(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)國家物理重點實驗室，南京 210094)

0 引言

對于低成本，高精度的制導(dǎo)炮彈，已成為各國爭向研究的重點。云臺式PGK(Precision Guidance Kit)作為一種新型的制導(dǎo)控制組件，需要根據(jù)彈載計算測算的彈體轉(zhuǎn)速控制云臺電機轉(zhuǎn)速及反旋翼筒的轉(zhuǎn)速，并對反旋翼筒進(jìn)行加減速控制，改變其相對彈體的相位，依靠翼筒產(chǎn)生的氣動力矩調(diào)整彈體姿態(tài)，進(jìn)而提高彈體的落點精度。

對于云臺式PGK整個控制器件系統(tǒng)的設(shè)計，核心器件采用低成本的FPGA型號XC3S1600E，由于其超快的處理速度，減少系統(tǒng)響應(yīng)的運算延時；擁有著8個數(shù)字時鐘管理模塊(DCM)，頻率范圍達(dá)到從5 MHz到300 MHz以上，可以輸出多路頻率相同占空比不同的PWM，足夠多的I/O輸出口可以實現(xiàn)對多個電機的控制能力；其獨特的并行處理方式，靈活的可編程邏輯單元，可大大減少外圍電路，提高系統(tǒng)集成度；整個FPGA的系統(tǒng)包括地磁系統(tǒng)、黑匣子系統(tǒng)、彈載計算機系統(tǒng)，采用FPGA可編程能力，和足夠多的I/O，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的一體化設(shè)計。

1 控制器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

云臺式PGK控制器要求對反旋翼筒實現(xiàn)相對彈體進(jìn)行同步反旋，并且要求翼筒根據(jù)彈載計算發(fā)出的指令進(jìn)行精準(zhǔn)的相位控制，以及云臺進(jìn)行穩(wěn)定的速度控制，其根本執(zhí)行機構(gòu)選用帶霍爾的永磁無刷直流電機(BLDC)，即基于FPGA實現(xiàn)對雙電機的協(xié)調(diào)控制。云臺式PGK控制器系統(tǒng)主要包括：以FPGA為核心的主控電路模塊、時鐘模塊、外部測試模塊、擴展FLASH模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動電機模塊、電源模塊、執(zhí)行機構(gòu)。電源模塊通過外部輸入直流電壓12V經(jīng)過DC模塊轉(zhuǎn)換成5V給主控電路模塊供電，同時輸出12V給電機驅(qū)動模塊供電；A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集的信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳送給主控制器，進(jìn)行實時監(jiān)控電流；時鐘模塊用來生成系統(tǒng)時鐘，提供準(zhǔn)確的實時時間；擴展程序模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的邏輯配置數(shù)據(jù)，存儲控制程序；根據(jù)霍爾信號確定電子轉(zhuǎn)子位置及電機速度，經(jīng)過主控模塊產(chǎn)生相應(yīng)頻率一定占空比的PWM來調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的速度；測試模塊采用UART數(shù)據(jù)通信方式，通過RS232串口標(biāo)準(zhǔn)與上位機進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫測試，直到整個系統(tǒng)調(diào)試完成[1-5]。整個系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 云臺式PGK伺服系統(tǒng)控制器系統(tǒng)組成框圖

2 控制器的硬件設(shè)計部份

主控制器選用XILINX公司SPARTAN3E系列的XC3S1600E芯片，外部多達(dá)376個I/O引角，內(nèi)部集成了160萬個門，具有豐富的邏輯資源，而且價格低廉，對于電機控制可大幅度減少外設(shè)電路部分，也有充足的接口輸出PWM脈寬來控制多個電機，在研發(fā)初期可以大大降低研發(fā)成本，對于硬件電路也可以非常方便的進(jìn)行修改，減少了很多前期研發(fā)工作不必要的麻煩。對于云臺式PGK的硬件主控電路圖如圖2所示。

