基于TMS320F28335的雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以為核心，設(shè)計(jì)了一種高可靠性的雷達(dá)伺服系統(tǒng)。描述了伺服系統(tǒng)的組成及其工作原理，重點(diǎn)討論了伺服控制器的設(shè)計(jì)，分析系統(tǒng)的安全控制策略，并給出具體實(shí)現(xiàn)的控制電路。實(shí)踐表明：系統(tǒng)具備精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、易調(diào)試等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng);控制器;TMS320F28335;安全控制策略

伺服系統(tǒng)是雷達(dá)的重要組成部分，其性能的好壞直接影響雷達(dá)的動(dòng)態(tài)性能和測(cè)量精度，如何保證其高精度、安全、可靠工作是雷達(dá)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文介紹了一種基于TMS320F28335的雷達(dá)伺服系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法。TMS320F28335是TI公司最新推出的控制專用32位浮點(diǎn)DSP芯片，它的機(jī)器周期最短只有約6ns，芯片內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，具有很強(qiáng)的信號(hào)處理及控制能力，在電機(jī)控制應(yīng)用方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該雷達(dá)伺服系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、編碼器、減速機(jī)構(gòu)、電源及控保電路等部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

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其工作原理為伺服控制器接收到控制命令后，進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算后輸出控制電壓到伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)按要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

伺服系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計(jì)采用電流環(huán)、速度換、位置環(huán)三環(huán)控制方案。伺服控制器完成位置環(huán)閉環(huán)功能，伺服驅(qū)動(dòng)器完成電流環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)功能。電流環(huán)和速度環(huán)為位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，電流環(huán)設(shè)計(jì)為比例控制，速度環(huán)設(shè)計(jì)為比例積分控制，把設(shè)計(jì)好的電流環(huán)作為速度環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)。為了保證系統(tǒng)精度，位置環(huán)設(shè)計(jì)為Ⅱ型系統(tǒng)，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求。系統(tǒng)環(huán)路原理框圖如圖2所示。

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伺服電機(jī)選用交流伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)因體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、過(guò)載能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在高精度、高可靠性的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電機(jī)與轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸和俯仰軸之間安裝減速器。系統(tǒng)位置檢測(cè)采用光電編碼器，根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，采用16位的光電編碼器，其測(cè)角分辨率為。光電編碼器通過(guò)聯(lián)軸器安裝于方位和俯仰軸上。驅(qū)動(dòng)部分采用全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，速度控制模式，伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)可在線調(diào)整，方便調(diào)試。

2 伺服控制器設(shè)計(jì)

伺服控制器以TMS320F28335為控制核心，加上一些必要的外圍電路構(gòu)成。伺服控制器的功能是實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制、串口通信、信號(hào)檢測(cè)、故障檢測(cè)及安全保護(hù)等功能。

2.1 伺服控制器硬件組成

伺服控制器硬件電路主要由DSP主控芯片、DSP外圍電路、電源電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、故障檢測(cè)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、安全保護(hù)電路等構(gòu)成，如圖3所示。系統(tǒng)外擴(kuò)了512kx16位SRAM，方便系統(tǒng)調(diào)試時(shí)的外部仿真;采用AD7836外擴(kuò)4路D/A輸出信號(hào)，其中兩路作為正向通道，兩路作為位前饋通道，經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算后作為驅(qū)動(dòng)器速度環(huán)路的輸入信號(hào);利用TMS320F28335芯片自帶的3路SCI，經(jīng)接口芯片MAX3491電平轉(zhuǎn)換后，將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS422電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)伺服控制器與兩路編碼器及上位機(jī)的通信，所有輸入輸出的I/O信號(hào)均通過(guò)光耦與外部隔離，起到保護(hù)DSP內(nèi)核的作用。

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2.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求的轉(zhuǎn)速范圍為0.05°/s～60°/s，則系統(tǒng)調(diào)速比

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2.3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在CCS3.3開(kāi)發(fā)環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化方法設(shè)計(jì)，便于調(diào)試，系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。其工作過(guò)程為：系統(tǒng)復(fù)位后首先對(duì)DSP進(jìn)行初始化，然后系統(tǒng)自檢，如果自檢異常，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，切斷伺服驅(qū)動(dòng)器的SRV—ON信號(hào)。如果自檢正常，則系統(tǒng)根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理及串口通信，最后，伺服控制器判斷是否系統(tǒng)有故障，如果無(wú)故障，則系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期，否則，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，切斷伺服驅(qū)動(dòng)器的SRV—ON信號(hào)。

