基于DSP的光電搜跟設備伺服機構控制器研究

作者/ 孫健 李釗 劉鵬飛 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

摘要：針對光電搜跟設備對伺服控制機構動(dòng)、靜態(tài)響應和跟蹤精度的要求，本文設計了基于DSP的光電跟蹤設備伺服機構控制器?？刂破饕訲MS320C28346為數據處理平臺，配置高性能外設結構模塊和調理電路，通過(guò)合理優(yōu)化軟件流程，并對控制系統實(shí)施雙回路閉環(huán)控制，使得系統具有良好的跟蹤性能，系統結構簡(jiǎn)單，性能可靠，可為外場(chǎng)動(dòng)態(tài)目標的觀(guān)測和測試提供便捷和保障。

引言

　　光電搜跟設備是集光、機、電、控制與信號處理于一體的集成設備，通過(guò)光學(xué)儀器進(jìn)行目標探測，經(jīng)圖像處理得到獲取目標脫靶量，控制伺服運動(dòng)機構實(shí)時(shí)運動(dòng)，實(shí)現對目標的有效捕獲與跟蹤^[1]。

　　高效的伺服控制是穩定跟蹤的基礎，在伺服控制中設計滿(mǎn)足要求的控制器是關(guān)鍵。本文采用性能優(yōu)越的DSP作為光學(xué)搜跟設備伺服運動(dòng)機構的核心控制器，成本低廉，體積小巧，性能可靠。設計時(shí)采用合理的軟件流程，并通過(guò)數字PID控制使得系統更加穩定，并具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。系統可安裝于測試車(chē)上，便于對外場(chǎng)目標進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀(guān)測。

1 控制器組成及工作原理

　　光電搜跟設備主要由光學(xué)探測及圖像處理系統、伺服運動(dòng)機構及管理顯示系統組成，基于DSP的轉臺控制器作為伺服運動(dòng)機構的核心控制單元，圖1是光電搜跟設備系統框圖。主要包括控制芯片、電源模塊、串口通訊模塊、電機驅動(dòng)模塊、編碼器采集模塊和外部時(shí)鐘模塊。如圖1所示，DSP控制器通過(guò)串口模塊實(shí)時(shí)讀取跟蹤器處理得到的目標脫靶量信息，經(jīng)控制芯片數據處理，通過(guò)電機驅動(dòng)模塊控制驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)力矩電機運動(dòng)，編碼器采集模塊通過(guò)實(shí)時(shí)采集編碼器數據來(lái)反饋伺服機構位置信息，與控制信號構成閉環(huán)回路，實(shí)現對伺服機構的閉環(huán)控制。外部時(shí)鐘模塊可為控制芯片提供精確的時(shí)鐘，實(shí)現控制器對伺服機構的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，控制器通過(guò)串口模塊將伺服機構工作狀態(tài)和運動(dòng)參數實(shí)時(shí)反饋管理計算機，實(shí)現伺服機構工作過(guò)程中的實(shí)時(shí)監控、參數設置及數據存儲。

　　本系統中DSP控制器有兩種工作模式，即搜索模式和跟蹤模式。搜索模式下，伺服機構根據管理計算機的指令實(shí)現對空周掃或扇掃功能，此時(shí)，紅外熱像儀與電視跟蹤儀通過(guò)導電環(huán)中的光纖滑環(huán)將圖像信息傳輸到圖像處理器，圖像處理器再將圖像信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給管理計算機。跟蹤模式下，跟蹤器實(shí)時(shí)解算光學(xué)探測器采集的圖像信息，并將計算得到的目標與轉臺中心位置的脫靶量信息，實(shí)時(shí)發(fā)送至DSP控制器，控制器通過(guò)對伺服機構的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，實(shí)現對目標的跟蹤，為了提高跟蹤精度，控制器控制周期為1ms。

　　本系統中伺服機構技術(shù)指標如下：速度指標中，方位：10°/s~360°/s，俯仰：10°/s~70°/s;位置精度中，方位：≤3mrad，俯仰：≤5mrad;轉臺頻率響應特性指標中，峰峰值為1°時(shí)， 在1Hz～10Hz時(shí)，輸出幅值特性≤1dB，輸出相位特性≤10o。

