基于TMS320F2812的彈載伺服穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文章介紹了彈載伺服穩(wěn)定平臺功能及控制要求，分析了平臺控制系統(tǒng)組成及工作原理，說明了系統(tǒng)核心器件、傳感器及伺服電機的選型方案，通過基于TMS320F2812高性能DSP的控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計，完成伺服穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計。試驗結(jié)果表明，該彈載伺服穩(wěn)定平臺各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，設(shè)計方法正確、有效。

0 引言

導(dǎo)彈在飛行過程中，由于發(fā)動機和空氣阻力等因素的影響，彈體始終處于劇烈振動搖擺中。這種擾動不僅影響導(dǎo)引系統(tǒng)的目標(biāo)角度測量精度，還影響導(dǎo)引系統(tǒng)對機動目標(biāo)的探測與識別，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法截獲目標(biāo)或丟失跟蹤目標(biāo)。彈載伺服穩(wěn)定平臺利用平臺臺體上安裝的速率陀螺測量臺體相對慣性空間的角速度，通過速率陀螺反饋構(gòu)成閉環(huán)穩(wěn)定控制回路，驅(qū)動伺服電動機帶動平臺運動，實現(xiàn)彈體擾動隔離，保持平臺視軸穩(wěn)定。當(dāng)視軸與目標(biāo)位置不一致時，彈載雷達導(dǎo)引系統(tǒng)測得目標(biāo)角誤差信號，經(jīng)計算處理后形成平臺跟蹤信號，通過伺服電動機帶動平臺運動，實現(xiàn)平臺視軸對目標(biāo)的跟蹤。

本項目依據(jù)某彈載雷達導(dǎo)引系統(tǒng)需求，設(shè)計一款伺服穩(wěn)定平臺，通過高性能DSP主控芯片、小型化傳感器、微型直流伺服電動機、集成PWM功率放大芯片的選型分析及系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計完成控制系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

彈載伺服穩(wěn)定平臺由平臺機械結(jié)構(gòu)和平臺控制系統(tǒng)兩部分組成。平臺采用兩軸雙框架結(jié)構(gòu)形式，平臺控制系統(tǒng)由DSP控制電路、電動機功率驅(qū)動電路、伺服電動機、角度傳感器、速率陀螺組成。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

DSP控制電路完成傳感器信號采集及、平臺控制算法實現(xiàn)、功率驅(qū)動電路PWM控制脈沖波形產(chǎn)生，以及導(dǎo)引系統(tǒng)計算機控制信號接收和平臺測量反饋信號發(fā)送等功能，電動機功率驅(qū)動電路接收PWM控制脈沖波形并將放大后信號送至伺服電動機實現(xiàn)電動機驅(qū)動功能。伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，受電動機驅(qū)動電路控制，帶動平臺實現(xiàn)繞軸轉(zhuǎn)動。角度傳感器測量平臺框架角度信號，速率陀螺測量平臺慣性空間角速度。

1. 2 關(guān)鍵器件選型

1.2.1 DSP主控芯片選型

TMS320F2812 DSP芯片基于高性能的32位CPU，指令執(zhí)行速率高達150MIPS，具有強大的運算能力和控制功能，片內(nèi)集成了大容量Flash存儲器、高速SRAM 存儲器、功能強大的事件管理器(EV)、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、增強型CAN總線通信模塊、SCI串行通信接口、SPI串行外設(shè)接口、多通道緩沖串口、 PLL時鐘模塊、看門狗、定時器以及多達56個多路復(fù)用通用IO等豐富、易用的高性能外設(shè)單元，適用于自動化設(shè)備控制、電動機數(shù)字控制、數(shù)字伺服系統(tǒng)控制等場合。

1. 2.2 傳感器選型

基于本項目所設(shè)計伺服穩(wěn)定平臺應(yīng)用于彈載雷達導(dǎo)引系統(tǒng)，因此，對平臺外形尺寸及重量要求及其嚴(yán)格，傳感器選型的關(guān)鍵在于器件小型化、輕量化及對彈載使用環(huán)境的適應(yīng)性。

1.2.2.1 角度傳感器選型

角度傳感器選用旋轉(zhuǎn)電編碼器，編碼器采用數(shù)字SSI輸出、分辨率17位、最大轉(zhuǎn)速3500rpm。與電位器、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等常用角度傳感器相比具有質(zhì)量輕、慣量小、功耗低、無磁敏感等諸多優(yōu)點，由于其主體部分(轉(zhuǎn)子、定子)采用合成介質(zhì)材料制造，因此具有工作溫度范圍寬、抗潮濕、冷凝等優(yōu)點，適用于彈載環(huán)境條件。

1，2.2.2 速率陀螺選型

速率陀螺選用雙軸微機械陀螺，陀螺速率范圍±400°/s，標(biāo)度因數(shù)非線性度50ppm、啟動時間1 s，功耗1.5W，分辨率2-14°/s，全溫零位變化5°/h(全溫)，采用數(shù)字RS422串口輸出，波特率最高可達1.8Mbits/s。該陀螺主要優(yōu)點為結(jié)構(gòu)尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、啟動快、環(huán)境適應(yīng)性強，適用于彈載環(huán)境條件。

1.2.3 伺服電動機選型

電動機選用帶行星齒輪減速器的直流伺服電動機，行星齒輪減速器可以在尺寸和重量較小的條件下，實現(xiàn)大功率傳動，同時，采用內(nèi)嚙合的行星齒輪減速器可以提高空間利用率，兼之其輸入輸出軸在同一軸線上，所以行星齒輪減速器的徑向尺寸非常緊湊。電動機電樞電阻157Ω，電感3.4mH，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 4.45mNm，空載轉(zhuǎn)速7700r/min，額定電壓24V，減速比19：1。

