基于加速度回路的天線隨動系統(tǒng)控制器設(shè)計
摘要:為了解決天線隨動系統(tǒng)所存在的振顫現(xiàn)象和全數(shù)字化實現(xiàn)等問題,介紹了一種基于加速度回路的全數(shù)字化天線隨動系統(tǒng)控制器,該系統(tǒng)以DSP芯片TMS320F2812為核心控制芯片,采用速率陀螺平臺穩(wěn)定系統(tǒng)、數(shù)字PID控制算法和脈寬調(diào)制驅(qū)動方式,通過引入加速度回路抑制系統(tǒng)的高頻振蕩,極大地改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì),具有極高的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:加速度回路;天線隨動系統(tǒng);平臺穩(wěn)定系統(tǒng);PID;脈寬調(diào)制
0 引言
隨動系統(tǒng)亦稱為伺服系統(tǒng),其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、自動駕駛儀、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等各個領(lǐng)域。在導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域中,隨動系統(tǒng)的應(yīng)用極其重要,其涉及到目標(biāo)準(zhǔn)確跟蹤、制導(dǎo)精度、作戰(zhàn)性能等關(guān)鍵因素,隨動系統(tǒng)控制器作為整個導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的核心,其性能好壞直接影響著系統(tǒng)的整體性能。
文獻提出導(dǎo)引頭隨動控制系統(tǒng)設(shè)計方案,通過理論分析和仿真驗證表明,這種隨動系統(tǒng)具有較好的搜索和跟蹤性能。但是,在實際應(yīng)用中,由于高頻振蕩的存在,對隨動系統(tǒng)的高跟蹤精度和整體性能影響較大。針對這種問題,本文從天線隨動系統(tǒng)的控制方案出發(fā),以實現(xiàn)隨動系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)特性、高質(zhì)量的穩(wěn)態(tài)精度和較強的非線性干擾能力為目的,通過仿真詳細分析了隨動系統(tǒng)的各種功能特性。巧用速度微分即加速度負反饋的方法,引入加速度反饋回路,增加系統(tǒng)阻尼,在減小超調(diào)的同時,抑制尖峰干擾,極大地提高了天線隨動系統(tǒng)的整體性能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
本系統(tǒng)設(shè)計采用內(nèi)外雙框架結(jié)構(gòu),內(nèi)框架為俯仰框架,外框架為方位框架。內(nèi)外框架均安裝有直流力矩電機、測角電位計和速率陀螺,由它們共同實現(xiàn)天線的方位和俯仰運動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
控制系統(tǒng)由測角電位計、速率陀螺、A/D電路、DSP控制器、PWM功率驅(qū)動電路、直流力矩電機構(gòu)成。A/D電路將電位計和速率陀螺輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,被動雷達接收機作為測角裝置給出誤差角度信號,在DSP控制器中完成PID控制算法,并給出PWM信號,再經(jīng)PWM功率驅(qū)動電路驅(qū)動直流力矩電機,從而完成對天線的全數(shù)字化控制。
2 系統(tǒng)設(shè)計與仿真
2.1 系統(tǒng)控制原理框圖
本系統(tǒng)所采用的是速率陀螺穩(wěn)定平臺式天線隨動跟蹤系統(tǒng)方案,從原理上說,可稱為“平臺式隨動系統(tǒng)”,它既能隔離載體角運動對天線電軸的鉸鏈,又能使天線電軸快速準(zhǔn)確地跟蹤視線,并且當(dāng)被動雷達接收機停止工作時,天線電軸能保持在導(dǎo)航坐標(biāo)系總的指向穩(wěn)定不變。該方案的控制原理框圖以及各個角度之間的關(guān)系如圖2所示。