圖2 云臺式PGK硬件主控電路圖

2.1 擴展FLASH模塊

FPGA內(nèi)部芯片采用SRAM工藝，系統(tǒng)斷電后將丟失已配置的邏輯數(shù)據(jù)，所以基于SC3S16000E外部需要擴展非易失性存器。在選用芯片過程中，考慮到實用的可靠性：在調(diào)試過程中會對系統(tǒng)進(jìn)行多次的燒寫與擦除程序，以及在進(jìn)行燒寫程序后對程序的存儲時間是一個重要因素；考慮存儲器的容量：由于一般FLASH的容量大小與價格成正比關(guān)系，容量在滿足系統(tǒng)要求的情況下，盡量滿足低成本的要求；滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀寫時間要求：對于數(shù)據(jù)讀寫的快速性是系統(tǒng)對FLASH要求的關(guān)鍵指標(biāo)。綜上述因素考慮，采用官方提供的與主控芯片兼容的內(nèi)存8 Mbit的FLASH芯片(XCF08PFSG48C)，內(nèi)部數(shù)據(jù)讀寫次數(shù)可達(dá)到20 000次。FPGA內(nèi)部有多種配置方式，分別是：主串模式、SPI模式、BPI模式、從并模式、從串模式、JTAG模式。本系統(tǒng)設(shè)計工作的模式可根據(jù)M0,M1,M2三個引角高低電平組合來實現(xiàn)轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)采用主串模式3個管腳全部設(shè)置為低電平。在主串工作模式中，F(xiàn)PGA每當(dāng)在CCLK信號為上升沿時就會從外設(shè)拓展FLASH內(nèi)部讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，CCLK信號傳送給外設(shè)FLASH，F(xiàn)LASH以比特流數(shù)據(jù)傳輸給FPGA通過D0管腳。在進(jìn)行主串模式的配置時關(guān)建在于保持系統(tǒng)JTAG鏈路的一體性，即將FPGA的JTAG電路、FLASH的JTAG電路和JTAG連接器的TMS、TCK相對連接[6-7]。最終形成從JTAG連接器的TDI到FPGA的TDI—TDO；再到FLASH的TDI—TDO;再回到JTAG連接器TDO的JTAG鏈路的一體化。XC3S1600E與擴展FLASH電路配置圖如圖2上半部所示。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)外部總輸入電源為12 V經(jīng)過MP2315GJ(DC-DC)電源芯片轉(zhuǎn)換成5 V給FPGA芯片供電[8]，但XC3S1600E型FPGA電源系統(tǒng)主要采用包括1.2 V核電源，3.3 V的I/O電源以及2.5 V的輔助電源。由于XC3S1600E的三路供電系統(tǒng)對通斷電順序沒有嚴(yán)格的要求，系統(tǒng)采用IT公司的TPS70358和TPS70345型芯片進(jìn)行供電，TPS70358型芯片第一路產(chǎn)生3.3 V電源，最大電流1 A，可給FPGA的I/O供電；第二路可以供FPGA輔助電源供電的2.5 V電源，最大電流為2 A。TPS70345型芯片第二路產(chǎn)生1.2 V電源，最大電流可達(dá)2 A，可為FPGA提供核電源。TPS70345和TPS70358均采用外部5 V電壓輸入，基本外設(shè)電路基本一致。TPS70358配置電路圖如圖2下半部所示。

2.3 驅(qū)動電路模塊

反旋翼筒及云臺執(zhí)行機構(gòu)的無刷直流電機均采用六相全橋式逆變器，通過控制上下橋臂MOS管的通斷順序與時間來控制電機的轉(zhuǎn)動與調(diào)速。在驅(qū)動方案選取上[9-10]，上橋臂選取BXZ086P03(P型)型號MOS管，下橋臂選擇BSZ025N04LS(N型)型號MOS管，相比較傳統(tǒng)的上下橋臂均選用同種N型號MOS管，不再需要MOS管柵極驅(qū)動芯片及自舉升壓電路，最大化的提高了電路的集成度。但由于FPGA的I/O輸出的PWM電壓信號為3.3 V無法直接驅(qū)動MOS管，系統(tǒng)增加了BC817-16型三級管外接12 V驅(qū)動電壓，通過控制三極管的通斷來控制MOS管的通斷。但如果FPGA輸出的低電壓信號直接接到驅(qū)動電路三極管上，12 V電壓很有可能會對主控系統(tǒng)造成干擾，甚至直接燒壞核心電路。為了避免12電壓對主控器的干擾，系統(tǒng)采用PC4D10S光電耦合芯片，將主控電路與驅(qū)動電路隔離開來，并且PC4D10S可同時對兩路信號進(jìn)行隔離，對于雙電機控制僅需要6個光電耦合芯片即可。電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計