1.2.4 功率驅(qū)動芯片選型

考慮本系統(tǒng)電動機驅(qū)動需求、驅(qū)動控制邏輯及器件性能指標(biāo)，選用MSK4201型PWM功率放大芯片作為電動機驅(qū)動芯片。MSK4201內(nèi)部集成了功率場效應(yīng)管H橋電路，H橋自舉驅(qū)動與控制電路，最大電源母線電壓75V，連續(xù)輸出電流5A，滿足系統(tǒng)功率驅(qū)動要求。H橋自舉驅(qū)動與控制電路包括場效應(yīng)管驅(qū)動、死區(qū)時間產(chǎn)生及H橋關(guān)斷等電路。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路由DSP控制電路和電動機功率驅(qū)動電路組成，其中DSP控制電路包含DSP主控模塊、傳感器信號采集模塊、通訊控制模塊等功能模塊電路。系統(tǒng)硬件電路組成框圖如圖4所示。

2.1 DSP控制電路

2.1.1 DSP主控模塊

由TMS320F28 1 2、振蕩電路、LDO電路、JATG接口電路及外部擴展SRAM電路組成，主要完成DSP工作環(huán)境設(shè)置及存儲空間擴展。設(shè)計中選用30MHz石英晶體振蕩器提供系統(tǒng)時鐘，LDO芯片提供DSP內(nèi)核及I/O工作電源，片外擴展SRAM存儲空間為512K×16bit。

2.1.2 傳感器信號采集模塊

旋轉(zhuǎn)電編碼器采用+5V供電，采用SSI串行通信接口，通信時鐘頻率為0.5～2.5MHz，輸入輸出信號為Rs-422差分電平。由于TMS320F28 12數(shù)字量IO供電電壓為+3.3V，無法直接與旋轉(zhuǎn)電編碼器直接連接，輸入輸出信號需經(jīng)總線驅(qū)動電路、RS-422電平轉(zhuǎn)換電路變換。設(shè)計中選用IDT74LVCH1 64245A雙向16位總線驅(qū)動芯片和DS26LS31、DS26LS32差分總線驅(qū)動、接收器實現(xiàn)總線驅(qū)動與電平轉(zhuǎn)換功能。

雙軸微機械陀螺采用+5V供電，采用RS-422串行通信接口，其輸入輸出信號也需要經(jīng)總線驅(qū)動電路、RS-422電平轉(zhuǎn)換電路變換。

2.2 電動機功率驅(qū)動電路

由光耦隔離電路、輸出使能邏輯控制電路、濾波電路組成。采用HCPL-0630高速光耦實現(xiàn)DSP控制電路與電動機功率驅(qū)動電路間的隔離，使用RC串聯(lián)濾波電路對MSK4201輸出信號進行濾波保護，提高系統(tǒng)電磁兼容性和工作可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括以下程序模塊：系統(tǒng)初始化、串口中斷、控制算法運算、PWM脈沖波形產(chǎn)生。

3.1 系統(tǒng)程序流程

主程序首先完成系統(tǒng)初始化，將SCI串行通信接口SCI-A設(shè)置為FIFO中斷接收方式(用于控制電路與導(dǎo)引系統(tǒng)計算機串口通訊)、SCI-B設(shè)置為狀態(tài)查詢接收方式(用于陀螺輸出信號采樣)，GPIO-F設(shè)置為通用數(shù)字量I/O(用于陀螺同步觸發(fā)、旋轉(zhuǎn)電編碼器輸出采樣及電機鎖定信號產(chǎn)生)，時間管理器 EV-A和EV-B設(shè)置為連續(xù)增減技術(shù)模式(用于PWM脈沖波形產(chǎn)生)，軟件通過CPUTIMERO定時計數(shù)器的定時功能實現(xiàn)算法更新，完成平臺系統(tǒng)閉環(huán)控制。

控制系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

3.2 數(shù)字PID控制算法

PID控制因其算法簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于伺服穩(wěn)定平臺系統(tǒng)控制中。

對于連續(xù)系統(tǒng)的PID控制器，其算法表達式如下：

其中：u(t)是PID控制器的輸出，e(t)是給定輸入如實際輸出之間的偏差量，Kp是比例增益，Ki是積分增益，kd是微分增益。

按照連續(xù)PID控制算法、以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，可得離散PID表達式為：

其中，T為采樣周期，k為采樣序號，k=1，2，…，e(k-1)和e(k)分別為第(k-1)和第k時刻偏差量。

由于數(shù)字PID控制未考慮積分飽和問題，不能直接輸出到電動機功率驅(qū)動電路，需在PID控制輸出之前設(shè)計抗積分飽和措施，以防止由于積分項的過度積累造成系統(tǒng)產(chǎn)生較大超調(diào)。

4 系統(tǒng)試驗結(jié)果

經(jīng)測試，本項目所設(shè)計伺服穩(wěn)定平臺主要性能指標(biāo)如下：

隔離度：對幅度5°、頻率1Hz正弦擺動的隔離度為43dB;

位置伺服精度：0.2°;

各項指標(biāo)均滿足設(shè)計任務(wù)書要求。

5 小結(jié)

本文通過基于TMS320F2812 DSP的控制電路硬件、軟件設(shè)計，配合小型、數(shù)字輸出傳感器選型，完成彈載伺服穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計，平臺系統(tǒng)各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。本文研究成果對于小型化、數(shù)字式彈載伺服穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。