基于DSP三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：本文介紹了基于TMS320F2812三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用“交流伺服電機(jī)+減速器”代替轉(zhuǎn)臺傳統(tǒng)的直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動負(fù)載的方式；運(yùn)用DSP和CAN總線技術(shù)；利用上、下位機(jī)協(xié)同控制的方法，使系統(tǒng)能夠滿足超低速、寬調(diào)速、高精度、高可靠性的要求。
關(guān)鍵詞：三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺；TMS320F2812；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)
0 引言
目前國內(nèi)外的轉(zhuǎn)臺大多應(yīng)用于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域以及飛行姿態(tài)仿真系統(tǒng)。而機(jī)動目標(biāo)跟蹤也已經(jīng)越來越為人們所重視，在現(xiàn)代化技術(shù)中，尤其是在國防技術(shù)中，有著舉足輕重的作用。我國從六七十年代開始就開始自行研制三軸液壓轉(zhuǎn)臺，到80年代開始出現(xiàn)電液伺服控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺和伺服電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺。轉(zhuǎn)臺逐步朝著高精密、高準(zhǔn)確性的方向發(fā)展，而且隨著航天和航空技術(shù)的發(fā)展，以及車載、艦載對轉(zhuǎn)臺體積的要求，轉(zhuǎn)臺也逐漸開始小型化、智能化。
目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是直瞄武器的“眼睛”，其對機(jī)動目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確度，直接影響到武器系統(tǒng)的射擊命中率。一般跟蹤系統(tǒng)為一個轉(zhuǎn)臺，跟蹤轉(zhuǎn)臺在空間沿三個坐標(biāo)軸的平移量對目標(biāo)的跟蹤精度影響不大，可以忽略不計(jì)。對跟蹤精度影響比較大的是跟蹤轉(zhuǎn)臺的方位和俯仰兩個自由度。目前我國高炮上裝備的大部分轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)就是只考慮了方位和俯仰兩個自由度。
在自動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)中，為了能夠識別目標(biāo)，需要對跟蹤系統(tǒng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖象識別，如果忽略橫滾向的影響，而采用兩自由度轉(zhuǎn)臺，會造成采集到的圖像發(fā)生扭曲失真，加大圖像處理的難度。而且當(dāng)車體在地面上行進(jìn)或者艦船在海上航行時，都會由于路面或海浪而引起橫滾向的偏移。因此為了減小圖像處理的難度，抵消車體或艦船在橫滾向的偏移，在自動跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)該采用三自由度的跟蹤轉(zhuǎn)臺，即包括方位、俯仰和橫滾三個自由度。
1 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖1 三軸轉(zhuǎn)臺三維效果圖 |
――北京理工大學(xué)“211工程”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目 |
表1 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺各軸運(yùn)動參數(shù)技術(shù)指標(biāo)
| 轉(zhuǎn)動范圍θ（） | 角速度范圍（/s） | 最大角加速度εmax(/s2) | 定位精度（） | 跟蹤精度（） |
方位向 | 120 | 0.04~60 | 80 | 0.001 | 0.1 |
俯仰向 | -20~+90 | 0.04~80 | 200 | 0.001 | 0.1 |
橫滾向 | 30 | 0.04~80 | 200 | 0.001 | 0.1 |
圖1為三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺的三維效果圖，圖示位置為平衡位置，轉(zhuǎn)臺總體尺寸約為Φ700mm*650mm。負(fù)載為CCD圖像傳感器及鏡頭，重量約5kg。底座為圓盤形，留有固定螺栓孔，方便安裝。三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺為UUT結(jié)構(gòu)，外框?yàn)橐舨娼Y(jié)構(gòu)，完成方位向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由安裝在底座的方位向電機(jī)控制；中框?yàn)閁型架，通過軸承支撐在外框之間，完成俯仰向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由安裝在外框一側(cè)的俯仰向電機(jī)控制；橫滾軸通過中框中心，CCD攝像頭安裝在支撐平板上，平板固定在通過法蘭固定在橫滾軸上，由橫滾向電機(jī)控制。CCD鏡頭的中心線與橫滾軸的軸線重合。橫滾軸、俯仰軸、方位軸的軸線延長線交于一點(diǎn)，這樣就避免會出現(xiàn)耦合現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，CCD平臺的前方?jīng)]有遮擋，視野開闊，拆裝方便。
2 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺控制器硬件設(shè)計(jì)
三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)包括方位、俯仰、橫滾三個獨(dú)立的控制回路。究其本質(zhì)，三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺是一個高精度位置/速度伺服系統(tǒng)。對于驅(qū)動元件為電動機(jī)的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，其本質(zhì)又為一個電動機(jī)的位置或速度閉環(huán)系統(tǒng)。圖2是三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)原理框圖。
圖2 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)原理框圖
三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺控制器主要包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和控制下位機(jī)兩個部分。監(jiān)控計(jì)算機(jī)主要是在仿真狀態(tài)下，解算被機(jī)動目標(biāo)的飛行方程，從而求得圖像傳感器在三維空間的運(yùn)動軌跡，并將三個空間軌跡作為控制指令實(shí)時地通過CAN總線通訊方式發(fā)送到三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺的下位機(jī)。同時，監(jiān)控計(jì)算機(jī)完成轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的集中監(jiān)控、綜合管理，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時在線綜合管理、性能檢測、安全保護(hù)及監(jiān)控功能。而控制下位機(jī)也將通過角度傳感器采集各軸轉(zhuǎn)角和位置數(shù)據(jù)通過CAN總線反饋到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時顯示各自由度的運(yùn)動參數(shù)以及機(jī)動目標(biāo)運(yùn)動軌跡。
