　　如圖1所示，系統(tǒng)由主控板卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)" title="電機(jī)驅(qū)動(dòng)">電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡、微型計(jì)算機(jī)以及包括力矩伺服電機(jī)、諧波減速器及其位置電位計(jì)的舵機(jī)組成。其中，主控板卡為該系統(tǒng)的核心組成部分，運(yùn)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(jī)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(jī)實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)與上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)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(jìn)行運(yùn)算。處理后得到的PWM調(diào)制波形作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡的輸入信號(hào)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡上的H橋電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而完成對(duì)電機(jī)的控制。另外，主控板卡還將舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)由USB2.0總線上行傳送至上位微機(jī)，由PC機(jī)測控應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序對(duì)其進(jìn)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(gòu)成
　　在整個(gè)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(nèi)部嵌有USB2.0總線控制器，用戶可通過USB串行總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)通信。FPGA采用的是ALTERA公司的EP1C3T144C8,由Flash 存儲(chǔ)器EPCS1對(duì)其進(jìn)行上電初始化配置。主控板卡的舵機(jī)位置反饋給A/D轉(zhuǎn)換電路，這里采用的是ADI公司的AD9241模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及與其匹配的電壓基準(zhǔn)源REF192，對(duì)反饋的舵偏角度模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。在舵機(jī)電位器產(chǎn)生的表征角度值的反饋電壓信號(hào)送至ADC以前，為了排除高頻干擾，加入了一個(gè)以O(shè)P77運(yùn)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(dān)著執(zhí)行來自上位機(jī)的控制指令并將指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)上行送至上位機(jī)的任務(wù)，而且還要將經(jīng)過處理器運(yùn)算產(chǎn)生的相應(yīng)占空比" title="占空比">占空比的PWM信號(hào)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精準(zhǔn)控制。
　　板卡中各部分的具體職能如下：
　　(a)CY7C68013接收來自計(jì)算機(jī)的控制命令，并連同實(shí)時(shí)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(yùn)算，生成11位占空比數(shù)據(jù)送至FPGA以生成PWM信號(hào)；另外，CPU還要將實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)值以相應(yīng)的通信協(xié)議送至計(jì)算機(jī)，以便上位機(jī)測控應(yīng)用程序做進(jìn)一步處理。
　　(b)FPGA內(nèi)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(xiàng)功能，分別是：
　　·接收CPU發(fā)送來的占空比數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的PWM生成模塊產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號(hào)，并輸出到驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡，進(jìn)而拖動(dòng)電機(jī)。
　　·通過時(shí)序狀態(tài)機(jī)為本系統(tǒng)提供主時(shí)鐘，使整個(gè)控制系統(tǒng)以同一步調(diào)協(xié)調(diào)運(yùn)行，這樣就有效地避免了各部分之間的競爭與冒險(xiǎn)。
　　·為ADC傳送來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行均值濾波，減小測量誤差。
　　·指標(biāo)測試模塊將測試結(jié)果輸出到FPGA的相應(yīng)引腳，可由示波器直觀檢測到測試結(jié)果。
　　(c)二階壓控濾波模塊通帶截止頻率為1kHz,品質(zhì)因數(shù)Q值為1，可有效地濾除反饋信號(hào)的高頻干擾。
　　(d)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9241的采樣率為1.25MHz，14位精度，可以滿足系統(tǒng)指標(biāo)的要求，實(shí)時(shí)給FPGA提供精準(zhǔn)的位置反饋信息。

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

3 軟件程序設(shè)計(jì)及其算法描述
3.1 CY7C68013處理器固件主程序設(shè)計(jì)
　　CY7C68013的主程序負(fù)責(zé)完成對(duì)CPU的初始化并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。初始化包括對(duì)I/O、寄存器、處理器工作狀態(tài)以及內(nèi)部USB2.0控制模塊等的初始化。在初始化過程完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理的運(yùn)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(jī)的通信
　　CY7C68013與上位機(jī)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(jìn)行發(fā)送。其中，第一字節(jié)為指令標(biāo)識(shí)字節(jié)，第二字節(jié)為16位指令目標(biāo)值的高字節(jié)，第三字節(jié)為16位指令目標(biāo)值的低字節(jié)。在該系統(tǒng)的硬件板卡和上位微機(jī)的上行和下行通信中，均采用上述通信方案進(jìn)行控制命令的發(fā)送和舵機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測。
3.3 上位機(jī)測控應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
　　為便于舵機(jī)的控制和系統(tǒng)指標(biāo)的測試，編制了基于Windows操作系統(tǒng)環(huán)境的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)C++應(yīng)用程序，即測控應(yīng)用程序軟件包。該測控應(yīng)用程序的用戶界面分為實(shí)時(shí)顯示區(qū)、目標(biāo)位置控制區(qū)、指標(biāo)測試區(qū)等幾大模塊，可以對(duì)電機(jī)的目標(biāo)位置進(jìn)行設(shè)定，對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行測試，并實(shí)時(shí)地將PWM占空比數(shù)據(jù)、目標(biāo)值數(shù)據(jù)以及反饋值數(shù)據(jù)以趨勢(shì)圖的形式直觀地顯示出來，易于進(jìn)行在線分析處理和評(píng)估。

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