基于DSP的實(shí)時(shí)自動(dòng)調平控制系統設計

摘要：穩定平臺隔離載體運動(dòng)的特性使其在軍事及民用領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。然而由于負載特性與工況的不同以及系統技術(shù)實(shí)現復雜等原因使得穩定平臺的通用性不高。本文基于某武器系統的需要，對機電式雙軸實(shí)時(shí)穩定平臺伺服控制系統進(jìn)行了研究。該文以TMS320F2812芯片為控制核心，結合串口通信、陀螺儀等模塊設計了實(shí)時(shí)自動(dòng)調平控制系統。通過(guò)編制測試軟件，對控制系統進(jìn)行了調試，驗證了本設計預定的功能切實(shí)可行。

穩定平臺能夠有效的隔離載體運動(dòng)，確保安裝于穩定平臺上的裝置工作時(shí)不會(huì )受載體的運動(dòng)影響。無(wú)論在軍事上還是在民用中穩定平臺都有著(zhù)重要的用途。本文的主要研究對象屬于實(shí)時(shí)穩定平臺。實(shí)時(shí)穩定平臺的載體處于運動(dòng)狀態(tài)，要求負載如艦載武器等在載體運動(dòng)的狀態(tài)下可靠穩定地工作，多見(jiàn)于高技術(shù)含量的武器系統如艦載設備、機載設備等，實(shí)時(shí)穩定平臺對于穩定平臺的快速性及動(dòng)態(tài)精度要求較高，手動(dòng)或滯后調平已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。

1 系統組成

1.1 調平原理

調平系統的結構原理示意圖如圖1所示，主要由動(dòng)平臺，三自由度球鉸鏈，支撐桿，二自由度虎克鉸，絲桿螺母和滾珠絲桿，基座等部件構成。動(dòng)平臺通過(guò)支點(diǎn)A1，A2及O點(diǎn)分別與平臺的基座和傳動(dòng)支鏈相連接，并構成以O點(diǎn)為直角的等腰直角三角形A1A2O。系統工作時(shí)，當檢測到動(dòng)平臺處于非水平狀態(tài)后，控制系統經(jīng)過(guò)解算得出兩球鉸應上升或下降的行程，然后驅動(dòng)電機經(jīng)傳動(dòng)機構(減速箱)控制絲桿轉動(dòng)帶動(dòng)絲桿螺母上移或下移，繼而支撐桿帶動(dòng)球鉸控制動(dòng)平臺進(jìn)行穩定調平運動(dòng)。系統調試時(shí)由一個(gè)電機通過(guò)帶輪驅動(dòng)曲柄搖桿機構帶動(dòng)系統進(jìn)行搖擺動(dòng)作，控制系統控制電機進(jìn)行實(shí)時(shí)調平。

1.2 控制系統硬件構成

系統由傾角檢測部分，控制部分，通信部分，執行部分，限位保護部分，狀態(tài)顯示部分組成，主要包括TMS320F2812芯片，升降壓電路，485串口通信模塊，角度陀螺儀，角速度陀螺儀，電機驅動(dòng)器，限位開(kāi)關(guān)，狀態(tài)顯示模塊等。系統硬件工作原理如圖2所示。

實(shí)時(shí)自動(dòng)調平控制系統以TMS320F2812芯片為核心，通過(guò)485串口通信控制陀螺儀并接收陀螺儀角度數據，通過(guò)濾波處理，得到系統擺動(dòng)角速度與傾角狀態(tài)，經(jīng)過(guò)TMS320F2812芯片計算得出電機轉速，再由TMS320F2812的兩路脈沖信號經(jīng)過(guò)升壓電路分別發(fā)送給兩臺電機驅動(dòng)器驅動(dòng)電機進(jìn)行調平。驅動(dòng)器可通過(guò)降壓電路把電機實(shí)際精確位置信息反饋給控制系統。限位開(kāi)關(guān)可保證不會(huì )發(fā)生超量程動(dòng)作導致機械結構損壞的現象。上位機可通過(guò)JTAG仿真器與控制系統連接，實(shí)現調試試驗程序、下載等功能，也可通過(guò)RS232串口與驅動(dòng)器連接，方便監測電機系統狀態(tài)。狀態(tài)顯示可觀(guān)測到系統調平狀態(tài)及有無(wú)錯誤發(fā)生。

控制系統主控板如圖3所示。該控制板的主要功能模塊電路與硬件設計章節所述基本一致?？刂瓢逡訲MS320F2812為核心，其集成的通信模塊與電機控制模塊非常適合本系統功能的實(shí)現。除此之外還通過(guò)通用I/O口設計了電機、傳感器等接口電路以及按鍵應用，在控制板背面還設計了SD卡模塊。