三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺單軸控制系統(tǒng)是一個典型的電機(jī)控制系統(tǒng)，而經(jīng)典的電機(jī)控制系統(tǒng)模型是一個“三環(huán)”控制系統(tǒng)，即從內(nèi)到外一次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)和速度環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的剛度從而抑制系統(tǒng)的非線性及外部擾動，系統(tǒng)的精度依靠位置環(huán)來保證。由于交流伺服驅(qū)動器已經(jīng)將電流環(huán)和速度環(huán)封裝好，因此我們只需要給出速度環(huán)的輸入量從而進(jìn)行位置閉環(huán)控制即可。輸出軸由交流伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)高精度、大速比的減速器減速，由于交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍大，使輸出軸能夠?qū)崿F(xiàn)很寬的調(diào)速范圍。減速器輸出端用高精度的雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器采集位移量，經(jīng)RDC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)過控制算法的運(yùn)算后，由16位精度D/A轉(zhuǎn)換，輸出至伺服電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動交流伺服電機(jī)運(yùn)動，從而構(gòu)成完整的位置閉環(huán)系統(tǒng)。
圖3 三軸轉(zhuǎn)臺單軸伺服控制卡框圖 |
3 三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺控制器軟件設(shè)計(jì)
三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺控制器軟件設(shè)計(jì)包括兩個部分：上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)控制軟件，下面從這兩個方面說明上、下位機(jī)控制程序流程。上位機(jī)具有以下幾個方面的功能：
(1) 為用戶提供友好的操作界面：用戶通過它對實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)動進(jìn)行操作，如自檢、運(yùn)動狀態(tài)設(shè)置、框架回零、靜態(tài)指標(biāo)測試、動態(tài)指標(biāo)測試、演示運(yùn)行、仿真運(yùn)行。
(2) 對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的運(yùn)行情況實(shí)時監(jiān)控：運(yùn)行中對狀態(tài)信號進(jìn)行在線檢測，對電機(jī)、功放等關(guān)鍵部件的信號進(jìn)行實(shí)時采集，判斷其工作狀況是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)故障，及時切斷電源，并發(fā)出聲光報警。
(3) 實(shí)現(xiàn)軟邏輯控制功能：所有在控制柜上的開關(guān)、按鈕所對應(yīng)的操作，都可以由上位機(jī)上的軟件按鈕來替代，即用戶可以通過上位機(jī)直接實(shí)現(xiàn)邏輯控制。具體操作如：“正轉(zhuǎn)”、“反轉(zhuǎn)”、“自動運(yùn)行”等。
(4) 通過CAN總線與下位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及命令設(shè)置；接收下位機(jī)傳輸過來的位置指令和轉(zhuǎn)臺的位置響應(yīng)數(shù)據(jù)，并實(shí)時顯示出來。
控制下位機(jī)是轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的直接控制級，構(gòu)成轉(zhuǎn)臺方位、俯仰、橫滾三個獨(dú)立的伺服控制回路。其功能包括：實(shí)現(xiàn)三軸運(yùn)動的實(shí)時控制；采用相應(yīng)的控制算法，對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的運(yùn)行位置、速度進(jìn)行控制；將檢測到的系統(tǒng)狀態(tài)信號通過CAN總線傳給上位機(jī)。
下面以俯仰軸為例，說明下位機(jī)的控制程序流程，如圖4所示，在DSP控制主程序中，首先要初始化系統(tǒng)、外設(shè)以及PIE中斷向量表，設(shè)置CPU時鐘以及初始化定時器時鐘，規(guī)定中斷服務(wù)程序首地址；然后，等待上位機(jī)發(fā)送的指令，根據(jù)不同的指令類型，判斷進(jìn)行什么操作，將運(yùn)算結(jié)果再通過CAN總線發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。在定時器中斷服務(wù)程序中，如圖5所示，DSP讀取RDC采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一定的控制算法的運(yùn)算，如PID控制，然后將控制量通過D/A輸出至交流伺服電機(jī)驅(qū)動器，形成閉環(huán)，控制電機(jī)按預(yù)定規(guī)律運(yùn)動。
圖4下位機(jī)控制程序流程
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圖5中斷服務(wù)程序流程 |
本文系統(tǒng)地介紹了基于TMS320F2812的三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。分析了采用“交流伺服電機(jī)+減速器”的控制方式的優(yōu)點(diǎn)。但由于減速器不可避免存在一定的齒隙，關(guān)于減速器的齒隙對于控制精度的影響程度以及如何消除齒隙對控制精度的影響還有待進(jìn)一步深入的研究。之后，本文詳細(xì)闡述了三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。硬件設(shè)計(jì)上采用DSP技術(shù)，由于其強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力和豐富的外設(shè)功能，使系統(tǒng)集成化程度和精確性得到提高。在軟件設(shè)計(jì)上，采用上、下位機(jī)協(xié)調(diào)控制的方案，上位機(jī)界面友好、操作簡單；下位機(jī)處理速度快，可以運(yùn)行較為復(fù)雜的控制算法，提高系統(tǒng)控制精度。
5 參考文獻(xiàn)
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本文創(chuàng)新性地采用一種“交流伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動器”的控制方式對三軸跟蹤轉(zhuǎn)臺進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采用一種高性能的DSP作為其處理器，為該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度、超低速、高頻響提供保證。
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