基于DSP的機(jī)載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定環(huán)路數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)

1、引言

　　機(jī)載光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品大量裝備于各種類型飛機(jī)上，其核心是陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，主要作用在于隔離載體的角擾動(dòng)，使安裝在載體上的光學(xué)傳感器的視軸在慣性空間內(nèi)保持穩(wěn)定，使光學(xué)傳感器得到清晰的圖像。穩(wěn)定控制最直觀的方法是將光學(xué)傳感器系統(tǒng)安裝在減震裝置上，減振器可以隔離載體的高頻低振幅振動(dòng)，但是減振后的低頻振動(dòng)仍然會(huì)對(duì)視軸產(chǎn)生擾動(dòng)。因此，這種被動(dòng)隔離的方法常與主動(dòng)隔離的方法混合使用。主動(dòng)隔離的方法有：整體穩(wěn)定、齒輪傳動(dòng)穩(wěn)定、光學(xué)穩(wěn)定、電子學(xué)穩(wěn)定和動(dòng)量輪穩(wěn)定[1]。

　　機(jī)載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定控制算法除了經(jīng)典控制還有各種先進(jìn)的控制算法，如：最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊控制等。從目前的文獻(xiàn)資料來看，這些先進(jìn)的算法大都限于仿真研究，實(shí)際用于產(chǎn)品的報(bào)道很少。目前，機(jī)載光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品以經(jīng)典控制模擬電路實(shí)現(xiàn)為主。

　　模擬控制的實(shí)現(xiàn)依賴于集成電路和分離元件，設(shè)備間的信號(hào)傳遞均采用模擬量，導(dǎo)致控制器元件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，同時(shí)在模擬電路的硬件基礎(chǔ)上，要想實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的現(xiàn)代控制方法幾乎是不可能的。數(shù)字控制系統(tǒng)以程序代替硬件，有利于減小電路的體積，降低成本，在信號(hào)處理、算法實(shí)現(xiàn)上具有模擬控制無可替代的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字控制是整個(gè)伺服控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)載光電穩(wěn)瞄的穩(wěn)定精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求越來越高。因此，必須采用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，運(yùn)用現(xiàn)代控制算法，設(shè)計(jì)出高性能的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)，以滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求。

2、機(jī)載光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)的控制環(huán)路如圖1所示，系統(tǒng)包含三個(gè)環(huán)路，內(nèi)部為電流環(huán)，電流環(huán)控制流過電樞的電流盡可能嚴(yán)格跟隨電流指令，改善電流跟隨電壓的動(dòng)態(tài)特性，包括超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間等，抑制電子噪聲和反電勢(shì)等的影響。中間為速度環(huán)，即穩(wěn)定環(huán)。穩(wěn)定環(huán)是光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的關(guān)鍵，光電探測(cè)器的機(jī)（船、車）載應(yīng)用直接受伺服系統(tǒng)穩(wěn)定環(huán)性能的影響[2]。穩(wěn)定環(huán)采用速率陀螺作為慣性敏感元件，檢測(cè)光電穩(wěn)定平臺(tái)方位和俯仰軸角速度，與速度命令信號(hào)形成誤差電壓，該誤差電壓通過穩(wěn)定控制器在直流電機(jī)軸上產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，從而實(shí)現(xiàn)光電穩(wěn)定平臺(tái)抑制擾動(dòng)、保持在慣性空間相對(duì)穩(wěn)定。外部為位置環(huán)，通過比較輸入信號(hào)與反饋信號(hào)產(chǎn)生控制偏差，借助位置控制器校正補(bǔ)償輸出到穩(wěn)定環(huán)對(duì)光電穩(wěn)瞄實(shí)施控制。在目前的穩(wěn)瞄產(chǎn)品中，三個(gè)環(huán)路的控制器除了位置環(huán)控制器為數(shù)字控制器，穩(wěn)定環(huán)控制器和電流環(huán)控制器均為模擬控制器。本文研究的目的是將穩(wěn)定環(huán)用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)。

                           
                               圖1 光電穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)環(huán)路

3、控制系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)

　　建立數(shù)學(xué)模型

　　從前面的分析可知，穩(wěn)定環(huán)路控制的對(duì)象為包括穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)塔的電流閉環(huán)，對(duì)電流閉環(huán)分析如下：