圖2中,q為導(dǎo)航系的視線角;e為導(dǎo)航系的誤差角;ψ,分別為載體的姿態(tài)角和角速度;為載體軸與天線電軸之間的夾角及其角速度;uT,uφ分別為被動雷達接收機、角位置傳感器經(jīng)過放大器KT,Kf的輸出電壓,它們都要輸給載體控制系統(tǒng);ηg為角速率陀螺儀的漂移;為被動雷達接收機(測向裝置)的傳遞函數(shù),τD為測角延遲時間;GPID(s)為PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù),Gc(s)為校正裝置傳遞函數(shù),其作用為增大系統(tǒng)帶寬,提高系統(tǒng)解耦性能,同時超前網(wǎng)絡(luò)校正環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的φ和uT的輸出,減弱輸出產(chǎn)生的紋波;Gd(s)為伺服電機減速器及負載的傳遞函數(shù);Gg(s)為角速率陀螺儀的傳遞函數(shù),各傳遞函數(shù)表達式如下:
Kφ,Kw分別為角位置傳感器的PWM驅(qū)動傳遞系數(shù);Kz,Kc1,Kc2,Kf,KT分別為電子放大器的放大系數(shù)。K1,K2為兩個開關(guān)。當(dāng)被動雷達接收機開機時,K1,K2同時接通,掃描信號通過K1驅(qū)動隨動系統(tǒng),對目標(biāo)進行搜索;當(dāng)被動雷達截獲目標(biāo)后,K1,K2同時斷開,雷達天線在隨動系統(tǒng)驅(qū)動下轉(zhuǎn)入對目標(biāo)跟蹤狀態(tài),根據(jù)被動雷達接收機給出的實時誤差角度信號實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。
從圖2中可以看出,天線隨動系統(tǒng)由內(nèi)至外分別由角加速度反饋回路、角速度反饋回路、角位置反饋回路三個閉環(huán)反饋控制回路組成。其中,角加速度回路由PWM驅(qū)動、力矩電機、角速率陀螺、微分環(huán)節(jié)、角加速度反饋放大環(huán)節(jié)構(gòu)成,采用對角速率陀螺輸出信號微分得到角加速度信號。角速度回路由PID控制器、PWM驅(qū)動、力矩電機、角速率陀螺、角速度反饋放大環(huán)節(jié)構(gòu)成。角位置回路由測向裝置、前置放大器、校正環(huán)節(jié)和角速度反饋回路連接構(gòu)成。
2.2 天線隨動系統(tǒng)性能分析
本設(shè)計通過對各回路元件的理論模型和非線性進行仿真分析,調(diào)整相關(guān)參數(shù),使其能夠達到系統(tǒng)的性能要求,并將仿真得到的相關(guān)參數(shù)作為軟硬件實現(xiàn)的依據(jù)。
2.2.1 輸出特性
根據(jù)線性系統(tǒng)疊加性原理,將圖2系統(tǒng)分解為單輸入單輸出系統(tǒng)進行分析,當(dāng)q,ψ,ηg同時輸入到系統(tǒng)時,可得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出特性為:
等號右邊第一項為隨動系統(tǒng)輸出到載體控制系統(tǒng)的導(dǎo)引信號,是與視線角速度成正比例的信號;第二項是載體角運動的鉸鏈輸出,對載體的控制性能產(chǎn)生了影響;第三項是角速度陀螺儀的漂移造成的干擾輸出,將它輸入載體控制系統(tǒng),會造成導(dǎo)引誤差,因此要選擇漂移小的角速度陀螺儀。
圖3給出了當(dāng)輸入q=1(t),ψ=0時,輸出φ(t)和uT(t)的曲線。從圖中可見,曲線連續(xù)平滑,穩(wěn)態(tài)性能較好,并且能夠較好地實現(xiàn)的比例導(dǎo)引規(guī)律。
2.2.2 解耦特性
系統(tǒng)的解耦特性主要研究載體角運動及角速度陀螺儀的漂移對天線電軸在導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置影響。因此,要分析以ψ,ηg為輸入時,對φ的影響。
當(dāng)以ψ為輸入,φ穩(wěn)態(tài)輸出特性為:
由式(6)可知,載體角運動對天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)位置無鉸鏈,系統(tǒng)各元件參數(shù)變化都不會影響天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中位置。說明該系統(tǒng)具有全解耦功能。
2.2.3 抗關(guān)機特性
