基于伺服電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)仿真實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

　　目標(biāo)仿真系統(tǒng)研究的是能夠?qū)崟r(shí)精確的模擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中導(dǎo)引頭入瞳處接收到的各種目標(biāo)反射編碼激光的光學(xué)特性。具體來說就是在計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制器的控制下實(shí)時(shí)控制激光能量和光斑大小的變化，并以此來模擬激光航彈導(dǎo)引頭入瞳處的激光目標(biāo)特性、能量變化特性和光斑大小變化特性。這種精確的模擬要求對(duì)目標(biāo)的位置信息和速度信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理。之前基于步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的程控一體化激光器不能很好的滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，因此，筆者設(shè)計(jì)了基于伺服電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在控制激光光斑大小和能量的實(shí)時(shí)變化方面較前一系統(tǒng)有了較大改進(jìn)。

　　運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

　　對(duì)激光光斑的大小和能量的實(shí)時(shí)性控制，具體體現(xiàn)就是對(duì)程控一體化激光器中的可變衰減系統(tǒng)和可控?cái)U(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，這是目標(biāo)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)時(shí)，我們以某型激光制導(dǎo)武器為背景進(jìn)行了數(shù)字仿真，得到一組典型的數(shù)字仿真能量衰減(對(duì)應(yīng)的為電機(jī)控制步數(shù)數(shù)據(jù))曲線如圖1~2所示。

　　由上述數(shù)據(jù)和圖形可見，在初始投彈和飛行的大部分時(shí)間里，能量和光斑變化較緩慢，而在接近目標(biāo)時(shí)發(fā)生了劇烈的變化。這說明當(dāng)炸彈接近目標(biāo)時(shí)激光能量和導(dǎo)引頭所見光斑大小隨時(shí)間的變化并不是一個(gè)線性關(guān)系。鑒于此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)既充分考慮光斑大小和能量的實(shí)時(shí)跟蹤范圍，又考慮了工程上實(shí)現(xiàn)的可能性，選用了TSA50標(biāo)準(zhǔn)型高速電控平移臺(tái)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)則選用中空力矩電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)棱鏡來直接實(shí)現(xiàn)。特別的，本系統(tǒng)將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)均改為由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主要考慮的是伺服電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間短，速度高，在極短的時(shí)間內(nèi)能夠帶動(dòng)激光器內(nèi)安裝的平移棱鏡和旋轉(zhuǎn)棱鏡做高速運(yùn)動(dòng)，來模擬導(dǎo)引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿足對(duì)光斑實(shí)時(shí)變化的要求。由高速平移臺(tái)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)擴(kuò)束系統(tǒng)的目鏡和格蘭—付克棱鏡的檢偏鏡，使得能量和光斑變化在彈目距離>300m時(shí)能完全滿足實(shí)時(shí)性控制要求。而在剩余時(shí)間內(nèi)，由電機(jī)做全速運(yùn)動(dòng)來近似逼近末段的陡峭變化。

　　基于以上的目標(biāo)和對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制功能的設(shè)計(jì)，采用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片是一種較好的選擇[2]。專用控制芯片通過PCI 總線與PC 機(jī)的CPU 通訊，接收PC 機(jī)的控制指令，由內(nèi)部的邏輯電路進(jìn)行運(yùn)算和脈沖發(fā)送，同時(shí)檢測(cè)一些開關(guān)量信號(hào)(如限位信號(hào))的狀態(tài)并向PC 機(jī)報(bào)告，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的功能。在這種方案中，所有的運(yùn)動(dòng)控制細(xì)節(jié)都由運(yùn)動(dòng)控制卡上的專用芯片完成，無需占用PC 機(jī)的資源，PC 機(jī)可以專注于用戶界面的處理和對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡狀態(tài)的監(jiān)控。運(yùn)動(dòng)控制專用芯片自身具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能，不需要擴(kuò)展復(fù)雜的外圍電路。PC 機(jī)只需要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)送命令和參數(shù)，控制簡(jiǎn)單。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)研和論證，初步確定總體運(yùn)動(dòng)控制方案為“PCI 接口芯片+專用運(yùn)動(dòng)控制芯片+激光控制模塊”。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)硬件由PC機(jī)、DMC5400多軸控制器、增量式編碼器以及松下公司的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)(包括電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器)、中空力矩電機(jī)等組成(見圖3)。

　　該控制系統(tǒng)以PC機(jī)平臺(tái)為基礎(chǔ)，DMC5400多軸運(yùn)動(dòng)控制器為運(yùn)動(dòng)控制核心。PC機(jī)的CPU與DMC5400的CPU構(gòu)成上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CPU各自完成相應(yīng)的任務(wù)。

　　PC機(jī)作為DMC5400的上位機(jī)，提供Windows平臺(tái)及人機(jī)操作界面，完成系統(tǒng)初始化、軌跡參數(shù)的設(shè)定、運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示等，僅需用極少部分時(shí)間向控制卡發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令。下位DMC5400多軸運(yùn)動(dòng)控制器主要完成平移電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，包括伺服驅(qū)動(dòng)、程序解釋以及高速數(shù)據(jù)采集等實(shí)時(shí)性任務(wù)。DMC5400直接插在PC機(jī)的PCI插槽中，并由動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)驅(qū)動(dòng)。

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種以DMC5400為核心組