2.4 時鐘模塊和外部測試模塊

在控制器系統(tǒng)的UART模塊中采用SG8002(11.059 2 MHZ)晶振來提供時鐘周期，采用UART數(shù)據(jù)通信方式主要用于整個系統(tǒng)內(nèi)部與其它相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行低速的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)的串口通信波特率為115200BPS。如果采用的是芯片內(nèi)部時鐘頻率，有一定的誤差，在通信過程中可能會出現(xiàn)誤碼。系統(tǒng)采用SG8002CE有源晶振為UART通訊來提供時鐘，從而保證主控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的精確采樣。系統(tǒng)通過UART進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，而通過RS232串口通信接口與上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。RS232采用的電平信號標(biāo)準(zhǔn)為：電平信號為-3 V～-15 V時邏輯信號為“1”；電平信號為+3 V～+15 V時邏輯信號為“0”。而UART在FPGA中采用的是TTL邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)。由于RS232與UART的電平信號不兼容，系統(tǒng)使用MAX232芯片將UART的TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232兼容的負(fù)邏輯電平，使用MAXIM公司的MAX232芯片的最大優(yōu)勢就在于其外設(shè)電路只需要4個小電容就可以，而且器件封裝較小，大大減少了外設(shè)電路部份。在系統(tǒng)運行過程中需要不斷采集的外部數(shù)據(jù)有電機相電流信號與電機霍爾信號，電機霍爾信號能夠確定電機的轉(zhuǎn)子位置及測算電機轉(zhuǎn)速，測算到相應(yīng)信號后，將電流信號與轉(zhuǎn)速信號送入閉環(huán)控制。要實現(xiàn)系統(tǒng)的完整功能，硬件是基本，良好的硬件設(shè)備是實現(xiàn)完整功能的關(guān)鍵，而系統(tǒng)整個軟件設(shè)計對完美實現(xiàn)系統(tǒng)功能也尤為重要。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制主程序設(shè)計如圖4所示，彈體出炮口飛行過程中，各個功能正常后便民伺服系統(tǒng)控制器開始工作，系統(tǒng)上電將并開始初始化，由地磁系統(tǒng)測量得到彈體轉(zhuǎn)速后，彈載計算機根據(jù)彈體與云臺轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系表，給定云臺轉(zhuǎn)速并依據(jù)主控電路控制其達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，依據(jù)云臺電機霍爾信號測算確定云臺達(dá)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速后，開啟控制反旋翼筒相對彈體與云臺轉(zhuǎn)速合時行同步反旋，使反旋翼筒在慣性空間下保持相對靜止，根據(jù)彈載計算機測算目標(biāo)落點誤差，發(fā)出相應(yīng)的指令控制反旋翼筒的偏轉(zhuǎn)使彈體落點向目標(biāo)點偏移，不斷重復(fù)此過程直到實現(xiàn)精確打擊目標(biāo)的目的。

圖4 系統(tǒng)主程序設(shè)計

3.1 電機啟動程序設(shè)計

在系統(tǒng)上電并初始化完成以后，電機的正常啟動是系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)控制和重要前提。根據(jù)相差120度安裝在電機定子上的3個霍爾傳感器輸出的高低電平進(jìn)行采集，通過電機相應(yīng)的換相表，電機霍爾信號與電機相間供電的對應(yīng)關(guān)系，由主控電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號給驅(qū)動電路進(jìn)行有次序的換相。由于電機在空中飛行過程中，由于裝配問題或外部環(huán)境的影響，電機很容易會發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電機就無法正常啟動，彈體就失去制導(dǎo)能力。所以程序啟動時加入堵轉(zhuǎn)檢測，在1秒時間檢測到霍爾信號沒有發(fā)變變，主控制器就不斷強制增大PWM占空比，在上限區(qū)間內(nèi)增大電流直到電機啟動，跳出此程序，在電機正常啟動以后，電機進(jìn)行閉環(huán)控制[11]。電機啟動程序流程如圖5所示。

