基于TMS320F2812的某型光電跟瞄平臺控制電路設計

摘要：為了實現光電跟瞄平臺的控制回路功能，通過分析其系統構成以及伺服平臺控制器進行數字化設計的必要性，提出了基于TMS320F2812的一種全數字穩定平臺伺服系統的設計，實現了DSP數字電路和電機驅動電路的設計驗證工作。試驗結果表明該電路較好地滿足了控制回路的需求，控制精度高，運算實時性好。

關鍵詞：TMS320F2812； 穩定平臺； 數字伺服系統； DSP

中圖分類號：TN71034文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04018503

Design for control circuit of optoelectronic tracking platform based on TMS320F2812

YANG Ping

(1. School of Aeronautics and Astronautics， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China;

2.China Airborne Missile Acadamy， Luoyang 471009， China)

Abstract： In order to realize the functions of control loop in the stabilized platform， the structure of the stabilized platform and the necessity of the digitalization design for servo stabilized platform controller are analyzed in this paper. A digital servo system based on TMS320F2812 is presented. The DSP digital circut and driver circuit of moto are realized and validated. Experimental result proves that these hardwares have good performance in feedback speed， control accuracy and realtime operation.

Keywords： TMS320F2812; stabilized platform; digital servo system; DSP

收稿日期：201109260引言

穩定跟蹤平臺由于能隔離載體(戰車、導彈、飛機、艦船)的運動，對目標進行自動跟蹤，所以在現代武器系統中得到了廣泛的應用［1］。對于各種車載、艦載、機載和彈載類光電成像設備，要求在載體的運動過程中成像清晰。穩定平臺的主要功能是：保證視軸穩定，克服載體姿態變化對跟蹤系統的影響，同時要在控制指令的驅動下完成對目標的捕獲和跟蹤［2］。它的成像穩定一般有三種方式：機械穩像、光學穩像、電子穩像。機械穩像一般有陀螺直接穩像和穩定平臺穩像兩種。陀螺直接穩像通過將被穩定的光學系統或成像器件安裝到一個旋轉的陀螺上，利用陀螺的自穩定特性實現視軸的穩定；穩定平臺穩像是將光學系統及成像器件安裝在一個裝有慣性傳感器陀螺的平臺上，形成陀螺穩定平臺。

通過對穩定平臺數字控制器進行需求分析以及對硬件性能方面的比較之后，該系統電路的處理器選用TI公司的TMS320F2812。這是一款用于數字控制處理領域的高性能數字信號處理器，最高工作頻率可達150 MHz，是目前廣泛用于電機控制領域的32位定點DSP芯片。乘法運算是CPU運算中最費時的一種運算，在處理乘法運算方面，F2812的CPU集成了一個16×16位的硬件乘法器，能夠很方便地進行16×16位和32×32位的乘法運算。F2812具有數字信號處理能力、強大的事件管理能力以及嵌入式控制功能［3］。本文基于TMS320F2812設計了一套穩定平臺控制電路。

1系統組成及描述

穩定平臺系統主要由臺體及控制電路組成。其中臺體由框架、測角器、電機和測速陀螺組成［4］ 。穩定平臺根據使用要求的不同可以由兩軸、三軸及多軸組成，下面著重介紹兩軸穩定平臺的系統組成，如圖1所示。

圖1穩定平臺臺體框圖圖中：1為方位電機；2為方位旋轉變壓器；3為俯仰旋轉變壓器；4為俯仰電機；5，6為光纖陀螺；7為光學系統及紅外探測器。

該穩定平臺具有方位和俯仰基本相同的兩套穩定控制回路，通過這兩套控制回路使平臺在空間具有了穩定視線功能。在此基礎上，由平臺、成像系統和圖像跟蹤器構成目標跟蹤控制回路。

平臺利用速率陀螺來測量臺體在偏航和俯仰方向上的空間角速率，構成速率穩定回路，回路結構簡如圖2所示。當載體運動產生的干擾力矩作用于平臺時，臺體產生的角速率被陀螺敏感，其輸出電壓經過控制電路處理后送給力矩電機產生相反的力矩來平衡干擾力矩從而使光軸對慣性空間穩定［4］ 。

圖2速率穩定回路結構簡圖2控制電路分析與設計

2.1控制電路總體設計

平臺在干擾力矩作用下產生角運動時，平臺上陀螺輸出與其運動速率成正比的電壓，該電壓信號放大后經A/D轉換輸入DSP進行運算。DSP完成控制算法后其結果通過PWM通道輸出給電機驅動模塊驅動電機，抵消干擾力矩，從而保持平臺穩定。當它處于目標跟蹤模式時，DSP通過SPI接口接受目標參數，進行目標跟蹤。控制電路通過RS 422接口接受上位機指令，完成狀態切換。如圖3所示。

圖3控制電路組成框圖2.2TMS320F2812的結構特點

電機微控制器TMS320F2812 具有下述部件:

CPU、片內RAM，ROM，FLASH、專用電機控制的事件管理器和片內外設等。主要性能如下［5］：

采用高性能靜態CMOS(StaticCMOS)技術：150 MHz(時鐘周期6.67 ns)、低功耗(核心電壓1.8 V，I/O口電壓3.3 V)、FLASH編程電壓3.3 V；高性能32位中央處理器包含16×16和32×32位的乘法累加器操作，16×16位的雙乘法累加器，哈佛總線結構；片內存儲器包含128K×16 b的FLASH存儲器，共計18K×16 b的單周期訪問隨機存儲器(SARAM)；3個32位的CPU定時器；2個事件管理器(EVA，EVB)；串口外圍設備：SPI、2個SCI、增強局域網絡(eCan)、多通道緩沖串行接口(McBSP)；雙12位模/數轉換模塊: 含2×18通道復用輸入接口，2個采樣保持電路，單/連續通道轉換，流水線最快轉換周期為60 ns，單通道最快轉換周期為200 ns，可以使用2個事件管理器順序觸發8對模/數轉換；多達56個獨立的可編程、多用途通用輸入/輸出(GPIO)引腳。本文設計的控制電路充分利用了Ｆ2812的片內外設，大大降低了電路的復雜程度。