2 實(shí)時(shí)調平控制方案

2.1 實(shí)時(shí)調平控制系統軟件總體框圖設計

控制系統軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化設計，便于調試?？刂葡到y軟件包括主監控程序、初始化模塊程序、運動(dòng)控制模塊程序、數據處理模塊程序、SD卡存儲模塊程序、通信模塊程序等組成，其中運動(dòng)控制模塊又分為：電機驅動(dòng)模塊、調平算法模塊、位置反饋模塊等?？刂葡到y軟件總體框圖如圖4所示。

2.2 實(shí)時(shí)調平控制算法程序設計

調平算法模塊包括3個(gè)部分：速度跟蹤與位置補償模塊、PID算法模塊。其中速度跟蹤模塊使調平機構在系統搖擺時(shí)能夠以相同的速度反向運動(dòng)以實(shí)現調平粗調;位置補償模塊可以使得調平系統減小靜態(tài)誤差，在動(dòng)態(tài)調平過(guò)程中減小動(dòng)態(tài)誤差積累;PID算法實(shí)現了電機運動(dòng)狀態(tài)隨著(zhù)系統搖擺速度而實(shí)時(shí)變速的功能;抑振模塊改善了系統的動(dòng)態(tài)性能，使得調平快速響應性能以及動(dòng)態(tài)精度進(jìn)一步提高。

1)速度跟蹤與位置補償模塊程序

速度跟蹤模塊及位置補償模塊程序流程圖如圖5～6所示。

當控制系統采樣速度經(jīng)過(guò)濾波，并計算出速度PID結果后，依據傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比及絲桿螺母速度與動(dòng)平臺角速度之間的關(guān)系便可得到電機轉速。由電機轉速便可計算出事件管理器周期寄存器設置值，最后更新周期寄存器的值便可改變電機轉速。電機轉速與周期寄存器設定值之間的關(guān)系如下。

其中，V為電機轉速，SYSCLOUT為系統時(shí)鐘頻率，TxCMP為周期寄存器設定值，NPR為電機驅動(dòng)器設定的電機轉動(dòng)一圈所需脈沖數。

位置補償模塊與速度跟蹤模塊實(shí)現過(guò)程相似，角度誤差最終轉換成電機轉速，補償速度跟蹤模塊程序造成的位置誤差。

2)PID算法模塊程序

PID算法是電機驅動(dòng)的核心算法，它實(shí)現了電機隨傳感器數據實(shí)時(shí)變速的功能，是實(shí)現實(shí)時(shí)調平的基礎。當傳感器數據經(jīng)過(guò)數據處理后便可由PID算法計算出比例偏差，如果比例偏差大于設定的最小值便進(jìn)入計算積分項Sk、微分項dk程序，最后計算出PID最終結果：

Upid=KpxekxKIxSk+KDxdk (2)

3 系統主要功能模塊調試與分析

3.1 PWM脈沖功能調試

PWM脈沖功能是DSP控制系統最重要的功能之一，是驅動(dòng)電機的最主要手段?？刂葡到y通過(guò)發(fā)送脈沖來(lái)控制電機位置，DSP通過(guò)改變發(fā)送脈沖的頻率來(lái)控制調節電機的轉速。文中通過(guò)DSP2812的T1PWM與T3PWM管腳分別控制兩個(gè)調平電機。PWM功能測試結果如下所示。圖的上半部分為示波器采集圖，下半部分為CCS中程序運行時(shí)寄存器的值。由圖7～8可以看出PWM脈沖產(chǎn)生與PWM脈沖頻率改變兩項主要功能都運行正常。

3.2 串口通信功能調試

在本文設計中，采集傳感器的數據使用的手段是通過(guò)DSP2812中集成的串口通信模塊，串口通信與不同的芯片組合可以構成兩種通信模式：RS232與RS485。由于采用RS485雖然通信距離長(cháng)，抗干擾強，但是這種方式不能直接與PC機通信，因此本文選用MAX3232元件將通信功能設計成RS232模式。圖9為RS232與PC機通信測試圖，其中上半部分為PC機軟件發(fā)送數據圖，下半部分為CCS軟件中寄存器數據觀(guān)察窗。測試程序運行過(guò)程中，在PC機上通過(guò)串口獵人軟件發(fā)送一串16進(jìn)制數據：0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，在寄存器視窗中觀(guān)察到數據采集數組中成功的接收到了PC機發(fā)送的數據。

3.3 實(shí)時(shí)調平算法程序調試結果

經(jīng)過(guò)算法程序反復調試，獲得了理想的濾波及PID參數，程序運行效果良好，控制系統可以實(shí)現±20°以?xún)茸罡邠u擺速度不高于20°/s的工況內的實(shí)時(shí)調平，實(shí)時(shí)調平精度可控制在±0.3°，滿(mǎn)足了武器系統的要求。

4 結論

文中以TMS320F2812為核心，通過(guò)濾波算法及PID算法的應用，并通過(guò)試驗調整系統參數，實(shí)現了某武器系統的實(shí)時(shí)自動(dòng)調平。本文的研究結果對于搖擺周期變化無(wú)規律，搖擺角度幅值變化無(wú)規律等復雜情況下的機電式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)調平提供了一個(gè)通用的解決方法。