基于DSP的機載光電穩瞄穩定環(huán)路數字控制實(shí)現

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

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

　　模擬控制的實(shí)現依賴(lài)于集成電路和分離元件，設備間的信號傳遞均采用模擬量，導致控制器元件眾多、結構復雜、體積龐大，同時(shí)在模擬電路的硬件基礎上，要想實(shí)現各種復雜的現代控制方法幾乎是不可能的。數字控制系統以程序代替硬件，有利于減小電路的體積，降低成本，在信號處理、算法實(shí)現上具有模擬控制無(wú)可替代的優(yōu)勢。數字控制是整個(gè)伺服控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機載光電穩瞄的穩定精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求越來(lái)越高。因此，必須采用先進(jìn)的數字控制技術(shù)，運用現代控制算法，設計出高性能的陀螺穩定平臺控制系統，以滿(mǎn)足實(shí)際系統的要求。

2、機載光電穩瞄系統工作原理

　　系統的控制環(huán)路如圖1所示，系統包含三個(gè)環(huán)路，內部為電流環(huán)，電流環(huán)控制流過(guò)電樞的電流盡可能?chē)栏窀S電流指令，改善電流跟隨電壓的動(dòng)態(tài)特性，包括超調和調節時(shí)間等，抑制電子噪聲和反電勢等的影響。中間為速度環(huán)，即穩定環(huán)。穩定環(huán)是光電穩瞄系統的關(guān)鍵，光電探測器的機（船、車(chē)）載應用直接受伺服系統穩定環(huán)性能的影響[2]。穩定環(huán)采用速率陀螺作為慣性敏感元件，檢測光電穩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(guò)穩定控制器在直流電機軸上產(chǎn)生穩定力矩，從而實(shí)現光電穩定平臺抑制擾動(dòng)、保持在慣性空間相對穩定。外部為位置環(huán)，通過(guò)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定環(huán)對光電穩瞄實(shí)施控制。在目前的穩瞄產(chǎn)品中，三個(gè)環(huán)路的控制器除了位置環(huán)控制器為數字控制器，穩定環(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定環(huán)用數字控制方式實(shí)現。

圖1 光電穩定平臺控制系統環(huán)路

3、控制系統建模與設計

　　建立數學(xué)模型

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

　　PWM驅動(dòng)模型如圖2所示。本系統中采用的是雙極性四橋式PWM驅動(dòng)，其傳遞函數可以寫(xiě)為：

（1）

　　當PWM開(kāi)關(guān)頻率較高，并且系統的截止頻率

圖2 PWM驅動(dòng)模型

　　時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為：
（2）

　　其中kPMW= 電源電壓/三角波電壓；T為PWM開(kāi)關(guān)周期。

　　一般來(lái)說(shuō)Ｔ非常小，可以忽略延遲環(huán)節。

　　電機模型

　　電機選用的是永磁直流力矩電機，系統采用的是電壓調速。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表示調制電壓輸入，I表示流過(guò)電機繞組的電流，E為電機繞組反電勢，J為負載轉動(dòng)慣量，M為電機輸出力矩，ω為電機轉速（即負載轉速），Ce和Cm分別為電機的反電勢常數和力矩常數。

　　這樣可以得到整個(gè)電流環(huán)閉環(huán)結構形式如圖3所示，圖中Md為干擾力矩。

圖3 電流環(huán)反饋框圖

　　根據實(shí)際電路計算，得到電流環(huán)控制器為：

，其中 （4）
3.1 控制器設計

　　光電穩瞄一般為兩軸或三軸陀螺穩定平臺，各個(gè)軸從控制系統的構成來(lái)講，具有相似結構。兩軸平臺包括方位軸和俯仰軸，這里以方位軸為例進(jìn)行控制器設計。
光電穩瞄系統所用陀螺為速率陀螺，從陀螺的資料手冊上查得的陀螺數學(xué)模型[3]為：