　　PWM驅(qū)動(dòng)模型如圖2所示。本系統(tǒng)中采用的是雙極性四橋式PWM驅(qū)動(dòng)，其傳遞函數(shù)可以寫為：

                                           （1）

　　當(dāng)PWM開關(guān)頻率較高，并且系統(tǒng)的截止頻率

                                                 圖2 PWM驅(qū)動(dòng)模型
 
　　時(shí)，上式可以簡化為：
                                                     （2）

　　其中kPMW= 電源電壓/三角波電壓；T為PWM開關(guān)周期。

　　一般來說Ｔ非常小，可以忽略延遲環(huán)節(jié)。

　　電機(jī)模型

　　電機(jī)選用的是永磁直流力矩電機(jī)，系統(tǒng)采用的是電壓調(diào)速。由此可以得到電機(jī)的模型：

　　　     （3）

　　其中R為電機(jī)繞組電阻，L為電機(jī)繞組電感，U2表示調(diào)制電壓輸入，I表示流過電機(jī)繞組的電流，E為電機(jī)繞組反電勢(shì)，J為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，M為電機(jī)輸出力矩，ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速（即負(fù)載轉(zhuǎn)速），Ce和Cm分別為電機(jī)的反電勢(shì)常數(shù)和力矩常數(shù)。

　　這樣可以得到整個(gè)電流環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，圖中Md為干擾力矩。

                                               圖3 電流環(huán)反饋框圖

　　根據(jù)實(shí)際電路計(jì)算，得到電流環(huán)控制器為：
 
                                                   ，其中 （4）
3.1 控制器設(shè)計(jì)

　　光電穩(wěn)瞄一般為兩軸或三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，各個(gè)軸從控制系統(tǒng)的構(gòu)成來講，具有相似結(jié)構(gòu)。兩軸平臺(tái)包括方位軸和俯仰軸，這里以方位軸為例進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。
光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)所用陀螺為速率陀螺，從陀螺的資料手冊(cè)上查得的陀螺數(shù)學(xué)模型[3]為：
 
                                    （5）

　　式中:kg=10，ω=100Hz，ξ=0.707。

　　根據(jù)前面的分析建立經(jīng)典控制系統(tǒng)Simulink仿真模型如圖4所示。

                                   
 
                                  圖4 經(jīng)典控制系統(tǒng)Simulink仿真模型

　　利用Simulink中的線性化工具將對(duì)象線性化，其結(jié)果作為sisotool控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，從sisotool工具箱中設(shè)計(jì)控制器：

                                          （6）

　　設(shè)計(jì)后系統(tǒng)根軌跡和開環(huán)頻率特性結(jié)果如圖5所示。

                                圖5 sisotool工具箱設(shè)計(jì)的控制器

　　從圖中可以看出系統(tǒng)幅值裕度為12.4dB，相角裕度為51.6º。

3.2 控制系統(tǒng)仿真

　　將設(shè)計(jì)的控制器加入系統(tǒng)Simulink仿真模型得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果如圖6所示，頻率特性如圖7所示。

　　從圖6中可以看出，超調(diào)量為24.4%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為115ms。從圖7仿真頻率特性可以看出，系統(tǒng)的帶寬約為25Hz。

                                         
                                               圖6 階躍響應(yīng)仿真結(jié)果 
                                            

                                                        圖7 仿真頻率特性

4、數(shù)字控制硬件平臺(tái)

　　數(shù)字控制硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)包括DSP芯片、A/D電路、D/A電路和信號(hào)調(diào)理電路。硬件平臺(tái)核心器件是TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理芯片。TMS320F2812的最高運(yùn)行頻率可達(dá)150MHz，片上存儲(chǔ)器最多達(dá)128K×16位的Flash存儲(chǔ)器，最多達(dá)128K×16位的ROM，1K×16位的OPT ROM，兩塊4K×16位的單周期訪問RAM，一塊8K×16位的單周期訪問RAM，兩塊1K×16位的單周期訪問RAM[4]。由于TMS320F2812片內(nèi)RAM資源有限，系統(tǒng)中外擴(kuò)了一片512K的RAM芯片。

                                
 
                                    圖8 數(shù)字控制硬件結(jié)構(gòu)框圖
 
　　陀螺輸出的電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)入A/D芯片，TMS320F2812從A/D芯片讀入轉(zhuǎn)換的電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)算法計(jì)算后，DSP芯片將輸出的值送入D/A芯片輸出電壓，輸出的電壓經(jīng)電壓跟隨提高驅(qū)動(dòng)能力后進(jìn)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)。

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AnalogDevices公司的16位6通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656。此芯片輸入電壓范圍為-10V～+10V。

