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
。