2 硬件設計

2.1 控制芯片

　　控制芯片采用TMS320F28346，該芯片基于TMS320C2xx內核的浮點(diǎn)數字信號處理器，器件上集成了許多先進(jìn)的外設，為電機及其他運動(dòng)控制領(lǐng)域應用的實(shí)現提供了良好的平臺。主頻高達300MHz，CPU高達32位，為系統實(shí)時(shí)運動(dòng)控制提供了良好的運算能力。

2.2 電源模塊

　　開(kāi)關(guān)電源輸出包含±15V及+5V電壓，其中，+15V與-15V用于為電機驅動(dòng)模塊的運放供電，并通過(guò)選取合適的電容進(jìn)行濾波。而控制芯片及外設硬件模塊均需3.3V電壓供電，該電壓屬于非常規電壓，采用電源芯片TPS75933將+5V的電壓轉換為+3.3V，最大輸出電流可達7.5A，3.3V電壓產(chǎn)生電路如圖2所示。

2.3 電機驅動(dòng)模塊

　　電機驅動(dòng)模塊用于控制和驅動(dòng)力矩電機按照預定的控制指令運動(dòng)，電機驅動(dòng)模塊包括I/O轉換電路和D/A轉換電路。I/O轉換電路用于控制驅動(dòng)器使能信號、驅動(dòng)器綜合故障信號和驅動(dòng)器就緒信號，D/A轉換電路通過(guò)輸出-10V~+10V控制驅動(dòng)器產(chǎn)生相應速度信號控制電機運動(dòng)。

　　驅動(dòng)器通過(guò)模擬電壓來(lái)響應位置環(huán)與速度環(huán)的輸出，對應于一定的模擬電壓驅動(dòng)器輸出與之對應的電流，控制力矩電機運動(dòng)，從而實(shí)現對執行機構的精確控制。D/A轉換電路采用DAC7744芯片，該芯片具有16位分辨率，精度高，同時(shí)還能滿(mǎn)足-10V~+10V電壓輸出。在模擬量的輸出端施加運放隔離，既保證了DAC7744芯片的使用安全，也保證了輸出量的精度。

2.4 編碼器采集模塊

　　編碼器采集模塊用于接收編碼器實(shí)時(shí)反饋的反饋伺服機構位置信息，編碼器采用進(jìn)口的雷尼紹編碼器，型號為RGH20，5V供電。將編碼器安裝在轉臺的軸上，當轉臺在運動(dòng)時(shí)，編碼器會(huì )輸出差分信號，DSP會(huì )讀取這些信號。在設計接口電路時(shí)，需要將差分信號轉換為單端信號，且單端信號的高電平所對應的電壓必須是3.3V，否則會(huì )損毀DSP芯片。差分轉單端的光耦型號是FOD063L，FOD063L屬于高速光耦，最大的轉換速度高達10MBit/s。轉換電路設計如圖4所示。

2.5 串口通訊模塊

　　串口通訊模塊用于控制器與管理計算機和跟蹤器通訊，上位機通過(guò)串口將控制指令發(fā)送給控制器，同時(shí)控制器將伺服機構工作狀態(tài)及運動(dòng)信息進(jìn)行反饋。在此系統中，通訊主要采用422通訊與232通訊，422通訊芯片是MAX3490。此芯片一端連接與DSP的SCI接口連接，其中MAX3490以差分的422型與系統的上位機進(jìn)行通訊。串口通訊模塊如圖5所示。

2.6 外部時(shí)鐘模塊

　　控制周期是采用外部的CPLD芯片，選用EPM570T100C5N，EPM作為系統的定時(shí)器，系統控制周期為1ms，EPM570T100C5N在完成1ms的定時(shí)后會(huì )輸出1個(gè)翻轉的電平信號，DSP采集作為外部中斷，實(shí)現轉臺的1ms實(shí)時(shí)控制。