一種船載光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了一種船載光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)，著重介紹了功率驅(qū)動器與基于TMS320F28335 DSP的數(shù)字伺服控制器的設(shè)計與實現(xiàn)，簡單介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計和電磁兼容設(shè)計。工程實踐結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應(yīng)和較強的抗干擾性，能有效地隔離船體搖擺擾動，對類似的工程設(shè)計具有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)定跟蹤；TMS320F28335；數(shù)字伺服控制器；電磁兼容

    船載光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是隔離浪涌引起的船體搖擺，同時完成對目標(biāo)的精確跟蹤。本系統(tǒng)通過光纖速率陀螺反饋構(gòu)成速率穩(wěn)定環(huán)路，敏感船體角速率變化，反方向補償該速率的變化，保證光電負(fù)載瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定；同時接收上位機或者光電傳感器發(fā)送的位置偏差指令，控制負(fù)載框架使光電設(shè)備準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)，實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤功能。

1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)由伺服控制機箱和光電轉(zhuǎn)臺兩大部分組成，其中伺服控制機箱由箱體、電源及保護電路、DSP伺服控制器、電流調(diào)節(jié)器、功率驅(qū)動器組成；光電轉(zhuǎn)臺為兩軸系，無刷直流力矩電機、測角編碼器分別套軸安裝在光電轉(zhuǎn)臺上，方位軸系、高低軸系分別獨立安裝一套光纖速率陀螺，感應(yīng)本軸系的角速率。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
    為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和高可靠性，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)采用多環(huán)路串級控制方案，其系統(tǒng)單軸(方位軸、高低軸)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，位置調(diào)節(jié)器和穩(wěn)定調(diào)節(jié)器由DSP伺服控制器實現(xiàn)數(shù)字調(diào)節(jié)，采用該設(shè)計方案既能充分發(fā)揮DSP伺服控制器的高速數(shù)據(jù)處理能力，又能簡化電路，增加系統(tǒng)設(shè)計靈活性。
2．2 功率驅(qū)動器設(shè)計與實現(xiàn)
    作為無刷直流力矩電機的直接驅(qū)動部件，功率驅(qū)動器的性能對整個伺服系統(tǒng)的性能具有決定性作用。功率驅(qū)動器是將電流調(diào)節(jié)器的控制誤差信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動電機帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動。本系統(tǒng)功率驅(qū)動器主要由基于MC33035的無刷電機控制模塊、基于高速光耦HCPLA504的光電隔離電路、基于三菱PM25RAL120的功率放大模塊和電流采樣電路、邏輯組合電路組成，具有抗干擾性強、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。功率驅(qū)動器工作流程圖如圖3所示，虛框內(nèi)為功率驅(qū)動器。

    控制模塊接收外部控制信號(包括無刷電機轉(zhuǎn)子位置傳感器信號、控制模塊使能信號、剎車控制信號、電機旋轉(zhuǎn)方向信號和誤差控制信號等)，產(chǎn)生驅(qū)動模塊需要的6路原始驅(qū)動控制信號。6路原始驅(qū)動控制信號經(jīng)過光耦隔離由功率放大模塊進(jìn)行功率放大，驅(qū)動無刷直流力矩電機。
    無刷直流力矩電機的電流采樣由功率驅(qū)動器中的霍爾電流傳感器完成，邏輯組合電路對三路電流采樣信號進(jìn)行邏輯組合，輸出與電機電樞電流成正比的電流信號，此信號作為電流環(huán)路的電流反饋信號。令無刷直流力矩電機位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置信號分別為Sa、Sb和Sc，無刷電機三相繞組上的電流傳感器的輸出信號分別為ia、ib和ic，則電機的工作電流Id與三相繞組位置信號的邏輯運算關(guān)系如下：
   
2．3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計與實現(xiàn)
    由于電流環(huán)超調(diào)量越小越好，電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)校正成I型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：
   
    式中Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，τi為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。

    電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4所示，其中-BId為電流負(fù)反饋電壓，Ui為電流給定電壓即穩(wěn)定環(huán)路輸出電壓信號，Uc為電流調(diào)節(jié)器輸出即功率驅(qū)動器的輸入信號。令Toi為電流濾波時間常數(shù)，根據(jù)運算放大器的電路原理，參數(shù)計算公式如下：
   
