實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)能夠有效的隔離載體運(yùn)動(dòng)，確保安裝于穩(wěn)定平臺(tái)上的裝置工作時(shí)不會(huì)受載體的運(yùn)動(dòng)影響。無(wú)論在軍事上還是在民用中穩(wěn)定平臺(tái)都有著重要的用途。本文的主要研究對(duì)象屬于實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)。實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)的載體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要求負(fù)載如艦載武器等在載體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下可靠穩(wěn)定地工作，多見(jiàn)于高技術(shù)含量的武器系統(tǒng)如艦載設(shè)備、機(jī)載設(shè)備等，實(shí)時(shí)穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)于穩(wěn)定平臺(tái)的快速性及動(dòng)態(tài)精度要求較高，手動(dòng)或滯后調(diào)平已經(jīng)不能滿足要求。

1 系統(tǒng)組成

1.1 調(diào)平原理

調(diào)平系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示，主要由動(dòng)平臺(tái)，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(gòu)成。動(dòng)平臺(tái)通過(guò)支點(diǎn)A1，A2及O點(diǎn)分別與平臺(tái)的基座和傳動(dòng)支鏈相連接，并構(gòu)成以O(shè)點(diǎn)為直角的等腰直角三角形A1A2O。系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到動(dòng)平臺(tái)處于非水平狀態(tài)后，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)解算得出兩球鉸應(yīng)上升或下降的行程，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(減速箱)控制絲桿轉(zhuǎn)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(tái)進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)平運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)調(diào)試時(shí)由一個(gè)電機(jī)通過(guò)帶輪驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行搖擺動(dòng)作，控制系統(tǒng)控制電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)平。

1.2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)由傾角檢測(cè)部分，控制部分，通信部分，執(zhí)行部分，限位保護(hù)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(jī)驅(qū)動(dòng)器，限位開(kāi)關(guān)，狀態(tài)顯示模塊等。系統(tǒng)硬件工作原理如圖2所示。

實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)，通過(guò)濾波處理，得到系統(tǒng)擺動(dòng)角速度與傾角狀態(tài)，經(jīng)過(guò)TMS320F2812芯片計(jì)算得出電機(jī)轉(zhuǎn)速，再由TMS320F2812的兩路脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)升壓電路分別發(fā)送給兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)平。驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)降壓電路把電機(jī)實(shí)際精確位置信息反饋給控制系統(tǒng)。限位開(kāi)關(guān)可保證不會(huì)發(fā)生超量程動(dòng)作導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象。上位機(jī)可通過(guò)JTAG仿真器與控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)調(diào)試試驗(yàn)程序、下載等功能，也可通過(guò)RS232串口與驅(qū)動(dòng)器連接，方便監(jiān)測(cè)電機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)。狀態(tài)顯示可觀測(cè)到系統(tǒng)調(diào)平狀態(tài)及有無(wú)錯(cuò)誤發(fā)生。

控制系統(tǒng)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(shè)計(jì)章節(jié)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(jī)控制模塊非常適合本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。除此之外還通過(guò)通用I/O口設(shè)計(jì)了電機(jī)、傳感器等接口電路以及按鍵應(yīng)用，在控制板背面還設(shè)計(jì)了SD卡模塊。

2 實(shí)時(shí)調(diào)平控制方案

2.1 實(shí)時(shí)調(diào)平控制系統(tǒng)軟件總體框圖設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)軟件包括主監(jiān)控程序、初始化模塊程序、運(yùn)動(dòng)控制模塊程序、數(shù)據(jù)處理模塊程序、SD卡存儲(chǔ)模塊程序、通信模塊程序等組成，其中運(yùn)動(dòng)控制模塊又分為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)平算法模塊、位置反饋模塊等?？刂葡到y(tǒng)軟件總體框圖如圖4所示。

2.2 實(shí)時(shí)調(diào)平控制算法程序設(shè)計(jì)

調(diào)平算法模塊包括3個(gè)部分：速度跟蹤與位置補(bǔ)償模塊、PID算法模塊。其中速度跟蹤模塊使調(diào)平機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)搖擺時(shí)能夠以相同的速度反向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)調(diào)平粗調(diào);位置補(bǔ)償模塊可以使得調(diào)平系統(tǒng)減小靜態(tài)誤差，在動(dòng)態(tài)調(diào)平過(guò)程中減小動(dòng)態(tài)誤差積累;PID算法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨著系統(tǒng)搖擺速度而實(shí)時(shí)變速的功能;抑振模塊改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使得調(diào)平快速響應(yīng)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(bǔ)償模塊程序

速度跟蹤模塊及位置補(bǔ)償模塊程序流程圖如圖5～6所示。

當(dāng)控制系統(tǒng)采樣速度經(jīng)過(guò)濾波，并計(jì)算出速度PID結(jié)果后，依據(jù)傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比及絲桿螺母速度與動(dòng)平臺(tái)角速度之間的關(guān)系便可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。由電機(jī)轉(zhuǎn)速便可計(jì)算出事件管理器周期寄存器設(shè)置值，最后更新周期寄存器的值便可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速與周期寄存器設(shè)定值之間的關(guān)系如下。