基于DSP的實時自動調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：穩(wěn)定平臺隔離載體運動的特性使其在軍事及民用領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于負載特性與工況的不同以及系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜等原因使得穩(wěn)定平臺的通用性不高。本文基于某武器系統(tǒng)的需要，對機電式雙軸實時穩(wěn)定平臺伺服控制系統(tǒng)進行了研究。該文以TMS320F2812芯片為控制核心，結(jié)合串口通信、陀螺儀等模塊設(shè)計了實時自動調(diào)平控制系統(tǒng)。通過編制測試軟件，對控制系統(tǒng)進行了調(diào)試，驗證了本設(shè)計預(yù)定的功能切實可行。

穩(wěn)定平臺能夠有效的隔離載體運動，確保安裝于穩(wěn)定平臺上的裝置工作時不會受載體的運動影響。無論在軍事上還是在民用中穩(wěn)定平臺都有著重要的用途。本文的主要研究對象屬于實時穩(wěn)定平臺。實時穩(wěn)定平臺的載體處于運動狀態(tài)，要求負載如艦載武器等在載體運動的狀態(tài)下可靠穩(wěn)定地工作，多見于高技術(shù)含量的武器系統(tǒng)如艦載設(shè)備、機載設(shè)備等，實時穩(wěn)定平臺對于穩(wěn)定平臺的快速性及動態(tài)精度要求較高，手動或滯后調(diào)平已經(jīng)不能滿足要求。

1 系統(tǒng)組成

1.1 調(diào)平原理

調(diào)平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，主要由動平臺，三自由度球鉸鏈，支撐桿，二自由度虎克鉸，絲桿螺母和滾珠絲桿，基座等部件構(gòu)成。動平臺通過支點A1，A2及O點分別與平臺的基座和傳動支鏈相連接，并構(gòu)成以O(shè)點為直角的等腰直角三角形A1A2O。系統(tǒng)工作時，當檢測到動平臺處于非水平狀態(tài)后，控制系統(tǒng)經(jīng)過解算得出兩球鉸應(yīng)上升或下降的行程，然后驅(qū)動電機經(jīng)傳動機構(gòu)(減速箱)控制絲桿轉(zhuǎn)動帶動絲桿螺母上移或下移，繼而支撐桿帶動球鉸控制動平臺進行穩(wěn)定調(diào)平運動。系統(tǒng)調(diào)試時由一個電機通過帶輪驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)帶動系統(tǒng)進行搖擺動作，控制系統(tǒng)控制電機進行實時調(diào)平。

1.2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)由傾角檢測部分，控制部分，通信部分，執(zhí)行部分，限位保護部分，狀態(tài)顯示部分組成，主要包括TMS320F2812芯片，升降壓電路，485串口通信模塊，角度陀螺儀，角速度陀螺儀，電機驅(qū)動器，限位開關(guān)，狀態(tài)顯示模塊等。系統(tǒng)硬件工作原理如圖2所示。

實時自動調(diào)平控制系統(tǒng)以TMS320F2812芯片為核心，通過485串口通信控制陀螺儀并接收陀螺儀角度數(shù)據(jù)，通過濾波處理，得到系統(tǒng)擺動角速度與傾角狀態(tài)，經(jīng)過TMS320F2812芯片計算得出電機轉(zhuǎn)速，再由TMS320F2812的兩路脈沖信號經(jīng)過升壓電路分別發(fā)送給兩臺電機驅(qū)動器驅(qū)動電機進行調(diào)平。驅(qū)動器可通過降壓電路把電機實際精確位置信息反饋給控制系統(tǒng)。限位開關(guān)可保證不會發(fā)生超量程動作導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象。上位機可通過JTAG仿真器與控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)調(diào)試試驗程序、下載等功能，也可通過RS232串口與驅(qū)動器連接，方便監(jiān)測電機系統(tǒng)狀態(tài)。狀態(tài)顯示可觀測到系統(tǒng)調(diào)平狀態(tài)及有無錯誤發(fā)生。

控制系統(tǒng)主控板如圖3所示。該控制板的主要功能模塊電路與硬件設(shè)計章節(jié)所述基本一致?？刂瓢逡訲MS320F2812為核心，其集成的通信模塊與電機控制模塊非常適合本系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。除此之外還通過通用I/O口設(shè)計了電機、傳感器等接口電路以及按鍵應(yīng)用，在控制板背面還設(shè)計了SD卡模塊。

2 實時調(diào)平控制方案

2.1 實時調(diào)平控制系統(tǒng)軟件總體框圖設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計，便于調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)軟件包括主監(jiān)控程序、初始化模塊程序、運動控制模塊程序、數(shù)據(jù)處理模塊程序、SD卡存儲模塊程序、通信模塊程序等組成，其中運動控制模塊又分為：電機驅(qū)動模塊、調(diào)平算法模塊、位置反饋模塊等。控制系統(tǒng)軟件總體框圖如圖4所示。

