基于DSP三軸跟蹤轉臺伺服控制系統設計

摘要：本文介紹了基于TMS320F2812三軸跟蹤轉臺伺服控制系統的設計與實(shí)現。采用“交流伺服電機+減速器”代替轉臺傳統的直流力矩電機直接驅動(dòng)負載的方式；運用DSP和CAN總線(xiàn)技術(shù)；利用上、下位機協(xié)同控制的方法，使系統能夠滿(mǎn)足超低速、寬調速、高精度、高可靠性的要求。
關(guān)鍵詞：三軸跟蹤轉臺；TMS320F2812；硬件設計；軟件設計

0 引言

目前國內外的轉臺大多應用于慣性導航領(lǐng)域以及飛行姿態(tài)仿真系統。而機動(dòng)目標跟蹤也已經(jīng)越來(lái)越為人們所重視，在現代化技術(shù)中，尤其是在國防技術(shù)中，有著(zhù)舉足輕重的作用。我國從六七十年代開(kāi)始就開(kāi)始自行研制三軸液壓轉臺，到80年代開(kāi)始出現電液伺服控制系統轉臺和伺服電機控制系統轉臺。轉臺逐步朝著(zhù)高精密、高準確性的方向發(fā)展，而且隨著(zhù)航天和航空技術(shù)的發(fā)展，以及車(chē)載、艦載對轉臺體積的要求，轉臺也逐漸開(kāi)始小型化、智能化。

目標跟蹤系統是直瞄武器的“眼睛”，其對機動(dòng)目標跟蹤的準確度，直接影響到武器系統的射擊命中率。一般跟蹤系統為一個(gè)轉臺，跟蹤轉臺在空間沿三個(gè)坐標軸的平移量對目標的跟蹤精度影響不大，可以忽略不計。對跟蹤精度影響比較大的是跟蹤轉臺的方位和俯仰兩個(gè)自由度。目前我國高炮上裝備的大部分轉臺機構就是只考慮了方位和俯仰兩個(gè)自由度。

在自動(dòng)目標跟蹤系統中，為了能夠識別目標，需要對跟蹤系統傳感器采集到的數據進(jìn)行圖象識別，如果忽略橫滾向的影響，而采用兩自由度轉臺，會(huì )造成采集到的圖像發(fā)生扭曲失真，加大圖像處理的難度。而且當車(chē)體在地面上行進(jìn)或者艦船在海上航行時(shí)，都會(huì )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(chē)體或艦船在橫滾向的偏移，在自動(dòng)跟蹤系統中應該采用三自由度的跟蹤轉臺，即包括方位、俯仰和橫滾三個(gè)自由度。

1 三軸跟蹤轉臺系統設計

表1 三軸跟蹤轉臺各軸運動(dòng)參數技術(shù)指標

圖1為三軸跟蹤轉臺的三維效果圖，圖示位置為平衡位置，轉臺總體尺寸約為Φ700mm*650mm。負載為CCD圖像傳感器及鏡頭，重量約5kg。底座為圓盤(pán)形，留有固定螺栓孔，方便安裝。三軸跟蹤轉臺為UUT結構，外框為音叉結構，完成方位向旋轉運動(dòng)，由安裝在底座的方位向電機控制；中框為U型架，通過(guò)軸承支撐在外框之間，完成俯仰向旋轉運動(dòng)，由安裝在外框一側的俯仰向電機控制；橫滾軸通過(guò)中框中心，CCD攝像頭安裝在支撐平板上，平板固定在通過(guò)法蘭固定在橫滾軸上，由橫滾向電機控制。CCD鏡頭的中心線(xiàn)與橫滾軸的軸線(xiàn)重合。橫滾軸、俯仰軸、方位軸的軸線(xiàn)延長(cháng)線(xiàn)交于一點(diǎn)，這樣就避免會(huì )出現耦合現象。這種結構的特點(diǎn)是，CCD平臺的前方?jīng)]有遮擋，視野開(kāi)闊，拆裝方便。

2 三軸跟蹤轉臺控制器硬件設計

三軸跟蹤轉臺伺服控制系統包括方位、俯仰、橫滾三個(gè)獨立的控制回路。究其本質(zhì)，三軸跟蹤轉臺是一個(gè)高精度位置/速度伺服系統。對于驅動(dòng)元件為電動(dòng)機的轉臺系統，其本質(zhì)又為一個(gè)電動(dòng)機的位置或速度閉環(huán)系統。圖2是三軸跟蹤轉臺伺服控制系統原理框圖。

圖2 三軸跟蹤轉臺伺服控制系統原理框圖

三軸跟蹤轉臺控制器主要包括監控計算機（上位機）和控制下位機兩個(gè)部分。監控計算機主要是在仿真狀態(tài)下，解算被機動(dòng)目標的飛行方程，從而求得圖像傳感器在三維空間的運動(dòng)軌跡，并將三個(gè)空間軌跡作為控制指令實(shí)時(shí)地通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊方式發(fā)送到三軸跟蹤轉臺的下位機。同時(shí)，監控計算機完成轉臺系統的集中監控、綜合管理，主要實(shí)現系統實(shí)時(shí)在線(xiàn)綜合管理、性能檢測、安全保護及監控功能。而控制下位機也將通過(guò)角度傳感器采集各軸轉角和位置數據通過(guò)CAN總線(xiàn)反饋到監控計算機，通過(guò)監控計算機實(shí)時(shí)顯示各自由度的運動(dòng)參數以及機動(dòng)目標運動(dòng)軌跡。