2.3角度解算電路

旋轉變壓器(以下簡稱旋變)是基于電磁感應原理而工作的，其輸出電壓隨轉子轉角變化，定子、轉子均由繞組組成，相互之間沒有電刷的滑動接觸，在高低溫及振動沖擊下具有較高的可靠性。當勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時，輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正、余弦函數關系。旋變工作原理如圖4所示。

圖4旋變工作原理圖V2=Ksin θsin ωt； V3=Kcos θsin ωt式中：K為放大倍數，θ為定子與轉子之間的夾角。

AD2S83是一種專用的跟蹤式旋轉變壓器數字轉換器，可以輸出10位、12位、14位或16位的位置信號，其測量轉速最高達62 400 r/min，采用比率轉換跟蹤方式能夠連續輸出位置數據而沒有轉換延遲，具有較強的抗干擾能力［6］。AD2S83外圍電路連接如圖5所示。

圖5AD2S83的外圍電路連接圖2.4陀螺信號采樣電路

陀螺輸出信號經過前置放大器放大后進入A/D進行轉換，由于陀螺安裝在穩定平臺上，而伺服控制板通常都在平臺后端的電子艙內，信號傳輸距離較長，因此將前放電路制作為體積比較小的電路板安裝在陀螺附近進行信號的放大，放大后再傳輸至A/D進行轉換。轉換芯片選用ADS8361作為片外ADC模塊，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進一步提高系統的A/D轉換精度，增加了片外外設ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A/D轉換器，最高轉換速率可以達到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時具有極強的抗干擾能力，特別適合數據采集的高采樣率要求的場合［7］。此外，ADS8361還提供高速雙串行接口，可以有效將DSP的MCBSP內部時鐘作為ADS8361的時鐘，ADS8361按照CLOCK時鐘信號每20個CLOCK周期ADS8361采一次數，并由串口輸出，轉換數據是先從高位(DB15)開始傳輸。將MCBSP的幀同步信號作為轉換開始信號CONVST。當CONVST從低變到高，器件開始采樣保持。CLOCK為ADS8361的時鐘信號，每20個CLOCK周期ADS8361采1次數，由串口輸出，轉換數據是先從高位(DB15)開始傳輸。CONVST為轉換開始信號。當CONVST從低變到高，器件開始采樣保持不依賴于狀態和外部時鐘。RD是串行輸出的同步脈沖。將它設置成與CONVST信號一致，即可以正常工作。CS為片選信號，低電平選通。ADS8361有4種工作模式，由A0，M0，M1共同控制。這里選用的是它的工作模式1 ，即A0=0，M0=0，M1=0，通道0和1同時進行轉換。圖6為ADS8361與F2812的連接圖。

圖6ADS8361與Ｆ2812連接圖2.5電機驅動電路

本文采用了永磁式直流力矩電機，使用PWM方式驅動，與可控整流式調速系統相比有下列優點［8］:由于PWM調速系統的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩的直流電流，低速特性好；同樣，由于開關頻率高，快速響應特性好，動態抗干擾能力強，可以獲得很寬的頻帶；開關器件只工作在開關狀態，主電路損耗小，裝置效率高。

A3952SB是Allegro公司生產的一片全橋式的PWM驅動芯片，可以連續工作于輸出電流為±2 A，電壓為50 V的情況下。內置的離線PWM電流控制電路可以用來調整最大負載電流到期望值。內部電路保護還包括帶滯后的高溫掉電、濾波二極管和電流交叉保護功能。

電機驅動采用PWM方式，有效的利用了DSP TMS320F2812的片上資源。工作原理圖如圖7所示。

圖7電機驅動原理圖為保證系統平穩運行和良好的動態特性，流過電機的電流經放大后送到TMS320F2812內部的A/D進行采樣。

2.6外圍通信接口

TMS320F2812內部設有串行通信模塊，利用串行通信模塊配置RS 422串口與外圍系統、測試設備等的上位機進行通信，如圖8所示。可以采用定長幀的通信協議，上位機發送指令，DSP處理器則對命令進行響應。

圖8RS 422串口與外圍通信接口示意圖3實驗結果

控制電路設計完成后，進行軟件的設計。軟件設計包括系統初始化、中斷服務程序、控制算法實現、特殊情況處理等。控制算法優先考慮工程中較為成熟的PID控制。在平臺結構件、光學件及各傳感器安裝完成后，控制電路對平臺實現了閉環控制。將穩定平臺安裝在仿真轉臺上，通過目標模擬器產生目標，驅動仿真轉臺相對目標作3°，3 Hz正弦擺動，此時穩定平臺工作在穩定狀態，光軸相對空間穩定。 對穩定平臺上的紅外探測器產生的圖像進行觀察并記錄和分析，結論是像點穩定，抖動量約為1個象素，滿足系統性能需求，所以得出結論，以數字處理器TMS320F2812為核心組成的控制系統能夠實現對穩定平臺的控制。