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2.4 位置環(huán)路控制策略

位置環(huán)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于系統(tǒng)需要，該環(huán)路不能有振蕩、超調(diào)現(xiàn)象，同時(shí)又要保證快速性。在位置環(huán)的設(shè)計(jì)中采用了滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法，滑模控制的優(yōu)點(diǎn)是能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對(duì)干擾和未建模動(dòng)態(tài)具有很強(qiáng)的魯棒性，尤其是對(duì)非線性系統(tǒng)的控制具有良好的效果。其最大的優(yōu)點(diǎn)是滑動(dòng)模態(tài)對(duì)加在系統(tǒng)上的干擾和系統(tǒng)的攝動(dòng)具有完全的自適應(yīng)性，而且系統(tǒng)狀態(tài)一旦進(jìn)滑模運(yùn)動(dòng)，便能夠快速收斂到目標(biāo)控制，為時(shí)滯系統(tǒng)，不確定性系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計(jì)提供了一種有效的途徑。變結(jié)構(gòu)控制可以解決系統(tǒng)大角速度調(diào)轉(zhuǎn)和穩(wěn)定過(guò)渡的難題;當(dāng)位置誤差小于一定量時(shí)，系統(tǒng)切換到PI控制器，以此滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度要求。系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中VSS表示滑模變結(jié)構(gòu)控制器，P+I表示比例積分控制器。

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控制策略為：

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2.5 安全控制策略

雷達(dá)伺服系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，在工作過(guò)程中處于高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，在人員操作失誤或設(shè)備失控飛車(chē)的情況下，都有可能對(duì)人員或設(shè)備造成傷害，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮安全控制策略，本系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面入手：伺服驅(qū)動(dòng)器上電延時(shí)設(shè)計(jì)、開(kāi)機(jī)自檢、DSP自身工作檢測(cè)、伺服驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)、俯仰機(jī)構(gòu)抱閘設(shè)計(jì)、通信鏈路檢測(cè)、俯仰機(jī)構(gòu)限位檢測(cè)等。

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安全控制邏輯組合電路如圖7所示，其工作過(guò)程為：系統(tǒng)上電后，硬件延時(shí)電路對(duì)DELAY信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到之后，DELAY輸出高電平，延時(shí)的目的是為了保證各外圍電路正常工作之后才能啟動(dòng)SBV—ON信號(hào)。DSP自檢完成之后，如果DSP工作正常，則GPI020送出方波信號(hào)，通過(guò)54HCT123將其展寬后變?yōu)楦唠娖叫盘?hào)送入四2輸入與門(mén)電路CD4081，否則54HCT123送出低電平信號(hào)，其作用是實(shí)時(shí)判斷DSP是否工作正常，防止程序跑飛或DSP死機(jī);TOP，BOTTOM為俯仰機(jī)構(gòu)上、下限位信號(hào)，正常情況下為高電平，如果觸發(fā)電氣限位，則變?yōu)榈碗娖?ALM信號(hào)為DSP送出的報(bào)警信號(hào)，如果DSP檢測(cè)到各故障報(bào)警信號(hào)均正常，則DSP送出高電平，否則送出低電平。CD4081對(duì)各路輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯與運(yùn)算，如果各檢測(cè)信號(hào)均為高電平，則說(shuō)明系統(tǒng)工作正常，啟動(dòng)SRV—ON，伺服驅(qū)動(dòng)器工作，否則認(rèn)為伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障，SBV—ON信號(hào)送出高電平，伺服驅(qū)動(dòng)器停止工作。

3 電磁兼容設(shè)計(jì)

雷達(dá)系統(tǒng)是集微波、電子、電氣、精密機(jī)械為一體的復(fù)雜裝置。其工作時(shí)將會(huì)產(chǎn)生各種感應(yīng)和干擾，在這種復(fù)雜的電磁環(huán)境下工作，有可能導(dǎo)致伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障甚至無(wú)法正常運(yùn)行;而伺服系統(tǒng)工作時(shí)本身也是一個(gè)干擾源，伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的電力電子器件的電流通斷造成的開(kāi)關(guān)噪聲，電感負(fù)載電流切斷引起的噪聲，接通負(fù)載時(shí)的沖擊電流和開(kāi)關(guān)的抖動(dòng)，動(dòng)力傳輸線的發(fā)射，伺服控制器內(nèi)高速數(shù)字電路運(yùn)行產(chǎn)生的

干擾等，這些干擾都有可能影響雷達(dá)系統(tǒng)其他設(shè)備的正常工作，因此伺服系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)不容忽視。

本系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

1)信號(hào)線連接使用屏蔽線，伺服控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器采用金屬外殼封裝，對(duì)電磁干擾進(jìn)行隔離屏蔽。

2)在電路板設(shè)計(jì)及電纜走線時(shí)考慮高低壓隔離，強(qiáng)弱電隔離，模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)，交、直流電源分開(kāi)。

3)合理接地，采用一點(diǎn)接地的方法，將電機(jī)外殼、動(dòng)力線屏蔽層、驅(qū)動(dòng)器外殼金屬接地。接地線必須短而粗，使得接地電阻和電感較小，免得引入額外的干擾。接地線與大地連接良好。

4)對(duì)電源和有關(guān)信號(hào)進(jìn)行有效濾波，減小干擾。

4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)定位精度達(dá)到0.012°(RMS)，調(diào)速范圍0.05°/s～60°/s，測(cè)角精度為0.01°(RMS)，最大加速度60°/s2，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中詳述了以TMS320F28335芯片為核心構(gòu)成的伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用該方案設(shè)計(jì)的雷達(dá)伺服系統(tǒng)已經(jīng)在多次試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可靠性高，穩(wěn)定性好，易于調(diào)試，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性要求。具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。