基于TMS320F2812的彈載伺服穩定平臺控制系統設計

摘要：文章介紹了彈載伺服穩定平臺功能及控制要求，分析了平臺控制系統組成及工作原理，說(shuō)明了系統核心器件、傳感器及伺服電機的選型方案，通過(guò)基于TMS320F2812高性能DSP的控制系統硬件、軟件設計，完成伺服穩定平臺控制系統設計。試驗結果表明，該彈載伺服穩定平臺各項指標滿(mǎn)足設計要求，設計方法正確、有效。

0 引言

導彈在飛行過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機和空氣阻力等因素的影響，彈體始終處于劇烈振動(dòng)搖擺中。這種擾動(dòng)不僅影響導引系統的目標角度測量精度，還影響導引系統對機動(dòng)目標的探測與識別，甚至導致系統無(wú)法截獲目標或丟失跟蹤目標。彈載伺服穩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(guò)速率陀螺反饋構成閉環(huán)穩定控制回路，驅動(dòng)伺服電動(dòng)機帶動(dòng)平臺運動(dòng)，實(shí)現彈體擾動(dòng)隔離，保持平臺視軸穩定。當視軸與目標位置不一致時(shí)，彈載雷達導引系統測得目標角誤差信號，經(jīng)計算處理后形成平臺跟蹤信號，通過(guò)伺服電動(dòng)機帶動(dòng)平臺運動(dòng)，實(shí)現平臺視軸對目標的跟蹤。

本項目依據某彈載雷達導引系統需求，設計一款伺服穩定平臺，通過(guò)高性能DSP主控芯片、小型化傳感器、微型直流伺服電動(dòng)機、集成PWM功率放大芯片的選型分析及系統硬件、軟件設計完成控制系統設計。

1 系統總體方案設計

1.1 系統組成及工作原理

彈載伺服穩定平臺由平臺機械結構和平臺控制系統兩部分組成。平臺采用兩軸雙框架結構形式，平臺控制系統由DSP控制電路、電動(dòng)機功率驅動(dòng)電路、伺服電動(dòng)機、角度傳感器、速率陀螺組成。系統組成方框圖如圖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(shí)現、功率驅動(dòng)電路PWM控制脈沖波形產(chǎn)生，以及導引系統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(dòng)機功率驅動(dòng)電路接收PWM控制脈沖波形并將放大后信號送至伺服電動(dòng)機實(shí)現電動(dòng)機驅動(dòng)功能。伺服電動(dòng)機作為執行機構，受電動(dòng)機驅動(dòng)電路控制，帶動(dòng)平臺實(shí)現繞軸轉動(dòng)。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，指令執行速率高達150MIPS，具有強大的運算能力和控制功能，片內集成了大容量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轉換模塊、增強型CAN總線(xiàn)通信模塊、SCI串行通信接口、SPI串行外設接口、多通道緩沖串口、 PLL時(shí)鐘模塊、看門(mén)狗、定時(shí)器以及多達56個(gè)多路復用通用IO等豐富、易用的高性能外設單元，適用于自動(dòng)化設備控制、電動(dòng)機數字控制、數字伺服系統控制等場(chǎng)合。

1. 2.2 傳感器選型

基于本項目所設計伺服穩定平臺應用于彈載雷達導引系統，因此，對平臺外形尺寸及重量要求及其嚴格，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)境的適應性。

1.2.2.1 角度傳感器選型

角度傳感器選用旋轉電編碼器，編碼器采用數字SSI輸出、分辨率17位、最大轉速3500rpm。與電位器、光電編碼器、旋轉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(wú)磁敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)，由于其主體部分(轉子、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(diǎn)，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，標度因數非線(xiàn)性度50ppm、啟動(dòng)時(shí)間1 s，功耗1.5W，分辨率2-14°/s，全溫零位變化5°/h(全溫)，采用數字RS422串口輸出，波特率最高可達1.8Mbits/s。該陀螺主要優(yōu)點(diǎn)為結構尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、啟動(dòng)快、環(huán)境適應性強，適用于彈載環(huán)境條件。