（5）

　　式中:kg=10，ω=100Hz，ξ=0.707。

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

圖4 經(jīng)典控制系統Simulink仿真模型

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

（6）

　　設計后系統根軌跡和開(kāi)環(huán)頻率特性結果如圖5所示。

圖5 sisotool工具箱設計的控制器

　　從圖中可以看出系統幅值裕度為12.4dB，相角裕度為51.6º。

3.2 控制系統仿真

　　將設計的控制器加入系統Simulink仿真模型得到系統階躍響應結果如圖6所示，頻率特性如圖7所示。

　　從圖6中可以看出，超調量為24.4%，調節時(shí)間約為115ms。從圖7仿真頻率特性可以看出，系統的帶寬約為25Hz。

圖6 階躍響應仿真結果

圖7 仿真頻率特性

4、數字控制硬件平臺

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

圖8 數字控制硬件結構框圖

　　陀螺輸出的電壓經(jīng)信號調理電路后進(jìn)入A/D芯片，TMS320F2812從A/D芯片讀入轉換的電壓數據，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)電壓跟隨提高驅動(dòng)能力后進(jìn)入電機驅動(dòng)電路，由力矩電機驅動(dòng)陀螺穩定平臺。

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

　　陀螺輸出信號要經(jīng)過(guò)遠距離傳輸，為了降低陀螺信號的噪聲，穩瞄系統中采用差分形式傳輸陀螺輸出信號。本設計中模數轉換芯片AD7656為單端輸入方式，因此需要將陀螺輸出的差分信號轉換成單端信號。轉換電路采用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，放大倍數計算公式如下：

（7）

　　由式7可知，當電阻 為無(wú)窮大時(shí)放大倍數 ，本設計中選擇放大倍數為1。

　　D/A轉換芯片采用AnalogDevices公司的12位4通道數模轉換芯片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輸入參考電壓由AD688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

　　用標準電壓源測試A/D電路的采樣精度，測試結果如圖9所示。圖中橫軸為輸入到A/D電路的標準電壓源電壓值，縱軸為AD7656芯片轉換出的數據，圖中黑點(diǎn)為實(shí)際測試的數據點(diǎn)，直線(xiàn)為理想狀態(tài)下的A/D電路采樣曲線(xiàn)。

　　可以看出，測試的數據點(diǎn)基本上位于理想A/D電路采樣曲線(xiàn)上，為此算法中不需要對A/D電路采樣的數據進(jìn)行補償。

圖9 A/D電路精度測試結果

2) D/A電路精度測試

　　通過(guò)輸出標定值來(lái)標定D/A電路的輸出精度，測試結果如圖10所示。圖中橫軸為DAC8412要輸出的標定電壓值數據，縱軸為D/A電路實(shí)際輸出的電壓值，圖中黑點(diǎn)為實(shí)際測試的數據點(diǎn)，直線(xiàn)為理想狀態(tài)下的D/A電路輸出曲線(xiàn)。

　　可以看出，測試的數據點(diǎn)基本上位于理想D/A電路輸出曲線(xiàn)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) 伺服周期的設定

　　采樣周期是數字控制系統的一個(gè)非常重要的指標，高性能伺服控制系統一般采樣率不小于1KHz，為此要測量算法運行所需的時(shí)間，確保其在伺服周期內完成。

圖10 D/A電路精度測試結果

　　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(shí)間即為算法運行所需時(shí)間，測試結果如圖11所示?？梢钥闯鏊惴ㄟ\行所需時(shí)間為55 ，滿(mǎn)足一般高精度數字控制系統的控制頻率為1kHz要求。本設計中設定采樣周期1ms。

圖11 算法運行所需時(shí)間測試結果

c) 控制系統動(dòng)態(tài)測試

1) 階躍響應

　　為系統加入階躍信號，用示波器測量得到階躍響應曲線(xiàn)如圖12所示。圖中上方的曲線(xiàn)為給定階躍信號曲線(xiàn)，下方的曲線(xiàn)為系統的響應曲線(xiàn)?？梢钥闯?，上升時(shí)間約為20ms，峰值時(shí)間約為40ms，調節時(shí)間約為100ms，超調量約為37%。

圖12 系統階躍響應曲線(xiàn)

2) 系統頻率特性

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

6、結論

　　穩定環(huán)路是光電穩瞄系統的關(guān)鍵，影響到光電穩瞄的穩定性能。論文設計的控制器可以滿(mǎn)足光電穩瞄的應用需求，搭建的數字控制硬件平臺為在機載光電穩瞄控制中實(shí)現復雜的算法建立了實(shí)現平臺。從仿真和試驗的結果可以看出，數字控制實(shí)現機載光電穩瞄穩定控制設計簡(jiǎn)單且可靠，系統穩定性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)較好。數字控制在機載光電穩瞄穩定環(huán)路控制中得到了成功應用，系統穩定控制器的設計和調試變得簡(jiǎn)單、靈活、高效。論文也為其它復雜算法在機載光電穩瞄中應用打下了基礎。

圖13 系統的閉環(huán)特性曲線(xiàn)