[实用新型]基于FPGA的电动舵机控制器

说明书

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

舵机系统是飞控作动系统的关键分系统之一，它的各种性能的提高是进一步改进飞控系统性能的重要环节。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系统，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系统，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，适用于复杂系统的设计。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系统，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。