基于TMS320F28335的雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：以TMS320F28335為核心，設(shè)計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，重點討論了伺服控制器的設(shè)計，分析系統(tǒng)的安全控制策略，并給出具體實現(xiàn)的控制電路。實踐表明：系統(tǒng)具備精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、易調(diào)試等特點。
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)的動態(tài)性能和測量精度，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)計與實現(xiàn)的方法。TMS320F28335是TI公司最新推出的控制專用32位浮點DSP芯片，它的機器周期最短只有約6ns，芯片內(nèi)部集成了豐富的外設(shè)資源，具有很強的信號處理及控制能力，在電機控制應(yīng)用方面具有獨到的優(yōu)勢。

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)動器、電機、編碼器、減速機構(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。

    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)過控制運算后輸出控制電壓到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電機帶動轉(zhuǎn)臺按要求轉(zhuǎn)動。
    伺服系統(tǒng)環(huán)路設(shè)計采用電流環(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)計為比例控制，速度環(huán)設(shè)計為比例積分控制，把設(shè)計好的電流環(huán)作為速度環(huán)的一個環(huán)節(jié)來設(shè)計。為了保證系統(tǒng)精度，位置環(huán)設(shè)計為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。

    伺服電機選用交流伺服電機，交流伺服電機因體積小、轉(zhuǎn)動慣量小、過載能力強、控制簡單等特點，在高精度、高可靠性的伺服驅(qū)動領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。電機與轉(zhuǎn)臺方位軸和俯仰軸之間安裝減速器。系統(tǒng)位置檢測采用光電編碼器，根據(jù)系統(tǒng)精度的要求，采用16位的光電編碼器，其測角分辨率為。光電編碼器通過聯(lián)軸器安裝于方位和俯仰軸上。驅(qū)動部分采用全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，速度控制模式，伺服驅(qū)動器內(nèi)部運動控制參數(shù)可在線調(diào)整，方便調(diào)試。

2 伺服控制器設(shè)計
    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現(xiàn)位置閉環(huán)控制、串口通信、信號檢測、故障檢測及安全保護(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)外擴了512kx16位SRAM，方便系統(tǒng)調(diào)試時的外部仿真；采用AD7836外擴4路D／A輸出信號，其中兩路作為正向通道，兩路作為位前饋通道，經(jīng)過控制運算后作為驅(qū)動器速度環(huán)路的輸入信號；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電平信號轉(zhuǎn)換為RS422電平信號，實現(xiàn)伺服控制器與兩路編碼器及上位機的通信，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(hù)DSP內(nèi)核的作用。

2．2 D／A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
    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，選用14位D／A轉(zhuǎn)換芯片AD7836(最高位為符號位)，理論上其可輸出的調(diào)速比為213=8 192，可滿足系統(tǒng)詞速范圍要求，該芯片可輸出為4路14位模擬電壓，電壓建立時間10μs，輸出電壓范圍為±10 V，可方便與伺服驅(qū)動器連接。D／A轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

2．3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件在CCS3．3開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫，采用模塊化方法設(shè)計，便于調(diào)試，系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。其工作過程為：系統(tǒng)復(fù)位后首先對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)動器的SRV—ON信號。如果自檢正常，則系統(tǒng)根據(jù)上位機指令進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號處理及串口通信，最后，伺服控制器判斷是否系統(tǒng)有故障，如果無故障，則系統(tǒng)進(jìn)入下一個循環(huán)周期，否則，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式，切斷伺服驅(qū)動器的SRV—ON信號。

2．4 位置環(huán)路控制策略
    位置環(huán)設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(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，同時又要保證快速性。在位置環(huán)的設(shè)計中采用了滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法，滑模控制的優(yōu)點是能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對干擾和未建模動態(tài)具有很強的魯棒性，尤其是對非線性系統(tǒng)的控制具有良好的效果。其最大的優(yōu)點是滑動模態(tài)對加在系統(tǒng)上的干擾和系統(tǒng)的攝動具有完全的自適應(yīng)性，而且系統(tǒng)狀態(tài)一旦進(jìn)滑模運動，便能夠快速收斂到目標(biāo)控制，為時滯系統(tǒng)，不確定性系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計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)定過渡的難題；當(dāng)位置誤差小于一定量時，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。