2.2 實時調(diào)平控制算法程序設(shè)計

調(diào)平算法模塊包括3個部分：速度跟蹤與位置補償模塊、PID算法模塊。其中速度跟蹤模塊使調(diào)平機構(gòu)在系統(tǒng)搖擺時能夠以相同的速度反向運動以實現(xiàn)調(diào)平粗調(diào);位置補償模塊可以使得調(diào)平系統(tǒng)減小靜態(tài)誤差，在動態(tài)調(diào)平過程中減小動態(tài)誤差積累;PID算法實現(xiàn)了電機運動狀態(tài)隨著系統(tǒng)搖擺速度而實時變速的功能;抑振模塊改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使得調(diào)平快速響應(yīng)性能以及動態(tài)精度進一步提高。

1)速度跟蹤與位置補償模塊程序

速度跟蹤模塊及位置補償模塊程序流程圖如圖5～6所示。

當控制系統(tǒng)采樣速度經(jīng)過濾波，并計算出速度PID結(jié)果后，依據(jù)傳動鏈傳動比及絲桿螺母速度與動平臺角速度之間的關(guān)系便可得到電機轉(zhuǎn)速。由電機轉(zhuǎn)速便可計算出事件管理器周期寄存器設(shè)置值，最后更新周期寄存器的值便可改變電機轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速與周期寄存器設(shè)定值之間的關(guān)系如下。

其中，V為電機轉(zhuǎn)速，SYSCLOUT為系統(tǒng)時鐘頻率，TxCMP為周期寄存器設(shè)定值，NPR為電機驅(qū)動器設(shè)定的電機轉(zhuǎn)動一圈所需脈沖數(shù)。

位置補償模塊與速度跟蹤模塊實現(xiàn)過程相似，角度誤差最終轉(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)速，補償速度跟蹤模塊程序造成的位置誤差。

2)PID算法模塊程序

PID算法是電機驅(qū)動的核心算法，它實現(xiàn)了電機隨傳感器數(shù)據(jù)實時變速的功能，是實現(xiàn)實時調(diào)平的基礎(chǔ)。當傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后便可由PID算法計算出比例偏差，如果比例偏差大于設(shè)定的最小值便進入計算積分項Sk、微分項dk程序，最后計算出PID最終結(jié)果：

Upid=KpxekxKIxSk+KDxdk (2)

3 系統(tǒng)主要功能模塊調(diào)試與分析

3.1 PWM脈沖功能調(diào)試

PWM脈沖功能是DSP控制系統(tǒng)最重要的功能之一，是驅(qū)動電機的最主要手段?？刂葡到y(tǒng)通過發(fā)送脈沖來控制電機位置，DSP通過改變發(fā)送脈沖的頻率來控制調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。文中通過DSP2812的T1PWM與T3PWM管腳分別控制兩個調(diào)平電機。PWM功能測試結(jié)果如下所示。圖的上半部分為示波器采集圖，下半部分為CCS中程序運行時寄存器的值。由圖7～8可以看出PWM脈沖產(chǎn)生與PWM脈沖頻率改變兩項主要功能都運行正常。

3.2 串口通信功能調(diào)試

在本文設(shè)計中，采集傳感器的數(shù)據(jù)使用的手段是通過DSP2812中集成的串口通信模塊，串口通信與不同的芯片組合可以構(gòu)成兩種通信模式：RS232與RS485。由于采用RS485雖然通信距離長，抗干擾強，但是這種方式不能直接與PC機通信，因此本文選用MAX3232元件將通信功能設(shè)計成RS232模式。圖9為RS232與PC機通信測試圖，其中上半部分為PC機軟件發(fā)送數(shù)據(jù)圖，下半部分為CCS軟件中寄存器數(shù)據(jù)觀察窗。測試程序運行過程中，在PC機上通過串口獵人軟件發(fā)送一串16進制數(shù)據(jù)：0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，在寄存器視窗中觀察到數(shù)據(jù)采集數(shù)組中成功的接收到了PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.3 實時調(diào)平算法程序調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過算法程序反復(fù)調(diào)試，獲得了理想的濾波及PID參數(shù)，程序運行效果良好，控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)±20°以內(nèi)最高搖擺速度不高于20°/s的工況內(nèi)的實時調(diào)平，實時調(diào)平精度可控制在±0.3°，滿足了武器系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

文中以TMS320F2812為核心，通過濾波算法及PID算法的應(yīng)用，并通過試驗調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)了某武器系統(tǒng)的實時自動調(diào)平。本文的研究結(jié)果對于搖擺周期變化無規(guī)律，搖擺角度幅值變化無規(guī)律等復(fù)雜情況下的機電式實時動態(tài)自動調(diào)平提供了一個通用的解決方法。