基于伺服電機(jī)和運(yùn)動控制器的目標(biāo)仿真實(shí)時性控制研究

　　引言

　　眾所周知，激光制導(dǎo)武器是以敏感到的特定激光信號為制導(dǎo)信息。在激光制導(dǎo)武器的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，目標(biāo)仿真和制導(dǎo)仿真具有同等重要的地位。這是因?yàn)榧す饽繕?biāo)模擬的準(zhǔn)確性影響到系統(tǒng)的整體仿真精度和可靠性，甚至可以說目標(biāo)仿真系統(tǒng)的研制水平?jīng)Q定仿真大系統(tǒng)水平[1]。因此，目標(biāo)仿真是提高半實(shí)物仿真系統(tǒng)整體精度的關(guān)鍵，“如何逼真地模擬激光目標(biāo)”就成為仿真中重要的問題[1]。

　　目標(biāo)仿真系統(tǒng)研究的是能夠?qū)崟r精確的模擬戰(zhàn)場環(huán)境中導(dǎo)引頭入瞳處接收到的各種目標(biāo)反射編碼激光的光學(xué)特性。具體來說就是在計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制器的控制下實(shí)時控制激光能量和光斑大小的變化，并以此來模擬激光航彈導(dǎo)引頭入瞳處的激光目標(biāo)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(biāo)的位置信息和速度信息等進(jìn)行實(shí)時采集處理。之前基于步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的程控一體化激光器不能很好的滿足系統(tǒng)的實(shí)時性要求，因此，筆者設(shè)計(jì)了基于伺服電機(jī)及運(yùn)動控制卡的運(yùn)動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在控制激光光斑大小和能量的實(shí)時變化方面較前一系統(tǒng)有了較大改進(jìn)。

　　運(yùn)動控制的實(shí)時性設(shè)計(jì)

　　對激光光斑的大小和能量的實(shí)時性控制，具體體現(xiàn)就是對程控一體化激光器中的可變衰減系統(tǒng)和可控?cái)U(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時性設(shè)計(jì)，這是目標(biāo)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)時，我們以某型激光制導(dǎo)武器為背景進(jìn)行了數(shù)字仿真，得到一組典型的數(shù)字仿真能量衰減(對應(yīng)的為電機(jī)控制步數(shù)數(shù)據(jù))曲線如圖1~2所示。

　　由上述數(shù)據(jù)和圖形可見，在初始投彈和飛行的大部分時間里，能量和光斑變化較緩慢，而在接近目標(biāo)時發(fā)生了劇烈的變化。這說明當(dāng)炸彈接近目標(biāo)時激光能量和導(dǎo)引頭所見光斑大小隨時間的變化并不是一個線性關(guān)系。鑒于此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時既充分考慮光斑大小和能量的實(shí)時跟蹤范圍，又考慮了工程上實(shí)現(xiàn)的可能性，選用了TSA50標(biāo)準(zhǔn)型高速電控平移臺。旋轉(zhuǎn)臺則選用中空力矩電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)棱鏡來直接實(shí)現(xiàn)。特別的，本系統(tǒng)將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的平移臺和旋轉(zhuǎn)臺均改為由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，主要考慮的是伺服電機(jī)啟動時間短，速度高，在極短的時間內(nèi)能夠帶動激光器內(nèi)安裝的平移棱鏡和旋轉(zhuǎn)棱鏡做高速運(yùn)動，來模擬導(dǎo)引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿足對光斑實(shí)時變化的要求。由高速平移臺和旋轉(zhuǎn)電機(jī)分別驅(qū)動擴(kuò)束系統(tǒng)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時能完全滿足實(shí)時性控制要求。而在剩余時間內(nèi)，由電機(jī)做全速運(yùn)動來近似逼近末段的陡峭變化。

　　基于以上的目標(biāo)和對于運(yùn)動控制功能的設(shè)計(jì)，采用專用運(yùn)動控制芯片是一種較好的選擇[2]。專用控制芯片通過PCI 總線與PC 機(jī)的CPU 通訊，接收PC 機(jī)的控制指令，由內(nèi)部的邏輯電路進(jìn)行運(yùn)算和脈沖發(fā)送，同時檢測一些開關(guān)量信號(如限位信號)的狀態(tài)并向PC 機(jī)報(bào)告，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的功能。在這種方案中，所有的運(yùn)動控制細(xì)節(jié)都由運(yùn)動控制卡上的專用芯片完成，無需占用PC 機(jī)的資源，PC 機(jī)可以專注于用戶界面的處理和對運(yùn)動控制卡狀態(tài)的監(jiān)控。運(yùn)動控制專用芯片自身具有強(qiáng)大的運(yùn)動控制功能，不需要擴(kuò)展復(fù)雜的外圍電路。PC 機(jī)只需要對運(yùn)動控制芯片發(fā)送命令和參數(shù)，控制簡單。經(jīng)過反復(fù)的調(diào)研和論證，初步確定總體運(yùn)動控制方案為“PCI 接口芯片+專用運(yùn)動控制芯片+激光控制模塊”。