1.2.3 伺服電動(dòng)機選型

電動(dòng)機選用帶行星齒輪減速器的直流伺服電動(dòng)機，行星齒輪減速器可以在尺寸和重量較小的條件下，實(shí)現大功率傳動(dòng)，同時(shí)，采用內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(xiàn)上，所以行星齒輪減速器的徑向尺寸非常緊湊。電動(dòng)機電樞電阻157Ω，電感3.4mH，峰值堵轉轉矩 4.45mNm，空載轉速7700r/min，額定電壓24V，減速比19：1。

1.2.4 功率驅動(dòng)芯片選型

考慮本系統電動(dòng)機驅動(dòng)需求、驅動(dòng)控制邏輯及器件性能指標，選用MSK4201型PWM功率放大芯片作為電動(dòng)機驅動(dòng)芯片。MSK4201內部集成了功率場(chǎng)效應管H橋電路，H橋自舉驅動(dòng)與控制電路，最大電源母線(xiàn)電壓75V，連續輸出電流5A，滿(mǎn)足系統功率驅動(dòng)要求。H橋自舉驅動(dòng)與控制電路包括場(chǎng)效應管驅動(dòng)、死區時(shí)間產(chǎn)生及H橋關(guān)斷等電路。

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路由DSP控制電路和電動(dòng)機功率驅動(dòng)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)境設置及存儲空間擴展。設計中選用30MHz石英晶體振蕩器提供系統時(shí)鐘，LDO芯片提供DSP內核及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

旋轉電編碼器采用+5V供電，采用SSI串行通信接口，通信時(shí)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數字量IO供電電壓為+3.3V，無(wú)法直接與旋轉電編碼器直接連接，輸入輸出信號需經(jīng)總線(xiàn)驅動(dòng)電路、RS-422電平轉換電路變換。設計中選用IDT74LVCH1 64245A雙向16位總線(xiàn)驅動(dòng)芯片和DS26LS31、DS26LS32差分總線(xiàn)驅動(dòng)、接收器實(shí)現總線(xiàn)驅動(dòng)與電平轉換功能。

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(xiàn)驅動(dòng)電路、RS-422電平轉換電路變換。

2.2 電動(dòng)機功率驅動(dòng)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(shí)現DSP控制電路與電動(dòng)機功率驅動(dòng)電路間的隔離，使用RC串聯(lián)濾波電路對MSK4201輸出信號進(jìn)行濾波保護，提高系統電磁兼容性和工作可靠性。

3 系統軟件設計

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

3.1 系統程序流程

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

控制系統程序流程圖如圖5所示。

3.2 數字PID控制算法

PID控制因其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于伺服穩定平臺系統控制中。

對于連續系統的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(shí)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PID控制算法、以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續時(shí)間t，以矩形法數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(shí)刻偏差量。

由于數字PID控制未考慮積分飽和問(wèn)題，不能直接輸出到電動(dòng)機功率驅動(dòng)電路，需在PID控制輸出之前設計抗積分飽和措施，以防止由于積分項的過(guò)度積累造成系統產(chǎn)生較大超調。

4 系統試驗結果

經(jīng)測試，本項目所設計伺服穩定平臺主要性能指標如下：

隔離度：對幅度5°、頻率1Hz正弦擺動(dòng)的隔離度為43dB;

位置伺服精度：0.2°;

各項指標均滿(mǎn)足設計任務(wù)書(shū)要求。

5 小結

本文通過(guò)基于TMS320F2812 DSP的控制電路硬件、軟件設計，配合小型、數字輸出傳感器選型，完成彈載伺服穩定平臺控制系統設計，平臺系統各項指標滿(mǎn)足設計要求。本文研究成果對于小型化、數字式彈載伺服穩定平臺控制系統設計具有一定的參考價(jià)值。