實(shí)時(shí)自動(dòng)調平控制系統設計

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。