基于DSP的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：穩(wěn)定平臺(tái)隔離載體運(yùn)動(dòng)的特性使其在軍事及民用領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于負(fù)載特性與工況的不同以及系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等原因使得穩(wěn)定平臺(tái)的通用性不高。本文基于某武器系統(tǒng)的需要，對(duì)機(jī)電式雙軸實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。該文以TMS320F2812芯片為控制核心，結(jié)合串口通信、陀螺儀等模塊設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)。通過編制測(cè)試軟件，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)預(yù)定的功能切實(shí)可行。

穩(wěn)定平臺(tái)能夠有效的隔離載體運(yùn)動(dòng)，確保安裝于穩(wěn)定平臺(tái)上的裝置工作時(shí)不會(huì)受載體的運(yùn)動(dòng)影響。無論在軍事上還是在民用中穩(wěn)定平臺(tái)都有著重要的用途。本文的主要研究對(duì)象屬于實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)。實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)的載體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要求負(fù)載如艦載武器等在載體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下可靠穩(wěn)定地工作，多見于高技術(shù)含量的武器系統(tǒng)如艦載設(shè)備、機(jī)載設(shè)備等，實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)于穩(wěn)定平臺(tái)的快速性及動(dòng)態(tài)精度要求較高，手動(dòng)或滯后調(diào)平已經(jīng)不能滿足要求。

1 系統(tǒng)組成

1.1 調(diào)平原理

調(diào)平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，主要由動(dòng)平臺(tái)，三自由度球鉸鏈，支撐桿，二自由度虎克鉸，絲桿螺母和滾珠絲桿，基座等部件構(gòu)成。動(dòng)平臺(tái)通過支點(diǎn)A1，A2及O點(diǎn)分別與平臺(tái)的基座和傳動(dòng)支鏈相連接，并構(gòu)成以O(shè)點(diǎn)為直角的等腰直角三角形A1A2O。系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到動(dòng)平臺(tái)處于非水平狀態(tài)后，控制系統(tǒng)經(jīng)過解算得出兩球鉸應(yīng)上升或下降的行程，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(減速箱)控制絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿螺母上移或下移，繼而支撐桿帶動(dòng)球鉸控制動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)平運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)由一個(gè)電機(jī)通過帶輪驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行搖擺動(dòng)作，控制系統(tǒng)控制電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)平。

1.2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)由傾角檢測(cè)部分，控制部分，通信部分，執(zhí)行部分，限位保護(hù)部分，狀態(tài)顯示部分組成，主要包括TMS320F2812芯片，升降壓電路，485串口通信模塊，角度陀螺儀，角速度陀螺儀，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，限位開關(guān)，狀態(tài)顯示模塊等。系統(tǒng)硬件工作原理如圖2所示。

實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)以TMS320F2812芯片為核心，通過485串口通信控制陀螺儀并接收陀螺儀角度數(shù)據(jù)，通過濾波處理，得到系統(tǒng)擺動(dòng)角速度與傾角狀態(tài)，經(jīng)過TMS320F2812芯片計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速，再由TMS320F2812的兩路脈沖信號(hào)經(jīng)過升壓電路分別發(fā)送給兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)平。驅(qū)動(dòng)器可通過降壓電路把電機(jī)實(shí)際精確位置信息反饋給控制系統(tǒng)。限位開關(guān)可保證不會(huì)發(fā)生超量程動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象。上位機(jī)可通過JTAG仿真器與控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)調(diào)試試驗(yàn)程序、下載等功能，也可通過RS232串口與驅(qū)動(dòng)器連接，方便監(jiān)測(cè)電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)。狀態(tài)顯示可觀測(cè)到系統(tǒng)調(diào)平狀態(tài)及有無錯(cuò)誤發(fā)生。

控制系統(tǒng)主控板如圖3所示。該控制板的主要功能模塊電路與硬件設(shè)計(jì)章節(jié)所述基本一致。控制板以TMS320F2812為核心，其集成的通信模塊與電機(jī)控制模塊非常適合本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。除此之外還通過通用I/O口設(shè)計(jì)了電機(jī)、傳感器等接口電路以及按鍵應(yīng)用，在控制板背面還設(shè)計(jì)了SD卡模塊。

2 實(shí)時(shí)調(diào)平控制方案

2.1 實(shí)時(shí)調(diào)平控制系統(tǒng)軟件總體框圖設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)軟件包括主監(jiān)控程序、初始化模塊程序、運(yùn)動(dòng)控制模塊程序、數(shù)據(jù)處理模塊程序、SD卡存儲(chǔ)模塊程序、通信模塊程序等組成，其中運(yùn)動(dòng)控制模塊又分為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)平算法模塊、位置反饋模塊等?？刂葡到y(tǒng)軟件總體框圖如圖4所示。

