基于TMS320F2812的彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)功能及控制要求，分析了平臺(tái)控制系統(tǒng)組成及工作原理，說明了系統(tǒng)核心器件、傳感器及伺服電機(jī)的選型方案，通過基于TMS320F2812高性能DSP的控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)，完成伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方法正確、有效。

0 引言

導(dǎo)彈在飛行過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣阻力等因素的影響，彈體始終處于劇烈振動(dòng)搖擺中。這種擾動(dòng)不僅影響導(dǎo)引系統(tǒng)的目標(biāo)角度測(cè)量精度，還影響導(dǎo)引系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法截獲目標(biāo)或丟失跟蹤目標(biāo)。彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)利用平臺(tái)臺(tái)體上安裝的速率陀螺測(cè)量臺(tái)體相對(duì)慣性空間的角速度，通過速率陀螺反饋構(gòu)成閉環(huán)穩(wěn)定控制回路，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彈體擾動(dòng)隔離，保持平臺(tái)視軸穩(wěn)定。當(dāng)視軸與目標(biāo)位置不一致時(shí)，彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)測(cè)得目標(biāo)角誤差信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后形成平臺(tái)跟蹤信號(hào)，通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)視軸對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

本項(xiàng)目依據(jù)某彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)一款伺服穩(wěn)定平臺(tái)，通過高性能DSP主控芯片、小型化傳感器、微型直流伺服電動(dòng)機(jī)、集成PWM功率放大芯片的選型分析及系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)由平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)和平臺(tái)控制系統(tǒng)兩部分組成。平臺(tái)采用兩軸雙框架結(jié)構(gòu)形式，平臺(tái)控制系統(tǒng)由DSP控制電路、電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路、伺服電動(dòng)機(jī)、角度傳感器、速率陀螺組成。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

DSP控制電路完成傳感器信號(hào)采集及、平臺(tái)控制算法實(shí)現(xiàn)、功率驅(qū)動(dòng)電路PWM控制脈沖波形產(chǎn)生，以及導(dǎo)引系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制信號(hào)接收和平臺(tái)測(cè)量反饋信號(hào)發(fā)送等功能，電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路接收PWM控制脈沖波形并將放大后信號(hào)送至伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制，帶動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。角度傳感器測(cè)量平臺(tái)框架角度信號(hào)，速率陀螺測(cè)量平臺(tái)慣性空間角速度。

1. 2 關(guān)鍵器件選型

1.2.1 DSP主控芯片選型

TMS320F2812 DSP芯片基于高性能的32位CPU，指令執(zhí)行速率高達(dá)150MIPS，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和控制功能，片內(nèi)集成了大容量Flash存儲(chǔ)器、高速SRAM 存儲(chǔ)器、功能強(qiáng)大的事件管理器(EV)、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、增強(qiáng)型CAN總線通信模塊、SCI串行通信接口、SPI串行外設(shè)接口、多通道緩沖串口、 PLL時(shí)鐘模塊、看門狗、定時(shí)器以及多達(dá)56個(gè)多路復(fù)用通用I\O等豐富、易用的高性能外設(shè)單元，適用于自動(dòng)化設(shè)備控制、電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制、數(shù)字伺服系統(tǒng)控制等場(chǎng)合。

1. 2.2 傳感器選型

基于本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)伺服穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)用于彈載雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)，因此，對(duì)平臺(tái)外形尺寸及重量要求及其嚴(yán)格，傳感器選型的關(guān)鍵在于器件小型化、輕量化及對(duì)彈載使用環(huán)境的適應(yīng)性。

1.2.2.1 角度傳感器選型

角度傳感器選用旋轉(zhuǎn)電編碼器，編碼器采用數(shù)字SSI輸出、分辨率17位、最大轉(zhuǎn)速3500rpm。與電位器、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等常用角度傳感器相比具有質(zhì)量輕、慣量小、功耗低、無磁敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)，由于其主體部分(轉(zhuǎn)子、定子)采用合成介質(zhì)材料制造，因此具有工作溫度范圍寬、抗潮濕、冷凝等優(yōu)點(diǎn)，適用于彈載環(huán)境條件。

1，2.2.2 速率陀螺選型

速率陀螺選用雙軸微機(jī)械陀螺，陀螺速率范圍±400°/s，標(biāo)度因數(shù)非線性度50ppm、啟動(dòng)時(shí)間1 s，功耗1.5W，分辨率2-14°/s，全溫零位變化5°/h(全溫)，采用數(shù)字RS422串口輸出，波特率最高可達(dá)1.8Mbits/s。該陀螺主要優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、啟動(dòng)快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適用于彈載環(huán)境條件。

1.2.3 伺服電動(dòng)機(jī)選型

電動(dòng)機(jī)選用帶行星齒輪減速器的直流伺服電動(dòng)機(jī)，行星齒輪減速器可以在尺寸和重量較小的條件下，實(shí)現(xiàn)大功率傳動(dòng)，同時(shí)，采用內(nèi)嚙合的行星齒輪減速器可以提高空間利用率，兼之其輸入輸出軸在同一軸線上，所以行星齒輪減速器的徑向尺寸非常緊湊。電動(dòng)機(jī)電樞電阻157Ω，電感3.4mH，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 4.45mNm，空載轉(zhuǎn)速7700r/min，額定電壓24V，減速比19：1。

