基于DSP的光電搜跟設(shè)備伺服機(jī)構(gòu)控制器研究

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作流程

　　DSP控制器編輯軟件采用TI公司的CCS3.3，采用C語言編輯。系統(tǒng)軟件控制流程如圖6所示。

　　(1)初始化

　　初始化包含DSP初始上電、CPLD的上電，其中，DSP在上電后，系統(tǒng)會(huì)將FLASH中的程序讀入到DSP的RAM中，在將程序載入后，DSP會(huì)從RAM的起始位置開始執(zhí)行程序，系統(tǒng)會(huì)配置DSP內(nèi)部的資源，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO端口、SCI串口、ENCODE的讀入端口、中斷資源配置、輸出端口控制。在初始化的程序中還包括與轉(zhuǎn)臺(tái)相關(guān)控制所需變量的初始化。

　　(2)控制器加載

　　控制器加載包括系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)，如各個(gè)環(huán)路的放大倍數(shù)、積分網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)、微分網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)等，加載到控制器中，使系統(tǒng)接收到使能信號(hào)后進(jìn)入閉環(huán)。

　　(3)系統(tǒng)自檢

　　系統(tǒng)自檢的過程包括轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸與方位軸進(jìn)入閉環(huán)控制。系統(tǒng)進(jìn)一步會(huì)以5°/s的速度順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)在接收到碼盤零位的脈沖信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)會(huì)停止在當(dāng)前位置，并向上位機(jī)告知自檢完好。如果DSP發(fā)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)沒有運(yùn)動(dòng)，就會(huì)向上位機(jī)報(bào)錯(cuò)。

　　(4)各種運(yùn)動(dòng)

　　通常情況下，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)提供給使用方各種運(yùn)動(dòng)方案選擇，如定位定速、速率模式還有掃頻模式、階躍模式等。掃頻模式是用來測(cè)試被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。

　　(5)控制器卸載

　　控制器卸載的過程與控制器加載的過程恰好相反?？刂破髟谛遁d后，轉(zhuǎn)臺(tái)將不再處于閉環(huán)狀態(tài)，如果系統(tǒng)需要閉環(huán)就必須重新進(jìn)行控制器加載。

3.2 伺服機(jī)構(gòu)控制算法設(shè)計(jì)

　　為滿足伺服機(jī)構(gòu)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)指標(biāo)，控制器需要采用一定的控制算法對(duì)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行閉環(huán)控制。隨著計(jì)算機(jī)性能不斷提升，諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能控制算法在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，其控制精度、收斂速度等方面?zhèn)鹘y(tǒng)控制算法具有一定的優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)時(shí)控制方面，由于算法的復(fù)雜性使得實(shí)時(shí)性很難得到保證，而傳統(tǒng)的PID算法以其結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)、魯棒性高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合前饋網(wǎng)絡(luò)等經(jīng)典校正網(wǎng)絡(luò)，在電機(jī)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用^[2]。

　　數(shù)字PID控制算法的計(jì)算公式為：

(1)

　　式中k為采樣序號(hào)，分別為比例、積分、微分系數(shù)。

　　在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行比例控制時(shí)，實(shí)際上是進(jìn)行偏差控制，比例的參數(shù)越大，在同樣的輸入與反饋的偏差下，輸出值就越大，對(duì)于系統(tǒng)的糾偏效果就越好，但是如果比例參數(shù)超出一定的范圍，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生振蕩。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行積分控制時(shí)，主要是考慮系統(tǒng)在到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，積分調(diào)機(jī)器是通過將每個(gè)控制誤差進(jìn)行累加，會(huì)隨時(shí)間的增加而增大，且作用的頻帶一般為低頻段，所以也不會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩，可以提高系統(tǒng)的精度。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行微分控制時(shí)，通過微分控制器增大系統(tǒng)的阻尼，使階躍響應(yīng)的超調(diào)量下降，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，且不影響常值穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)的自然頻率。由于采用微分控制后，允許較高的開環(huán)增益，因而在保證一定的動(dòng)態(tài)性能條件下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)，能夠提前產(chǎn)生抑制作用，在誤差還沒有產(chǎn)生之前消除^[3]。圖7是在本設(shè)計(jì)中采用的PID控制系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID控制。外回路是位置環(huán)，控制系統(tǒng)的主回路，可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，控制系統(tǒng)的輔助回路，其主要任務(wù)是抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　光電搜跟設(shè)備及DSP控制器硬件實(shí)物如圖8所示。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便調(diào)試和系統(tǒng)維修，同時(shí)，充分考慮外場(chǎng)測(cè)試時(shí)車載運(yùn)輸及惡劣天氣的影響，采用防震、防潮設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　對(duì)光電搜跟設(shè)備偏航軸施加頻率為0~15Hz、峰峰值為1°的正弦掃頻信號(hào)，控制器將方位軸位置信息上傳至管理計(jì)算機(jī)。圖9與圖10是方位軸實(shí)際的幅頻與相頻特性圖。從圖中可以看出系統(tǒng)在12Hz時(shí)，幅頻的超調(diào)不超過0.5dB，相頻也低于10°，滿足系統(tǒng)的雙十指標(biāo)，系統(tǒng)的超調(diào)和延時(shí)都很小，具有良好的跟蹤性能。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了基于DSP的光電搜跟設(shè)備伺服機(jī)構(gòu)控制器，采用TMS320F28346核心控制芯片，配置高性能結(jié)構(gòu)模塊，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。通過合理優(yōu)化軟件流程，并對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)施雙回路閉環(huán)控制，使得系統(tǒng)具備良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，并能夠?yàn)榉€(wěn)定的跟蹤目標(biāo)提供足夠的帶寬，系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，為外場(chǎng)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的觀測(cè)和測(cè)試提供便捷和保障。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[3]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].2013,北京:科學(xué)出版社,2008.

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第61頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。