    控制策略為：
   
2．5 安全控制策略
    雷達(dá)伺服系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，在工作過程中處于高速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，在人員操作失誤或設(shè)備失控飛車的情況下，都有可能對人員或設(shè)備造成傷害，所以在系統(tǒng)設(shè)計時需要重點考慮安全控制策略，本系統(tǒng)的安全設(shè)計主要從以下幾個方面入手：伺服驅(qū)動器上電延時設(shè)計、開機自檢、DSP自身工作檢測、伺服驅(qū)動器檢測、俯仰機構(gòu)抱閘設(shè)計、通信鏈路檢測、俯仰機構(gòu)限位檢測等。

    安全控制邏輯組合電路如圖7所示，其工作過程為：系統(tǒng)上電后，硬件延時電路對DELAY信號進(jìn)行延時，延時時間到之后，DELAY輸出高電平，延時的目的是為了保證各外圍電路正常工作之后才能啟動SBV—ON信號。DSP自檢完成之后，如果DSP工作正常，則GPI020送出方波信號，通過54HCT123將其展寬后變?yōu)楦唠娖叫盘査腿胨?輸入與門電路CD4081，否則54HCT123送出低電平信號，其作用是實時判斷DSP是否工作正常，防止程序跑飛或DSP死機；TOP，BOTTOM為俯仰機構(gòu)上、下限位信號，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信號為DSP送出的報警信號，如果DSP檢測到各故障報警信號均正常，則DSP送出高電平，否則送出低電平。CD4081對各路輸入信號進(jìn)行邏輯與運算，如果各檢測信號均為高電平，則說明系統(tǒng)工作正常，啟動SRV—ON，伺服驅(qū)動器工作，否則認(rèn)為伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障，SBV—ON信號送出高電平，伺服驅(qū)動器停止工作。

3 電磁兼容設(shè)計
    雷達(dá)系統(tǒng)是集微波、電子、電氣、精密機械為一體的復(fù)雜裝置。其工作時將會產(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)故障甚至無法正常運行；而伺服系統(tǒng)工作時本身也是一個干擾源，伺服驅(qū)動器內(nèi)的電力電子器件的電流通斷造成的開關(guān)噪聲，電感負(fù)載電流切斷引起的噪聲，接通負(fù)載時的沖擊電流和開關(guān)的抖動，動力傳輸線的發(fā)射，伺服控制器內(nèi)高速數(shù)字電路運行產(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)信號線連接使用屏蔽線，伺服控制器和伺服驅(qū)動器采用金屬外殼封裝，對電磁干擾進(jìn)行隔離屏蔽。
    2)在電路板設(shè)計及電纜走線時考慮高低壓隔離，強弱電隔離，模擬電路和數(shù)字電路分開，交、直流電源分開。
    3)合理接地，采用一點接地的方法，將電機外殼、動力線屏蔽層、驅(qū)動器外殼金屬接地。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)對電源和有關(guān)信號進(jìn)行有效濾波，減小干擾。

4 試驗結(jié)果
    經(jīng)測試，系統(tǒng)定位精度達(dá)到0．012°(RMS)，調(diào)速范圍0．05°／s～60°／s，測角精度為0．01°(RMS)，最大加速度60°／s2，各項技術(shù)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語
    文中詳述了以TMS320F28335芯片為核心構(gòu)成的伺服系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用該方案設(shè)計的雷達(dá)伺服系統(tǒng)已經(jīng)在多次試驗中得到驗證，實踐證明，該系統(tǒng)可靠性高，穩(wěn)定性好，易于調(diào)試，滿足設(shè)計指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性要求。具有較強的工程實用價值。