　　陀螺輸出信號(hào)要經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸，為了降低陀螺信號(hào)的噪聲，穩(wěn)瞄系統(tǒng)中采用差分形式傳輸陀螺輸出信號(hào)。本設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656為單端輸入方式，因此需要將陀螺輸出的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路采用AnalogDevices公司的AD620儀表放大器芯片，該芯片的1腳和8腳之間接的電阻 決定其放大倍數(shù)，放大倍數(shù)計(jì)算公式如下：
 
                                           （7）

　　由式7可知，當(dāng)電阻 為無窮大時(shí)放大倍數(shù) ，本設(shè)計(jì)中選擇放大倍數(shù)為1。

　　D/A轉(zhuǎn)換芯片采用AnalogDevices公司的12位4通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8412，輸出電壓范圍為-10V～+10V，輸出的通道由DSP的地址低兩位A1和A0選擇。DAC8412芯片的±10V輸入?yún)⒖茧妷河葾D688芯片產(chǎn)生。

5、試驗(yàn)與分析

a) 通道精度測(cè)試

1) A/D電路精度測(cè)試

　　用標(biāo)準(zhǔn)電壓源測(cè)試A/D電路的采樣精度，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。圖中橫軸為輸入到A/D電路的標(biāo)準(zhǔn)電壓源電壓值，縱軸為AD7656芯片轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)，圖中黑點(diǎn)為實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線為理想狀態(tài)下的A/D電路采樣曲線。

　　可以看出，測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上位于理想A/D電路采樣曲線上，為此算法中不需要對(duì)A/D電路采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

                                     圖9 A/D電路精度測(cè)試結(jié)果

2) D/A電路精度測(cè)試

　　通過輸出標(biāo)定值來標(biāo)定D/A電路的輸出精度，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。圖中橫軸為DAC8412要輸出的標(biāo)定電壓值數(shù)據(jù)，縱軸為D/A電路實(shí)際輸出的電壓值，圖中黑點(diǎn)為實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線為理想狀態(tài)下的D/A電路輸出曲線。

　　可以看出，測(cè)試的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上位于理想D/A電路輸出曲線上，為此算法中不需要對(duì)D/A電路輸出的電壓值進(jìn)行補(bǔ)償。

b) 伺服周期的設(shè)定

　　采樣周期是數(shù)字控制系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，高性能伺服控制系統(tǒng)一般采樣率不小于1KHz，為此要測(cè)量算法運(yùn)行所需的時(shí)間，確保其在伺服周期內(nèi)完成。

                                
                                    圖10 D/A電路精度測(cè)試結(jié)果

　　利用DSP的IO口，在算法運(yùn)行之前置IO口為低電平，算法運(yùn)行之后置IO口為高電平，從示波器測(cè)量出低電平的時(shí)間即為算法運(yùn)行所需時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯鏊惴ㄟ\(yùn)行所需時(shí)間為55 ，滿足一般高精度數(shù)字控制系統(tǒng)的控制頻率為1kHz要求。本設(shè)計(jì)中設(shè)定采樣周期1ms。

                                圖11 算法運(yùn)行所需時(shí)間測(cè)試結(jié)果

c) 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試

1) 階躍響應(yīng)

　　為系統(tǒng)加入階躍信號(hào)，用示波器測(cè)量得到階躍響應(yīng)曲線如圖12所示。圖中上方的曲線為給定階躍信號(hào)曲線，下方的曲線為系統(tǒng)的響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，上升時(shí)間約為20ms，峰值時(shí)間約為40ms，調(diào)節(jié)時(shí)間約為100ms，超調(diào)量約為37%。

                                           圖12 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

2) 系統(tǒng)頻率特性

　　經(jīng)掃頻得到系統(tǒng)的閉環(huán)特性曲線如圖13所示。從圖13可以看出，系統(tǒng)帶寬約為17Hz。

6、結(jié)論

　　穩(wěn)定環(huán)路是光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的關(guān)鍵，影響到光電穩(wěn)瞄的穩(wěn)定性能。論文設(shè)計(jì)的控制器可以滿足光電穩(wěn)瞄的應(yīng)用需求，搭建的數(shù)字控制硬件平臺(tái)為在機(jī)載光電穩(wěn)瞄控制中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法建立了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。從仿真和試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)機(jī)載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)簡單且可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)較好。數(shù)字控制在機(jī)載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定環(huán)路控制中得到了成功應(yīng)用，系統(tǒng)穩(wěn)定控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試變得簡單、靈活、高效。論文也為其它復(fù)雜算法在機(jī)載光電穩(wěn)瞄中應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

                                            圖13 系統(tǒng)的閉環(huán)特性曲線