三軸跟蹤轉臺單軸控制系統是一個(gè)典型的電機控制系統，而經(jīng)典的電機控制系統模型是一個(gè)“三環(huán)”控制系統，即從內到外一次是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。電流環(huán)和速度環(huán)的作用是提高系統的剛度從而抑制系統的非線(xiàn)性及外部擾動(dòng)，系統的精度依靠位置環(huán)來(lái)保證。由于交流伺服驅動(dòng)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驅動(dòng)，經(jīng)高精度、大速比的減速器減速，由于交流伺服電機的轉速范圍大，使輸出軸能夠實(shí)現很寬的調速范圍。減速器輸出端用高精度的雙通道旋轉變壓器采集位移量，經(jīng)RDC模塊轉換為數字量，再經(jīng)過(guò)控制算法的運算后，由16位精度D/A轉換，輸出至伺服電機驅動(dòng)器，驅動(dòng)交流伺服電機運動(dòng)，從而構成完整的位置閉環(huán)系統。

3 三軸跟蹤轉臺控制器軟件設計

三軸跟蹤轉臺控制器軟件設計包括兩個(gè)部分：上位機監控軟件和下位機控制軟件，下面從這兩個(gè)方面說(shuō)明上、下位機控制程序流程。上位機具有以下幾個(gè)方面的功能：

(1) 為用戶(hù)提供友好的操作界面：用戶(hù)通過(guò)它對實(shí)驗臺的運動(dòng)進(jìn)行操作，如自檢、運動(dòng)狀態(tài)設置、框架回零、靜態(tài)指標測試、動(dòng)態(tài)指標測試、演示運行、仿真運行。

(2) 對轉臺系統的運行情況實(shí)時(shí)監控：運行中對狀態(tài)信號進(jìn)行在線(xiàn)檢測，對電機、功放等關(guān)鍵部件的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，判斷其工作狀況是否正常，一旦發(fā)現故障，及時(shí)切斷電源，并發(fā)出聲光報警。

(3) 實(shí)現軟邏輯控制功能：所有在控制柜上的開(kāi)關(guān)、按鈕所對應的操作，都可以由上位機上的軟件按鈕來(lái)替代，即用戶(hù)可以通過(guò)上位機直接實(shí)現邏輯控制。具體操作如：“正轉”、“反轉”、“自動(dòng)運行”等。

(4) 通過(guò)CAN總線(xiàn)與下位機進(jìn)行通訊，實(shí)現數據傳輸及命令設置；接收下位機傳輸過(guò)來(lái)的位置指令和轉臺的位置響應數據，并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

控制下位機是轉臺控制系統的直接控制級，構成轉臺方位、俯仰、橫滾三個(gè)獨立的伺服控制回路。其功能包括：實(shí)現三軸運動(dòng)的實(shí)時(shí)控制；采用相應的控制算法，對轉臺系統的運行位置、速度進(jìn)行控制；將檢測到的系統狀態(tài)信號通過(guò)CAN總線(xiàn)傳給上位機。

下面以俯仰軸為例，說(shuō)明下位機的控制程序流程，如圖4所示，在DSP控制主程序中，首先要初始化系統、外設以及PIE中斷向量表，設置CPU時(shí)鐘以及初始化定時(shí)器時(shí)鐘，規定中斷服務(wù)程序首地址；然后，等待上位機發(fā)送的指令，根據不同的指令類(lèi)型，判斷進(jìn)行什么操作，將運算結果再通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到監控計算機。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，如圖5所示，DSP讀取RDC采集到的數據，進(jìn)行一定的控制算法的運算，如PID控制，然后將控制量通過(guò)D/A輸出至交流伺服電機驅動(dòng)器，形成閉環(huán)，控制電機按預定規律運動(dòng)。

本文系統地介紹了基于TMS320F2812的三軸跟蹤轉臺控制器的設計和實(shí)現。分析了采用“交流伺服電機+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，本文詳細闡述了三軸跟蹤轉臺控制器的硬件設計和軟件設計結構。硬件設計上采用DSP技術(shù)，由于其強大的運算處理能力和豐富的外設功能，使系統集成化程度和精確性得到提高。在軟件設計上，采用上、下位機協(xié)調控制的方案，上位機界面友好、操作簡(jiǎn)單；下位機處理速度快，可以運行較為復雜的控制算法，提高系統控制精度。

5 參考文獻

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本文創(chuàng )新性地采用一種“交流伺服電機+伺服驅動(dòng)器”的控制方式對三軸跟蹤轉臺進(jìn)行控制系統設計，并采用一種高性能的DSP作為其處理器，為該系統實(shí)現高精度、超低速、高頻響提供保證。