圖5 電機啟動程序

3.2 轉(zhuǎn)速檢測計算與控制算法設(shè)計

在系統(tǒng)運行過程中需要檢測的速度信號有4個：反旋翼筒電機轉(zhuǎn)速、云臺電機轉(zhuǎn)速、反旋翼筒轉(zhuǎn)速及云臺轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速信號由霍爾元件發(fā)出的脈沖進(jìn)行檢測，通常的測算方法有：M法、T法和M/T法[12-13]。電機啟動的過程中轉(zhuǎn)速是一個動態(tài)的過程，M測量法根據(jù)給定時間內(nèi)檢測脈沖個數(shù)來計算轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)速過低時測量精度不夠；T測量法根據(jù)測量相鄰脈沖的時間間隔來計算轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速過高時測量誤差就會大大增大；M/T測量法將M法與T法結(jié)合起來，在檢測給定T時間內(nèi)的脈沖個數(shù)同時檢測高頻時鐘脈沖個數(shù)，假定T時間內(nèi)檢測到M個脈沖信號和M'個已知頻率為f0的高頻時鐘脈沖個數(shù)，旋轉(zhuǎn)一周有N個脈沖信號，則轉(zhuǎn)速測量對象的轉(zhuǎn)速n(r/min)的計算公式為：

(1)

系統(tǒng)采用M/T測量法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，由于系統(tǒng)內(nèi)部有較高的捕獲頻率，所以可以準(zhǔn)確的捕獲到霍爾傳感的升沿和下降沿的變化，計算出測量對象的速度，其軟件設(shè)計流程框圖如圖6所示：

圖6 轉(zhuǎn)速計算程序設(shè)計

PID控制做為工程應(yīng)用的一種經(jīng)典控制算法，因其算法簡單實用而得到廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)中也多次使用到PID控制算法，在進(jìn)行反旋翼筒的相位、速度控制環(huán)和電流環(huán)；同時在云臺電機控制的速度環(huán)和電流環(huán)都使用了PID控制算法[14-16]。系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，輸出的是控制量增量，累積誤差小。其算法控制表達(dá)式為：

△u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+

Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

系統(tǒng)在運行中不僅需要快速響應(yīng)，也需要保證其在可按范圍內(nèi)，系統(tǒng)對控制輸出量是添加門限值um，當(dāng)u(k)超出限值時以門限值作為控制輸出量。系統(tǒng)采用的PID控制算法程序設(shè)計框圖如圖7所示。

圖7 PID算法程序設(shè)計

4 系統(tǒng)實驗結(jié)果

在整個系統(tǒng)調(diào)試過程中，硬件系統(tǒng)測試按照先對各個子模塊進(jìn)行靜態(tài)測試，再對整體模塊動態(tài)測試為原則。對系統(tǒng)的電源模塊、時鐘模塊、驅(qū)動電機模塊、主要功能模塊測試無誤后，對整個系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)測試。在彈體飛行過程中為保證反旋旋翼相對彈體同步反旋，可在慣性空間下保持靜止，實現(xiàn)對彈體俯仰和偏航進(jìn)行校正的目的。假定云臺電機與彈體轉(zhuǎn)速和在4 r/s到15 r/s之間，彈體與云臺轉(zhuǎn)速從4 r/s開始每隔五秒轉(zhuǎn)速增加一轉(zhuǎn)，最大增加到15 r/s，測試反旋翼筒的性能；翼筒穩(wěn)定跟隨的情況下，假設(shè)彈載計算機根據(jù)目標(biāo)落點誤差計算每隔一段時間發(fā)出翼筒偏轉(zhuǎn)90°指令，到達(dá)指定位置對彈體的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整以準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)點。實驗結(jié)果如圖7，圖8所示。

圖8 翼筒轉(zhuǎn)速跟隨

圖9 翼筒相位跟隨

從圖中看出系統(tǒng)能在5 ms內(nèi)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)靜態(tài)誤差在0.05 r/s之內(nèi)；在相位跟隨過程中翼筒能夠始終快帶跟隨差保持穩(wěn)定。根據(jù)測試結(jié)果可得出云臺式PGK的伺服系統(tǒng)控制器對反旋翼的速度和相位控制有著快、穩(wěn)、準(zhǔn)的控制特點，滿足對系統(tǒng)高精度和高穩(wěn)定性的要求，驗證了整個系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)論

通過測試結(jié)果表明，本文基于XC3S1600E為核心設(shè)計了一種新型的云臺式PGK的伺服系統(tǒng)控制器，能夠使反旋翼筒相對彈體及云臺轉(zhuǎn)速和進(jìn)行反旋跟隨、相位跟隨，系統(tǒng)的動靜態(tài)良好，驗證了此控制器系統(tǒng)的可靠性，滿足控制系統(tǒng)對控制性能的要求。而相比較傳統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的集成度，成本更低，硬件電路靈活性更高，實用價值高，為項目下一步進(jìn)行的實彈打靶實驗提供堅實的技術(shù)支持。