    式(3)、(4)、(5)用于計算電流調(diào)節(jié)器具體參數(shù)。
2．4 DSP伺服控制器的設(shè)計與實現(xiàn)
2．4．1 DSP伺服控制器的硬件設(shè)計
    DSP伺服控制器硬件電路主要由主控芯片TMS320F28335、DSP外圍電路、D／A轉(zhuǎn)換電路、故障檢測電路、MAX3491電平轉(zhuǎn)換電路、安全保護電路等構(gòu)成，其組成框圖如圖5所示。系統(tǒng)外擴了512Kx16位SRAM，方便系統(tǒng)調(diào)試時的外部仿真；利用DSP芯片自帶的3路SCI，經(jīng)接口芯片MAX 3491電平轉(zhuǎn)換后，將TTL電平信號轉(zhuǎn)換為RS422電平信號，實現(xiàn)DSP伺服控制器與光纖速率陀螺及上位機的通信，所有輸入輸出的I／O信號均通過光耦與外部隔離，起到保護DSP內(nèi)核的作用。DSP伺服控制器的方位、高低兩路輸出信號經(jīng)過D／A后分別作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定電壓信號。

2．4．2 DSP伺服控制器穩(wěn)定環(huán)路控制算法
    穩(wěn)定環(huán)路為電流環(huán)外環(huán)，DSP伺服控制器采集光纖速率陀螺速率反饋信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與數(shù)字濾波后作為速率反饋數(shù)據(jù)與位置環(huán)路送出的速率數(shù)據(jù)給定數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運算，其結(jié)果經(jīng)過D／A后作為電流環(huán)的電流給定電壓信號。穩(wěn)定環(huán)路控制算法采用臨界比例法，臨界比例法是一種經(jīng)驗方法，這種方法首先將控制器選為純比例控制器，并改成閉環(huán)，改變比例系數(shù)，使系統(tǒng)對階躍響應(yīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，這時記下比例系數(shù)Kr，臨界震蕩周期為Tr，根據(jù)Ziegler-Nivhols提供的經(jīng)驗公式，就可以由這兩個基準(zhǔn)參數(shù)得到不同類型控制器的參數(shù)，如表1所示。調(diào)試時，先采用臨界比例法得到初始參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上采用湊試法進(jìn)一步完善。

2．4．3 DSP伺服控制器位置環(huán)路控制算法
    位置環(huán)主要實現(xiàn)對目標(biāo)指令的快速準(zhǔn)確跟蹤，其控制算法采用變參數(shù)PID控制，變參數(shù)PID控制是一種通過誤差大小改變比例、積分、微分作用強度的控制算法。變參數(shù)PID控制參數(shù)隨誤差變化情況的規(guī)則如表2所示，其中Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)，它們的值可通過常規(guī)PID整定的方法得到。而xp、xi、xd分別為比例、積分、微分的變化量，只要誤差區(qū)域劃分合理，就能很好地減小干擾對轉(zhuǎn)臺的影響，加快系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件在CCS3．3開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)軟件由1個主程序3個子程序組成，3個子程序分別對應(yīng)自動跟蹤、引導(dǎo)跟蹤、手動跟蹤三種工作狀態(tài)，主程序接收上位機控制命令后對應(yīng)相應(yīng)的工作狀態(tài)調(diào)用子程序，系統(tǒng)軟件主程序流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計
    光電穩(wěn)定跟蹤伺服系統(tǒng)集光學(xué)、電子、電氣、精密機械為一體，工作時會產(chǎn)生各種感應(yīng)和干擾，這些干擾有可能影響系統(tǒng)正常工作，因此伺服系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計不容忽視。本系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計主要從以下幾個方面考慮：
    1)屏蔽，采用帶屏蔽層的信號線，伺服控制機箱機械結(jié)構(gòu)采用屏蔽設(shè)計。
    2)隔離，電路設(shè)計中高壓與低壓隔離，強電與弱電隔離，動力電與信號電隔離，模擬電路和數(shù)字電路分開，交流電源與直流電源分開。
    3)接地，數(shù)字地與模擬地分離，最后接于電源地，接地線短而粗。
    4)濾波，對測角編碼器信號光纖速率陀螺信號進(jìn)行數(shù)字濾波；對功率驅(qū)動器的功率電源加無感電容濾波；對電源及其他信號進(jìn)行有效濾波，減小干擾。

5 系統(tǒng)工程試驗測試結(jié)果
    經(jīng)測試，系統(tǒng)試驗結(jié)果如表3所示。

6 結(jié)論
    文中介紹的船載穩(wěn)定伺服跟蹤系統(tǒng)研制出工程樣機兩套，經(jīng)過工程測試，該伺服系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)電磁兼容性能良好，對同類伺服系統(tǒng)的設(shè)計和制造提供了經(jīng)驗和依據(jù)。