基于伺服電機和運動控制器的目標仿真實時性控制研究

摘要：本文按照仿真的相似性原則，分析了原有系統在實時性控制方面的不足，對程控激光器的運動控制系統進行了方案設計。基于控制系統的硬件結構和軟件開發平臺開發了上位管理軟件和實時控制模塊。根據典型仿真曲線對比定性地驗證了設計的有效性。

關鍵詞：目標仿真；實時控制；伺服電機；DMC5400；多軸運動控制器

引言

眾所周知，激光制導武器是以敏感到的特定激光信號為制導信息。在激光制導武器的半實物仿真系統中，目標仿真和制導仿真具有同等重要的地位。這是因為激光目標模擬的準確性影響到系統的整體仿真精度和可靠性，甚至可以說目標仿真系統的研制水平決定仿真大系統水平。因此。目標仿真是提高半實物仿真系統整體精度的關鍵，“如何逼真地模擬激光目標”就成為仿真中重要的問題。

目標仿真系統研究的是能夠實時精確的模擬戰場環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特性。具體來說就是在計算機和電機控制器的控制下實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行實時采集處理。之前基于步進電機伺服驅動系統的程控一體化激光器不能很好的滿足系統的實時性要求，因此，筆者設計了基于伺服電機及運動控制卡的運動控制系統。該系統在控制激光光斑大小和能量的實時變化方面較前一系統有了較大改進。

運動控制的實時性設計

對激光光斑的大小和能量的實時性控制，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行實時性設計，這是目標仿真系統設計的一個關鍵。在設計時，我們以某型激光制導武器為背景進行了數字仿真，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)曲線如圖1～2所示。

由上述數據和圖形可見，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，而在接近目標時發生了劇烈的變化。這說明當炸彈接近目標時激光能量和導引頭所見光斑大小隨時間的變化并不是一個線性關系。鑒于此，本系統在設計時既充分考慮光斑大小和能量的實時跟蹤范圍，又考慮了工程上實現的可能性，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旋轉棱鏡來直接實現。特別的，本系統將步進電機驅動的平移臺和旋轉臺均改為由伺服電機進行驅動，主要考慮的是伺服電機啟動時間短，速度高，在極短的時間內能夠帶動激光器內安裝的平移棱鏡和旋轉棱鏡做高速運動，來模擬導引頭近距離敏感到的光斑的大小和能量，從而能夠滿足對光斑實時變化的要求。由高速平移臺和旋轉電機分別驅動擴束系統的目鏡和格蘭一付克棱鏡的檢偏鏡，使得能量和光斑變化在彈目距離>300m時能完全滿足宴時性控制要求。而在剩余時間內，由電機做全速運動來近似逼近末段的陡峭變化。

基于以上的目標和對于運動控制功能的設計，采用專用運動控制芯片是一種較好的選擇。專用控制芯片通過PCI總線與PC機的CPU通訊，接收PC機的控制指令，由內部的邏輯電路進行運算和脈沖發送，同時檢測一些開關量信號(如限位信號)的狀態并向PC機報告，以實現運動控制的功能。在這種方案中，所有的運動控制細節都由運動控制卡上的專用芯片完成，無需占用PC機的資源，PC機可以專注于用戶界面的處理和對運動控制卡狀態的監控。運動控制專用芯片自身具有強大的運動控制功能，不需要擴展復雜的外圍電路。PC機只需要對運動控制芯片發送命令和參數，控制簡單。經過反復的調研和論證，初步確定總體運動控制方案為“PCI接口芯片+專用運動控制芯片+激光控制模塊”。

運動控制系統結構

整個控制系統硬件由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(包括電機和驅動器)、中空力矩電機等組成(見圖3)。

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

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、運動信息的實時顯示等，僅需用極少部分時間向控制卡發送運動指令。下位DMC5400多軸運動控制器主要完成平移電機和旋轉電機的運動控制、包括伺服驅動、程序解釋以及高速數據采集等實時性任務。DMC5400直接插在PC機的PCI插槽中，并由動態鏈接庫驅動。

運動控制系統軟件設計

該控制系統實質上是一種以DMC5400為核心組成的開放式數控系統。上位PC機和下位DMC5400多軸控制器各有自己的CPU、存儲器和外設，分別構成一套獨立的計算機系統a因此，在選擇控制軟件的開發平臺時充分考慮了這種結構的特點。由于DMC5400多軸控制器采用了實時操作系統，數控程序代碼解釋工作和連續運動時復雜的插補運算都由其內部的DSP來完成，可以保證對運算過程和各種緊急情況的及時處理。相對而言，上位PC機只是提供與用戶交互部分和一些狀態變量的讀取工作，CPU的工作量不是很大。

上位機軟件

上位機軟件的組成如圖4所示。

·初始化模塊：實現零位標定等功能。

·軌跡和參數設定模塊：根據不同的運動功能和軌跡，提供了相應的參數設定界面，其中包括參數合理性判別、缺省值提供等輔助功能。

·運動信息實時顯示模塊：通過與DMCS400實時通訊，動態采集負載位置和速度等運動信息。然后，借助CB開發的帶有二維坐標系的顯示界面，實現實時動態顯示負載運動軌跡，同時動態顯示左右兩個軟硬限位狀態。另外，在界面的右下角還實時動態顯示負載的位置和速度數據。

·故障診斷模塊：內嵌于各功能模塊中，如設定值合理性判別、鍵盤操作功能保護、界面功能按鈕的連鎖、電機限逮屎護、位置超速保護等。

·通訊模塊：利用DMC5400提供的動態鏈接庫編制，實現上位PC機和下位DMC5400之間的通訊。它內嵌于各功能模塊中，囊括了同DMC5400通訊的所有方式，而且將其主要的函數進行分類、封裝。所編制的通訊程序實現了運動軌跡程序及設定參數的下載、上位PC機對DMC5400的指令傳輸及DMC5400對Pc機的狀態反饋等通訊功能。

下位機軟件

控制下位機是運動控制系統的直接控制級，構成可控擴束和可控衰減兩個獨立的伺服控制回路。其功能包括：實現目標運動的實時控制：采用相應的控制算法，對系統的運行位置、速度進行控制：將檢測到的系統狀態信號通過PCI總線傳給上位機。DMC5400的運動控制功能十分豐富，可以滿足絕大多數多軸運動控制系統的要求。

DMC5400運動控制卡提供基于Windows 95／98／Me／NT／2000／XP下32位DLL驅動編程。其具體的編程語言可為VB、VC、c++Builder中的任何一種。在運動函數庫中所使用到的函數主要有如下幾種：控制卡及軸設置函數，獨立運動和插補運動函數，制動函數，位置和狀態的設置及查詢函數，I／o口操作函數，錯誤代碼函數。其函數返回值為0(函數執行正確)或，1(函數執行錯誤)。其控制系統的流程圖如圖5所示。

仿真結果分析

圖6-11為半實物仿真試驗與數學仿真試驗激光制導炸彈空間三維坐標變化曲線，可見兩種仿真模式下試驗曲線吻合良好。由于在整個彈道曲線中差別表現不明顯，因此給出了各坐標相應的彈道末端局部顯示曲線。

試驗結果表明，數學仿真的仿真解算穩定，結果精度良好；同時，在相同投彈條件下，半實物仿真與數學仿真試驗過程相關性比較好，仿真精度非常高，由此反映出目標仿真系統帶入全系統的誤差極小(目標系統誤差占全系統誤差的90％)，所設計的控制系統實現了光斑大小和能量的實時控制。