基于DSP+FPGA的机载雷达伺服控制系统的硬件设计与开发(一）总体设计

2.1 功能要求及性能指标

2.1.1

功能要求

（ 1 ）具备方位和俯仰两轴运动的能力；

（2）方位轴可实现预置、周扫和扇扫功能；

（3）俯仰轴可实现预置功能。

2.1.2

性能指标

（ 1 ）运动范围：方位转动范围为 ，俯仰转动范围为 ；

（2）角速度：方位最大角速度为 100º/s ，俯仰最大角速度为 40º/s ；

（3）角加速度：方位最大角加速度为 90º/s 2 ；

（4）静态定位误差： 0.1º （最大值）；

（5）角分辨率： 0.01º ；

（6）系统供电：电压为 27V ，启动电流为 6A ，工作电流为 2.5A ；

（7）电气接口：采用 RS-422 传输协议，上位机下发频率为 100Hz ，控制器上传

频率为 200Hz ，波特率采用 115200bps ；

（8）环境适应性：温度范围为 −40 ℃ 60 ℃，湿度范围为 10% 90% ，高度大于

3000m ，冲击为 25g （ 11ms ）；

（9）具有故障反馈、过压保护、过流保护和上电自检功能。

2.2 机载雷达伺服控制系统总体方案

图 2.1 给出了机载雷达伺服控制系统的整体结构布局示意图。其中上半部分为

方位部分，位于支架和飞机蒙皮之间，方位圆筒内布置有旋转关节、汇流环、方位

电机和方位角度编码器等元部件。下半部分为俯仰部分，位于天线罩内，布置有天

线、俯仰电机和俯仰编码器等元部件。

机载雷达伺服控制系统可以划分为控制单元、驱动单元和伺服机构。其中控制单

元是实现伺服控制功能的关键部分，为本文重点设计内容；驱动单元主要实现功率放

大和电流采样闭环功能；伺服机构则承载负载天线实现各种功能。系统的总体方案设

计如图 2.2 所示：

图 2.2 中的控制单元是系统核心，采用 DSP+FPGA 的组合作为控制处理器。其

中 DSP 主要用于实现各种控制算法； FPGA 主要用于数据接口，既能通过 XINTF 接

口与 DSP 进行数据交换，又能够生成外围电路的控制时序，完成数据采集和发送等

操作。该组合能够充分发挥两种芯片的优势，既保证了时序的稳定，又能够提高控制

算法的处理速度。

驱动单元主要由方位轴和俯仰轴驱动器构成，能够将控制单元提供的控制信号进

行功率放大，驱动电机转动。驱动器具有过温、过压和过流保护功能以及故障报警功

能。

伺服机构是控制系统的执行机构，在控制单元和驱动单元的控制下完成指定的功

能。伺服机构除了搭载天线负载外，还安装有电机、角度编码器、汇流环、轴承和配

重块等部件。

2.3 控制单元硬件电路设计

2.3.1

电路总体设计

在该伺服控制系统中，控制单元为重点设计对象，控制单元的电路设计方案如图

2.3 所示。

如图 2.3 所示，控制处理器使用 DSP+FPGA 组合，其中 DSP 主要实现控制算法，

同时能通过 XINTF 接口与 FPGA 进行数据交换。 FPGA 主要用于实现外围电路的控

制时序。由于 FPGA 掉电后会复位，因此添加配置芯片 XCF08P 对 FPGA 进行程序

下载。其余电路介绍如下：

（ 1 ）图 2.3 中左侧为上位通信接口电路，采用全双工收发器 MAX491 和光电隔

离芯片 HCPL0600 共同实现。为了隔离上位通信线缆引入的噪声干扰，使用隔离电源

为该接口电路供电。

（2）图 2.3 中下方为 SSI 接口电路，用于采集方位轴和俯仰轴角度编码器的数

据。光电隔离芯片 HCPL0600 可以隔离干扰，同时可实现电平转换。 DS26C31 芯片

可将 FPGA 输出的单端时钟信号转换为差分信号， DS26C32 芯片可将编码器回传的

差分角度信号转换为单端信号。编码器回传的角度数据需要提供给驱动器，实现闭环

功能。

（3）图 2.3 中右侧为驱动控制电路，主要包括 DI/DO 接口电路和 DA 接口电路。

其中 DI 电路用于接收驱动器输出的故障报警信号， DO 电路用于输出驱动器使能和

模式选择信号。 DI/DO 电路均选用光电隔离芯片 PS2802 来实现， DO 电路添加了

SN74LVTH245 芯片来增强驱动能力。 DA 接口电路则将 DSP 计算得到的控制指令转

换为电压信号，并输出至驱动器。 DA 接口电路主要由 D/A 转换芯片 AD5547 、运放

AD8512 和基准源 ADR01 构成。

（4）图 2.3 中右上部分为电源电路， DC/DC 电源模块将外部输入的 27V 直流电

压转换为 5V 和 ±15V 电压。其中 5V 电压用于数字电路，并通过各种 LDO 芯片转换

为不同的电压； ±15V 电压用于模拟电路，为 DA 接口电路的运放和基准源供电。

2.3.2

负载力矩估算

负载力矩是电机和驱动器选型的关键参数，由于机载雷达会受到振动和冲击的影

响，故在计算负载力矩时需要留有一定的余量。需要计算的负载力矩有三个：惯性力

矩、摩擦力矩和不平衡力矩。

2.3.4

控制芯片选型

控制单元采用 DSP+FPGA 的处理器组合， DSP 的型号为 TMS320F28335 ， FPGA

的型号为 XC4VLX-15 。