1.2.4 功率驅(qū)動(dòng)芯片選型

考慮本系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需求、驅(qū)動(dòng)控制邏輯及器件性能指標(biāo)，選用MSK4201型PWM功率放大芯片作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。MSK4201內(nèi)部集成了功率場(chǎng)效應(yīng)管H橋電路，H橋自舉驅(qū)動(dòng)與控制電路，最大電源母線電壓75V，連續(xù)輸出電流5A，滿足系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)要求。H橋自舉驅(qū)動(dòng)與控制電路包括場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生及H橋關(guān)斷等電路。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路由DSP控制電路和電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路組成，其中DSP控制電路包含DSP主控模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、通訊控制模塊等功能模塊電路。系統(tǒng)硬件電路組成框圖如圖4所示。

2.1 DSP控制電路

2.1.1 DSP主控模塊

由TMS320F28 1 2、振蕩電路、LDO電路、JATG接口電路及外部擴(kuò)展SRAM電路組成，主要完成DSP工作環(huán)境設(shè)置及存儲(chǔ)空間擴(kuò)展。設(shè)計(jì)中選用30MHz石英晶體振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘，LDO芯片提供DSP內(nèi)核及I/O工作電源，片外擴(kuò)展SRAM存儲(chǔ)空間為512K×16bit。

2.1.2 傳感器信號(hào)采集模塊

旋轉(zhuǎn)電編碼器采用+5V供電，采用SSI串行通信接口，通信時(shí)鐘頻率為0.5～2.5MHz，輸入輸出信號(hào)為Rs-422差分電平。由于TMS320F28 12數(shù)字量I\O供電電壓為+3.3V，無法直接與旋轉(zhuǎn)電編碼器直接連接，輸入輸出信號(hào)需經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)電路、RS-422電平轉(zhuǎn)換電路變換。設(shè)計(jì)中選用IDT74LVCH1 64245A雙向16位總線驅(qū)動(dòng)芯片和DS26LS31、DS26LS32差分總線驅(qū)動(dòng)、接收器實(shí)現(xiàn)總線驅(qū)動(dòng)與電平轉(zhuǎn)換功能。

雙軸微機(jī)械陀螺采用+5V供電，采用RS-422串行通信接口，其輸入輸出信號(hào)也需要經(jīng)總線驅(qū)動(dòng)電路、RS-422電平轉(zhuǎn)換電路變換。

2.2 電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路

由光耦隔離電路、輸出使能邏輯控制電路、濾波電路組成。采用HCPL-0630高速光耦實(shí)現(xiàn)DSP控制電路與電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路間的隔離，使用RC串聯(lián)濾波電路對(duì)MSK4201輸出信號(hào)進(jìn)行濾波保護(hù)，提高系統(tǒng)電磁兼容性和工作可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括以下程序模塊：系統(tǒng)初始化、串口中斷、控制算法運(yùn)算、PWM脈沖波形產(chǎn)生。

3.1 系統(tǒng)程序流程

主程序首先完成系統(tǒng)初始化，將SCI串行通信接口SCI-A設(shè)置為FIFO中斷接收方式(用于控制電路與導(dǎo)引系統(tǒng)計(jì)算機(jī)串口通訊)、SCI-B設(shè)置為狀態(tài)查詢接收方式(用于陀螺輸出信號(hào)采樣)，GPIO-F設(shè)置為通用數(shù)字量I/O(用于陀螺同步觸發(fā)、旋轉(zhuǎn)電編碼器輸出采樣及電機(jī)鎖定信號(hào)產(chǎn)生)，時(shí)間管理器 EV-A和EV-B設(shè)置為連續(xù)增減技術(shù)模式(用于PWM脈沖波形產(chǎn)生)，軟件通過CPUTIMERO定時(shí)計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)算法更新，完成平臺(tái)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

控制系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)字PID控制算法

PID控制因其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于伺服穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)控制中。

對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制器，其算法表達(dá)式如下：

其中：u(t)是PID控制器的輸出，e(t)是給定輸入如實(shí)際輸出之間的偏差量，Kp是比例增益，Ki是積分增益，kd是微分增益。

按照連續(xù)PID控制算法、以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，可得離散PID表達(dá)式為：

其中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)，k=1，2，…，e(k-1)和e(k)分別為第(k-1)和第k時(shí)刻偏差量。

由于數(shù)字PID控制未考慮積分飽和問題，不能直接輸出到電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路，需在PID控制輸出之前設(shè)計(jì)抗積分飽和措施，以防止由于積分項(xiàng)的過度積累造成系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)伺服穩(wěn)定平臺(tái)主要性能指標(biāo)如下：

隔離度：對(duì)幅度5°、頻率1Hz正弦擺動(dòng)的隔離度為43dB;

位置伺服精度：0.2°;

各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書要求。

5 小結(jié)

本文通過基于TMS320F2812 DSP的控制電路硬件、軟件設(shè)計(jì)，配合小型、數(shù)字輸出傳感器選型，完成彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，平臺(tái)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。本文研究成果對(duì)于小型化、數(shù)字式彈載伺服穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。