基于DSP的機載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定環(huán)路數(shù)字控制實現(xiàn)

　　機載光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品大量裝備于各種類型飛機上，其核心是陀螺穩(wěn)定平臺，主要作用在于隔離載體的角擾動，使安裝在載體上的光學(xué)傳感器的視軸在慣性空間內(nèi)保持穩(wěn)定，使光學(xué)傳感器得到清晰的圖像。穩(wěn)定控制最直觀的方法是將光學(xué)傳感器系統(tǒng)安裝在減震裝置上，減振器可以隔離載體的高頻低振幅振動，但是減振后的低頻振動仍然會對視軸產(chǎn)生擾動。因此，這種被動隔離的方法常與主動隔離的方法混合使用。主動隔離的方法有：整體穩(wěn)定、齒輪傳動穩(wěn)定、光學(xué)穩(wěn)定、電子學(xué)穩(wěn)定和動量輪穩(wěn)定[1]。

　　機載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定控制算法除了經(jīng)典控制還有各種先進(jìn)的控制算法，如：最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊控制等。從目前的文獻(xiàn)資料來看，這些先進(jìn)的算法大都限于仿真研究，實際用于產(chǎn)品的報道很少。目前，機載光電穩(wěn)瞄產(chǎn)品以經(jīng)典控制模擬電路實現(xiàn)為主。

　　模擬控制的實現(xiàn)依賴于集成電路和分離元件，設(shè)備間的信號傳遞均采用模擬量，導(dǎo)致控制器元件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，同時在模擬電路的硬件基礎(chǔ)上，要想實現(xiàn)各種復(fù)雜的現(xiàn)代控制方法幾乎是不可能的。數(shù)字控制系統(tǒng)以程序代替硬件，有利于減小電路的體積，降低成本，在信號處理、算法實現(xiàn)上具有模擬控制無可替代的優(yōu)勢。數(shù)字控制是整個伺服控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機載光電穩(wěn)瞄的穩(wěn)定精度、動態(tài)品質(zhì)的要求越來越高。因此，必須采用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，運用現(xiàn)代控制算法，設(shè)計出高性能的陀螺穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)，以滿足實際系統(tǒng)的要求。

2、機載光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)的控制環(huán)路如圖1所示，系統(tǒng)包含三個環(huán)路，內(nèi)部為電流環(huán)，電流環(huán)控制流過電樞的電流盡可能嚴(yán)格跟隨電流指令，改善電流跟隨電壓的動態(tài)特性，包括超調(diào)和調(diào)節(jié)時間等，抑制電子噪聲和反電勢等的影響。中間為速度環(huán)，即穩(wěn)定環(huán)。穩(wěn)定環(huán)是光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的關(guān)鍵，光電探測器的機（船、車）載應(yīng)用直接受伺服系統(tǒng)穩(wěn)定環(huán)性能的影響[2]。穩(wěn)定環(huán)采用速率陀螺作為慣性敏感元件，檢測光電穩(wěn)定平臺方位和俯仰軸角速度，與速度命令信號形成誤差電壓，該誤差電壓通過穩(wěn)定控制器在直流電機軸上產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，從而實現(xiàn)光電穩(wěn)定平臺抑制擾動、保持在慣性空間相對穩(wěn)定。外部為位置環(huán)，通過比較輸入信號與反饋信號產(chǎn)生控制偏差，借助位置控制器校正補償輸出到穩(wěn)定環(huán)對光電穩(wěn)瞄實施控制。在目前的穩(wěn)瞄產(chǎn)品中，三個環(huán)路的控制器除了位置環(huán)控制器為數(shù)字控制器，穩(wěn)定環(huán)控制器和電流環(huán)控制器均為模擬控制器。本文研究的目的是將穩(wěn)定環(huán)用數(shù)字控制方式實現(xiàn)。

圖1 光電穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)環(huán)路

3、控制系統(tǒng)建模與設(shè)計

　　建立數(shù)學(xué)模型

　　從前面的分析可知，穩(wěn)定環(huán)路控制的對象為包括穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)塔的電流閉環(huán)，對電流閉環(huán)分析如下：

