基于伺服電機和運動(dòng)控制器的目標仿真實(shí)時(shí)性設計

　　目標仿真系統研究的是能夠實(shí)時(shí)精確的模擬戰場(chǎng)環(huán)境中導引頭入瞳處接收到的各種目標反射編碼激光的光學(xué)特性。具體來(lái)說(shuō)就是在計算機和電機控制器的控制下實(shí)時(shí)控制激光能量和光斑大小的變化，并以此來(lái)模擬激光航彈導引頭入瞳處的激光目標特性、能量變化特性和光斑大小變化特性。這種精確的模擬要求對目標的位置信息和速度信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理。之前基于步進(jìn)電機伺服驅動(dòng)系統的程控一體化激光器不能很好的滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，因此，筆者設計了基于伺服電機及運動(dòng)控制卡的運動(dòng)控制系統。該系統在控制激光光斑大小和能量的實(shí)時(shí)變化方面較前一系統有了較大改進(jìn)。

　　運動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性設計

　　對激光光斑的大小和能量的實(shí)時(shí)性控制，具體體現就是對程控一體化激光器中的可變衰減系統和可控擴束系統進(jìn)行實(shí)時(shí)性設計，這是目標仿真系統設計的一個(gè)關(guān)鍵。在設計時(shí)，我們以某型激光制導武器為背景進(jìn)行了數字仿真，得到一組典型的數字仿真能量衰減(對應的為電機控制步數數據)曲線(xiàn)如圖1~2所示。

　　由上述數據和圖形可見(jiàn)，在初始投彈和飛行的大部分時(shí)間里，能量和光斑變化較緩慢，而在接近目標時(shí)發(fā)生了劇烈的變化。這說(shuō)明當炸彈接近目標時(shí)激光能量和導引頭所見(jiàn)光斑大小隨時(shí)間的變化并不是一個(gè)線(xiàn)性關(guān)系。鑒于此，本系統在設計時(shí)既充分考慮光斑大小和能量的實(shí)時(shí)跟蹤范圍，又考慮了工程上實(shí)現的可能性，選用了TSA50標準型高速電控平移臺。旋轉臺則選用中空力矩電機帶動(dòng)旋轉棱鏡來(lái)直接實(shí)現。特別的，本系統將步進(jìn)電機驅動(dòng)的平移臺和旋轉臺均改為由伺服電機進(jìn)行驅動(dòng)，主要考慮的是伺服電機啟動(dòng)時(shí)間短，速度高，在極短的時(shí)間內能夠帶動(dòng)激光器內安裝的平移棱鏡和旋轉棱鏡做高速運動(dòng)，來(lái)模擬導引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿(mǎn)足對光斑實(shí)時(shí)變化的要求。由高速平移臺和旋轉電機分別驅動(dòng)擴束系統的目鏡和格蘭—付克棱鏡的檢偏鏡，使得能量和光斑變化在彈目距離>300m時(shí)能完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性控制要求。而在剩余時(shí)間內，由電機做全速運動(dòng)來(lái)近似逼近末段的陡峭變化。

　　基于以上的目標和對于運動(dòng)控制功能的設計，采用專(zhuān)用運動(dòng)控制芯片是一種較好的選擇[2]。專(zhuān)用控制芯片通過(guò)PCI 總線(xiàn)與PC 機的CPU 通訊，接收PC 機的控制指令，由內部的邏輯電路進(jìn)行運算和脈沖發(fā)送，同時(shí)檢測一些開(kāi)關(guān)量信號(如限位信號)的狀態(tài)并向PC 機報告，以實(shí)現運動(dòng)控制的功能。在這種方案中，所有的運動(dòng)控制細節都由運動(dòng)控制卡上的專(zhuān)用芯片完成，無(wú)需占用PC 機的資源，PC 機可以專(zhuān)注于用戶(hù)界面的處理和對運動(dòng)控制卡狀態(tài)的監控。運動(dòng)控制專(zhuān)用芯片自身具有強大的運動(dòng)控制功能，不需要擴展復雜的外圍電路。PC 機只需要對運動(dòng)控制芯片發(fā)送命令和參數，控制簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)反復的調研和論證，初步確定總體運動(dòng)控制方案為“PCI 接口芯片+專(zhuān)用運動(dòng)控制芯片+激光控制模塊”。運動(dòng)控制系統結構

　　整個(gè)控制系統硬件由PC機、DMC5400多軸控制器、增量式編碼器以及松下公司的全數字式交流伺服系統(包括電機和驅動(dòng)器)、中空力矩電機等組成(見(jiàn)圖3)。

　　該控制系統以PC機平臺為基礎，DMC5400多軸運動(dòng)控制器為運動(dòng)控制核心。PC機的CPU與DMC5400的CPU構成上下位機的結構，兩個(gè)CPU各自完成相應的任務(wù)。

　　PC機作為DMC5400的上位機，提供Windows平臺及人機操作界面，完成系統初始化、軌跡參數的設定、運動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示等，僅需用極少部分時(shí)間向控制卡發(fā)送運動(dòng)指令。下位DMC5400多軸運動(dòng)控制器主要完成平移電機和旋轉電機的運動(dòng)控制，包括伺服驅動(dòng)、程序解釋以及高速數據采集等實(shí)時(shí)性任務(wù)。DMC5400直接插在PC機的PCI插槽中，并由動(dòng)態(tài)鏈接庫驅動(dòng)。

　　運動(dòng)控制系統軟件設計

　　該控制系統實(shí)質(zhì)上是一種以DMC5400為核心組