抗關(guān)機特性主要研究當(dāng)目標(biāo)雷達關(guān)機后,載體角運動、角速度陀螺儀的漂移對天線電軸在導(dǎo)航系的位置的影響。
由式(7)可知,當(dāng)目標(biāo)雷達關(guān)機后,載體角運動不影響天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中的位置,能保持目標(biāo)雷達關(guān)機前的指向不變。
由式(8)可知,在目標(biāo)雷達關(guān)機后,天線電軸在導(dǎo)航系統(tǒng)中的漂移與角速度陀螺儀的漂移大小相等,方向相反。所以角速度陀螺儀的漂移影響天線抗關(guān)機性能,需根據(jù)載體在目標(biāo)雷達關(guān)機后需飛行的最長時間來選擇角速度陀螺儀的漂移特性。
2.2.4 搜索特性
搜索特性分析是指當(dāng)隨動系統(tǒng)在搜索狀態(tài)下,以R。(t)和(t)為輸入,φ(t)為輸出時的特性。其穩(wěn)態(tài)輸出特性為:
由此可知,雷達天線能按照給定的信號,在方位和俯仰面上進行要求方式的掃描,掃描的范圍由Rs(t)的幅值控制。但由于掃描時,φ與成比例,故在掃描時載體角速度不能太大,否則天線電軸會丟失目標(biāo)。
2.2.5 跟蹤特性
圖4給出了當(dāng)輸入q=20t,ψ=0時,輸出φ(t)的仿真曲線。它表明,當(dāng)輸入20°/s的角速度信號時,跟蹤回路能較好地復(fù)現(xiàn)系統(tǒng)的輸入信號,即電軸可以穩(wěn)定跟蹤視線角,實現(xiàn)高精度跟蹤。同時可以看出,φ的輸出在過零點時,特性良好,無死區(qū)現(xiàn)象。
2.2.6 引入加速度回路特性
在天線隨動系統(tǒng)中增加的角加速度負反饋回路,不但可以用于抑制系統(tǒng)的高頻振蕩,解決隨動系統(tǒng)的顫振問題,而且能克服慣性平臺的“航向效應(yīng)”,提高了電機參數(shù)的魯棒性,使平臺式隨動系統(tǒng)的性能更加可靠。圖5給出了輸入標(biāo)準(zhǔn)差為σi=0.33時,取Kc2=1.2,加速度回路起反饋作用,輸出標(biāo)準(zhǔn)差σo=0.21。它表明天線隨動系統(tǒng)的φ角度輸出得到平滑。取Kc2=0,加速度回路不起反饋作用時,輸出標(biāo)準(zhǔn)差σo= 0.23??梢?,加入加速度反饋回路可以進一步降低φ的輸出振蕩。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
本系統(tǒng)是采用以DSP為核心控制芯片的數(shù)字控制系統(tǒng),通過天線隨動系統(tǒng),對采取的控制方案的性能進行實測驗證??紤]到在天線隨動系統(tǒng)中,天線的負載大,擾動負載力矩較大,系統(tǒng)選用永磁式直流力矩電機,它是一種低轉(zhuǎn)速、大力矩的直流電動機,可以直接帶動低速負載和大轉(zhuǎn)矩負載,具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動小,機械特性和調(diào)節(jié)特性線性度好等優(yōu)點,根據(jù)給定的參數(shù),選取力矩電機的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為3.7 N·m,電氣時延為T≤0.93 ms。測角電位計選用精密塑料電位計MidoriCPP-35型,有效電氣角為340°,速率陀螺選用單自由度液浮陀螺JST-1,它具有漂移小,零位及重復(fù)性好,頻率寬的特點。
隨動系統(tǒng)控制器的硬件結(jié)構(gòu)主要包括A/D采樣電路模塊、DSP和FPGA控制電路模塊、PWM功率驅(qū)動電路、SCI串口通信電路、供電電源等模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。
系統(tǒng)以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片為核心處理器,主要完成速率陀螺模擬信號采集、電位計模擬信號采集、PWM信號產(chǎn)生、數(shù)字PID控制算法、搜索回路算法、跟蹤回路算法、與上位機的RS 422接口串行通信的實現(xiàn)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等功能。