　　PWM驅(qū)動模型如圖2所示。本系統(tǒng)中采用的是雙極性四橋式PWM驅(qū)動，其傳遞函數(shù)可以寫為：

（1）

　　當(dāng)PWM開關(guān)頻率較高，并且系統(tǒng)的截止頻率

圖2 PWM驅(qū)動模型

　　時，上式可以簡化為：
（2）

　　其中kPMW= 電源電壓/三角波電壓；T為PWM開關(guān)周期。

　　一般來說Ｔ非常小，可以忽略延遲環(huán)節(jié)。

　　電機模型

　　電機選用的是永磁直流力矩電機，系統(tǒng)采用的是電壓調(diào)速。由此可以得到電機的模型：

　　　 （3）

　　其中R為電機繞組電阻，L為電機繞組電感，U2表示調(diào)制電壓輸入，I表示流過電機繞組的電流，E為電機繞組反電勢，J為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量，M為電機輸出力矩，ω為電機轉(zhuǎn)速（即負(fù)載轉(zhuǎn)速），Ce和Cm分別為電機的反電勢常數(shù)和力矩常數(shù)。

　　這樣可以得到整個電流環(huán)閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，圖中Md為干擾力矩。

圖3 電流環(huán)反饋框圖

　　根據(jù)實際電路計算，得到電流環(huán)控制器為：

，其中 （4）
3.1 控制器設(shè)計

　　光電穩(wěn)瞄一般為兩軸或三軸陀螺穩(wěn)定平臺，各個軸從控制系統(tǒng)的構(gòu)成來講，具有相似結(jié)構(gòu)。兩軸平臺包括方位軸和俯仰軸，這里以方位軸為例進(jìn)行控制器設(shè)計。
光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)所用陀螺為速率陀螺，從陀螺的資料手冊上查得的陀螺數(shù)學(xué)模型[3]為：

（5）

　　式中:kg=10，ω=100Hz，ξ=0.707。

　　根據(jù)前面的分析建立經(jīng)典控制系統(tǒng)Simulink仿真模型如圖4所示。

圖4 經(jīng)典控制系統(tǒng)Simulink仿真模型

　　利用Simulink中的線性化工具將對象線性化，其結(jié)果作為sisotool控制器設(shè)計的基礎(chǔ)，從sisotool工具箱中設(shè)計控制器：

（6）

　　設(shè)計后系統(tǒng)根軌跡和開環(huán)頻率特性結(jié)果如圖5所示。

圖5 sisotool工具箱設(shè)計的控制器

　　從圖中可以看出系統(tǒng)幅值裕度為12.4dB，相角裕度為51.6º。

3.2 控制系統(tǒng)仿真

　　將設(shè)計的控制器加入系統(tǒng)Simulink仿真模型得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)結(jié)果如圖6所示，頻率特性如圖7所示。

　　從圖6中可以看出，超調(diào)量為24.4%，調(diào)節(jié)時間約為115ms。從圖7仿真頻率特性可以看出，系統(tǒng)的帶寬約為25Hz。

圖6 階躍響應(yīng)仿真結(jié)果

圖7 仿真頻率特性

4、數(shù)字控制硬件平臺

　　數(shù)字控制硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)包括DSP芯片、A/D電路、D/A電路和信號調(diào)理電路。硬件平臺核心器件是TMS320F2812數(shù)字信號處理芯片。TMS320F2812的最高運行頻率可達(dá)150MHz，片上存儲器最多達(dá)128K×16位的Flash存儲器，最多達(dá)128K×16位的ROM，1K×16位的OPT ROM，兩塊4K×16位的單周期訪問RAM，一塊8K×16位的單周期訪問RAM，兩塊1K×16位的單周期訪問RAM[4]。由于TMS320F2812片內(nèi)RAM資源有限，系統(tǒng)中外擴(kuò)了一片512K的RAM芯片。

圖8 數(shù)字控制硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　陀螺輸出的電壓經(jīng)信號調(diào)理電路后進(jìn)入A/D芯片，TMS320F2812從A/D芯片讀入轉(zhuǎn)換的電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)算法計算后，DSP芯片將輸出的值送入D/A芯片輸出電壓，輸出的電壓經(jīng)電壓跟隨提高驅(qū)動能力后進(jìn)入電機驅(qū)動電路，由力矩電機驅(qū)動陀螺穩(wěn)定平臺。

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片采用AnalogDevices公司的16位6通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656。此芯片輸入電壓范圍為-10V～+10V。

　　陀螺輸出信號要經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸，為了降低陀螺信號的噪聲，穩(wěn)瞄系統(tǒng)中采用差分形式傳輸陀螺輸出信號。本設(shè)計中模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656為單端輸入方式，因此需要將陀螺輸出的差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號。轉(zhuǎn)換電路采用AnalogDevices公司的AD620儀表放大器芯片，該芯片的1腳和8腳之間接的電阻 決定其放大倍數(shù)，放大倍數(shù)計算公式如下：

