基于DSP的光電搜跟設(shè)備伺服機(jī)構(gòu)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(duì)光電搜跟設(shè)備對(duì)伺服控制機(jī)構(gòu)動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)和跟蹤精度的要求，本文設(shè)計(jì)了基于DSP的光電跟蹤設(shè)備伺服機(jī)構(gòu)控制器?？刂破饕訲MS320C28346為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，配置高性能外設(shè)結(jié)構(gòu)模塊和調(diào)理電路，通過(guò)合理優(yōu)化軟件流程，并對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)施雙回路閉環(huán)控制，使得系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，可為外場(chǎng)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的觀測(cè)和測(cè)試提供便捷和保障。

引言

　　光電搜跟設(shè)備是集光、機(jī)、電、控制與信號(hào)處理于一體的集成設(shè)備，通過(guò)光學(xué)儀器進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，經(jīng)圖像處理得到獲取目標(biāo)脫靶量，控制伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效捕獲與跟蹤^[1]。

　　高效的伺服控制是穩(wěn)定跟蹤的基礎(chǔ)，在伺服控制中設(shè)計(jì)滿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(shè)備伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心控制器，成本低廉，體積小巧，性能可靠。設(shè)計(jì)時(shí)采用合理的軟件流程，并通過(guò)數(shù)字PID控制使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，并具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)可安裝于測(cè)試車(chē)上，便于對(duì)外場(chǎng)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

1 控制器組成及工作原理

　　光電搜跟設(shè)備主要由光學(xué)探測(cè)及圖像處理系統(tǒng)、伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及管理顯示系統(tǒng)組成，基于DSP的轉(zhuǎn)臺(tái)控制器作為伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心控制單元，圖1是光電搜跟設(shè)備系統(tǒng)框圖。主要包括控制芯片、電源模塊、串口通訊模塊、電機(jī)驅(qū)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(biāo)脫靶量信息，經(jīng)控制芯片數(shù)據(jù)處理，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)運(yùn)動(dòng)，編碼器采集模塊通過(guò)實(shí)時(shí)采集編碼器數(shù)據(jù)來(lái)反饋伺服機(jī)構(gòu)位置信息，與控制信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)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(xiàn)控制器對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制。同時(shí)，控制器通過(guò)串口模塊將伺服機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋管理計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　本系統(tǒng)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(jī)構(gòu)根據(jù)管理計(jì)算機(jī)的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dǎo)電環(huán)中的光纖滑環(huán)將圖像信息傳輸?shù)綀D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(jì)算機(jī)。跟蹤模式下，跟蹤器實(shí)時(shí)解算光學(xué)探測(cè)器采集的圖像信息，并將計(jì)算得到的目標(biāo)與轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì)伺服機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，為了提高跟蹤精度，控制器控制周期為1ms。

　　本系統(tǒng)中伺服機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)如下：速度指標(biāo)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(zhuǎn)臺(tái)頻率響應(yīng)特性指標(biāo)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(shè)計(jì)

2.1 控制芯片

　　控制芯片采用TMS320F28346，該芯片基于TMS320C2xx內(nèi)核的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，器件上集成了許多先進(jìn)的外設(shè)，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)。主頻高達(dá)300MHz，CPU高達(dá)32位，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制提供了良好的運(yùn)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的運(yùn)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(shè)硬件模塊均需3.3V電壓供電，該電壓屬于非常規(guī)電壓，采用電源芯片TPS75933將+5V的電壓轉(zhuǎn)換為+3.3V，最大輸出電流可達(dá)7.5A，3.3V電壓產(chǎn)生電路如圖2所示。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制和驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)按照預(yù)定的控制指令運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括I/O轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路。I/O轉(zhuǎn)換電路用于控制驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)、驅(qū)動(dòng)器綜合故障信號(hào)和驅(qū)動(dòng)器就緒信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換電路通過(guò)輸出-10V~+10V控制驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)速度信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

　　驅(qū)動(dòng)器通過(guò)模擬電壓來(lái)響應(yīng)位置環(huán)與速度環(huán)的輸出，對(duì)應(yīng)于一定的模擬電壓驅(qū)動(dòng)器輸出與之對(duì)應(yīng)的電流，控制力矩電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確控制。D/A轉(zhuǎn)換電路采用DAC7744芯片，該芯片具有16位分辨率，精度高，同時(shí)還能滿足-10V~+10V電壓輸出。在模擬量的輸出端施加運(yùn)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(jī)構(gòu)位置信息，編碼器采用進(jìn)口的雷尼紹編碼器，型號(hào)為RGH20，5V供電。將編碼器安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)的軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，編碼器會(huì)輸出差分信號(hào)，DSP會(huì)讀取這些信號(hào)。在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，需要將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，且單端信號(hào)的高電平所對(duì)應(yīng)的電壓必須是3.3V，否則會(huì)損毀DSP芯片。差分轉(zhuǎn)單端的光耦型號(hào)是FOD063L，F(xiàn)OD063L屬于高速光耦，最大的轉(zhuǎn)換速度高達(dá)10MBit/s。轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)和跟蹤器通訊，上位機(jī)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(jī)構(gòu)工作狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行反饋。在此系統(tǒng)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(tǒng)的上位機(jī)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(tǒng)的定時(shí)器，系統(tǒng)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(zhuǎn)的電平信號(hào)，DSP采集作為外部中斷，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的1ms實(shí)時(shí)控制。