系統(tǒng)選取Cyclone系列的EP1C6T144FPGA芯片來實現(xiàn)對DSP和ADS8364各個功能引腳邏輯的靈活控制。作為系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集的核心,選取TI公司的ADS8364芯片完成速率陀螺和電位計的信號采集工作。此外,為了保證信號的穩(wěn)定性,在A/D前端加入射頻電路芯片LM310。
系統(tǒng)采用PWM工作方式驅(qū)動直流力矩電機,由TMS320F2812產(chǎn)生PWM控制波形,然后由PWM功放MSK4201進行功率驅(qū)動,產(chǎn)生力矩電機所需要的驅(qū)動電流。MSK4201是一款完整的H橋電路,它可以用來驅(qū)動DC有刷電機或作為D類開關(guān)放大器,所有的高低驅(qū)動控制電路在內(nèi)部集成,用戶提供TTL兼容PWM信號,同時振幅和方向控制四象限模式,內(nèi)部驅(qū)動電路提供適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時間來保護每個半橋,全N溝道場效應(yīng)管意味著兩方面的阻力和交換能力效率的最佳模式。
同時,為了保證PWM驅(qū)動電路與DSP電路的之間的干擾減至最小,在系統(tǒng)設(shè)計中,采用光耦隔離芯片6N137將二者隔離。
系統(tǒng)與上位機的通信采取異步串行通信方式,RS 422接口芯片采用DS8921。同時采用SN74ALVTHl6245芯片避免回流,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
本系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制算法,由TMS320F2812的事件管理器(EV)產(chǎn)生周期為0.1 ms的PWM波形信號,同時采用CPU定時器以1 ms的控制周期,控制驅(qū)動力矩電機實現(xiàn)天線轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)首先對DSP內(nèi)部時鐘模塊、PIE模塊、SCI模塊、事件管理器等模塊進行初始化,之后啟動SCI模塊,通過指定的通信協(xié)議,等待接收上位機的命令。當(dāng)上位機發(fā)出啟動伺服命令后,電機上電,控制天線保持零位電鎖狀態(tài);當(dāng)上位機發(fā)出搜索命令時,進入搜索回路子程序,天線從零點開始進行步進式搜索,當(dāng)被動雷達天線發(fā)現(xiàn)到目標(biāo)后,程序切換到跟蹤回路子程序,由雷達數(shù)字接收機給定實時誤差角信號,使天線進入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)。若目標(biāo)丟失,則天線立即切換到搜索狀態(tài)重新進行目標(biāo)搜索。天線隨動系統(tǒng)控制器的主流程圖如圖7所示。
4 實驗結(jié)果分析
實驗以方位通道為例,對天線轉(zhuǎn)動過程中的電位計采樣數(shù)據(jù)整理分析如下,圖8為角加速度回路引入系統(tǒng)前后對比曲線,通過比較可知,二者均是天線由0°轉(zhuǎn)到20°的數(shù)據(jù)曲線,響應(yīng)速度快、動態(tài)性能較好,沒有明顯的超調(diào)現(xiàn)象,總體輸出良好。但是圖8(a)表現(xiàn)出系統(tǒng)
存在一定的高頻振蕩,圖8(b)表現(xiàn)出系統(tǒng)在引入角加速度回路負反饋后,隨動系統(tǒng)的整體性能得到了很好的改善,抑制了尖峰干擾,數(shù)據(jù)輸出曲線更加平滑,系統(tǒng)性能更加可靠。
圖9為天線在-30°~+30°范圍內(nèi)搜索的數(shù)據(jù)曲線,搜索曲線平穩(wěn)連續(xù),表明天線能夠較好地實現(xiàn)步進式搜索。
5 結(jié)論
通過理論分析和硬件驗證,所設(shè)計的基于加速度回路的天線隨動系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等特點,引入角加速度回路后,可以很好地改善系統(tǒng)的跟蹤精度,同時能夠很好地抑制天線隨動系統(tǒng)普遍存在的震顫現(xiàn)象,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,是一種高精度、弱耦合、抗目標(biāo)丟失、快速平穩(wěn)、可實現(xiàn)比例導(dǎo)引的隨動系統(tǒng)。