2.2 實(shí)時(shí)調(diào)平控制算法程序設(shè)計(jì)

調(diào)平算法模塊包括3個(gè)部分：速度跟蹤與位置補(bǔ)償模塊、PID算法模塊。其中速度跟蹤模塊使調(diào)平機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)搖擺時(shí)能夠以相同的速度反向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)調(diào)平粗調(diào);位置補(bǔ)償模塊可以使得調(diào)平系統(tǒng)減小靜態(tài)誤差，在動(dòng)態(tài)調(diào)平過程中減小動(dòng)態(tài)誤差積累;PID算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨著系統(tǒng)搖擺速度而實(shí)時(shí)變速的功能;抑振模塊改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使得調(diào)平快速響應(yīng)性能以及動(dòng)態(tài)精度進(jìn)一步提高。

1)速度跟蹤與位置補(bǔ)償模塊程序

速度跟蹤模塊及位置補(bǔ)償模塊程序流程圖如圖5～6所示。

當(dāng)控制系統(tǒng)采樣速度經(jīng)過濾波，并計(jì)算出速度PID結(jié)果后，依據(jù)傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比及絲桿螺母速度與動(dòng)平臺(tái)角速度之間的關(guān)系便可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。由電機(jī)轉(zhuǎn)速便可計(jì)算出事件管理器周期寄存器設(shè)置值，最后更新周期寄存器的值便可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速與周期寄存器設(shè)定值之間的關(guān)系如下。

其中，V為電機(jī)轉(zhuǎn)速，SYSCLOUT為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，TxCMP為周期寄存器設(shè)定值，NPR為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需脈沖數(shù)。

位置補(bǔ)償模塊與速度跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)過程相似，角度誤差最終轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速，補(bǔ)償速度跟蹤模塊程序造成的位置誤差。

2)PID算法模塊程序

PID算法是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心算法，它實(shí)現(xiàn)了電機(jī)隨傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變速的功能，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)平的基礎(chǔ)。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后便可由PID算法計(jì)算出比例偏差，如果比例偏差大于設(shè)定的最小值便進(jìn)入計(jì)算積分項(xiàng)Sk、微分項(xiàng)dk程序，最后計(jì)算出PID最終結(jié)果：

Upid=KpxekxKIxSk+KDxdk (2)

3 系統(tǒng)主要功能模塊調(diào)試與分析

3.1 PWM脈沖功能調(diào)試

PWM脈沖功能是DSP控制系統(tǒng)最重要的功能之一，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最主要手段。控制系統(tǒng)通過發(fā)送脈沖來控制電機(jī)位置，DSP通過改變發(fā)送脈沖的頻率來控制調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。文中通過DSP2812的T1PWM與T3PWM管腳分別控制兩個(gè)調(diào)平電機(jī)。PWM功能測(cè)試結(jié)果如下所示。圖的上半部分為示波器采集圖，下半部分為CCS中程序運(yùn)行時(shí)寄存器的值。由圖7～8可以看出PWM脈沖產(chǎn)生與PWM脈沖頻率改變兩項(xiàng)主要功能都運(yùn)行正常。

3.2 串口通信功能調(diào)試

在本文設(shè)計(jì)中，采集傳感器的數(shù)據(jù)使用的手段是通過DSP2812中集成的串口通信模塊，串口通信與不同的芯片組合可以構(gòu)成兩種通信模式：RS232與RS485。由于采用RS485雖然通信距離長(zhǎng)，抗干擾強(qiáng)，但是這種方式不能直接與PC機(jī)通信，因此本文選用MAX3232元件將通信功能設(shè)計(jì)成RS232模式。圖9為RS232與PC機(jī)通信測(cè)試圖，其中上半部分為PC機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)圖，下半部分為CCS軟件中寄存器數(shù)據(jù)觀察窗。測(cè)試程序運(yùn)行過程中，在PC機(jī)上通過串口獵人軟件發(fā)送一串16進(jìn)制數(shù)據(jù)：0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，在寄存器視窗中觀察到數(shù)據(jù)采集數(shù)組中成功的接收到了PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)時(shí)調(diào)平算法程序調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過算法程序反復(fù)調(diào)試，獲得了理想的濾波及PID參數(shù)，程序運(yùn)行效果良好，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)±20°以內(nèi)最高搖擺速度不高于20°/s的工況內(nèi)的實(shí)時(shí)調(diào)平，實(shí)時(shí)調(diào)平精度可控制在±0.3°，滿足了武器系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

文中以TMS320F2812為核心，通過濾波算法及PID算法的應(yīng)用，并通過試驗(yàn)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了某武器系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平。本文的研究結(jié)果對(duì)于搖擺周期變化無規(guī)律，搖擺角度幅值變化無規(guī)律等復(fù)雜情況下的機(jī)電式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)平提供了一個(gè)通用的解決方法。