（7）

　　由式7可知，當(dāng)電阻 為無窮大時放大倍數(shù) ，本設(shè)計中選擇放大倍數(shù)為1。

　　D/A轉(zhuǎn)換芯片采用AnalogDevices公司的12位4通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8412，輸出電壓范圍為-10V～+10V，輸出的通道由DSP的地址低兩位A1和A0選擇。DAC8412芯片的±10V輸入?yún)⒖茧妷河葾D688芯片產(chǎn)生。

5、試驗與分析

a) 通道精度測試

1) A/D電路精度測試

　　用標(biāo)準(zhǔn)電壓源測試A/D電路的采樣精度，測試結(jié)果如圖9所示。圖中橫軸為輸入到A/D電路的標(biāo)準(zhǔn)電壓源電壓值，縱軸為AD7656芯片轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)，圖中黑點為實際測試的數(shù)據(jù)點，直線為理想狀態(tài)下的A/D電路采樣曲線。

　　可以看出，測試的數(shù)據(jù)點基本上位于理想A/D電路采樣曲線上，為此算法中不需要對A/D電路采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行補償。

圖9 A/D電路精度測試結(jié)果

2) D/A電路精度測試

　　通過輸出標(biāo)定值來標(biāo)定D/A電路的輸出精度，測試結(jié)果如圖10所示。圖中橫軸為DAC8412要輸出的標(biāo)定電壓值數(shù)據(jù)，縱軸為D/A電路實際輸出的電壓值，圖中黑點為實際測試的數(shù)據(jù)點，直線為理想狀態(tài)下的D/A電路輸出曲線。

　　可以看出，測試的數(shù)據(jù)點基本上位于理想D/A電路輸出曲線上，為此算法中不需要對D/A電路輸出的電壓值進(jìn)行補償。

b) 伺服周期的設(shè)定

　　采樣周期是數(shù)字控制系統(tǒng)的一個非常重要的指標(biāo)，高性能伺服控制系統(tǒng)一般采樣率不小于1KHz，為此要測量算法運行所需的時間，確保其在伺服周期內(nèi)完成。

圖10 D/A電路精度測試結(jié)果

　　利用DSP的IO口，在算法運行之前置IO口為低電平，算法運行之后置IO口為高電平，從示波器測量出低電平的時間即為算法運行所需時間，測試結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯鏊惴ㄟ\行所需時間為55 ，滿足一般高精度數(shù)字控制系統(tǒng)的控制頻率為1kHz要求。本設(shè)計中設(shè)定采樣周期1ms。

圖11 算法運行所需時間測試結(jié)果

c) 控制系統(tǒng)動態(tài)測試

1) 階躍響應(yīng)

　　為系統(tǒng)加入階躍信號，用示波器測量得到階躍響應(yīng)曲線如圖12所示。圖中上方的曲線為給定階躍信號曲線，下方的曲線為系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。可以看出，上升時間約為20ms，峰值時間約為40ms，調(diào)節(jié)時間約為100ms，超調(diào)量約為37%。

圖12 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

2) 系統(tǒng)頻率特性

　　經(jīng)掃頻得到系統(tǒng)的閉環(huán)特性曲線如圖13所示。從圖13可以看出，系統(tǒng)帶寬約為17Hz。

6、結(jié)論

　　穩(wěn)定環(huán)路是光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的關(guān)鍵，影響到光電穩(wěn)瞄的穩(wěn)定性能。論文設(shè)計的控制器可以滿足光電穩(wěn)瞄的應(yīng)用需求，搭建的數(shù)字控制硬件平臺為在機載光電穩(wěn)瞄控制中實現(xiàn)復(fù)雜的算法建立了實現(xiàn)平臺。從仿真和試驗的結(jié)果可以看出，數(shù)字控制實現(xiàn)機載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定控制設(shè)計簡單且可靠，系統(tǒng)穩(wěn)定性能和動態(tài)品質(zhì)較好。數(shù)字控制在機載光電穩(wěn)瞄穩(wěn)定環(huán)路控制中得到了成功應(yīng)用，系統(tǒng)穩(wěn)定控制器的設(shè)計和調(diào)試變得簡單、靈活、高效。論文也為其它復(fù)雜算法在機載光電穩(wěn)瞄中應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

圖13 系統(tǒng)的閉環(huán)特性曲線