基于單軸穩定平臺的伺服系統改進控制研究

柯棟梁，林 輝，康永泰

(西北工業大學，陜西西安710072)

0引 言

穩定平臺能夠隔離載體角運動，在載體機動狀態下建立穩定基準面，使安裝在平臺上的設備不因載體運動產生的抖動和滾動而無法正常工作，在軍事、民用工業上都有著廣泛的應用。穩定平臺技術在各國一直是經久不衰的研究課題，目前穩定平臺已被廣泛應用于車載、艦載、機載和彈載等設備，其主要研究方向是數字化和集成化［1-2］。在伺服控制系統中，永磁同步電動機因具有高效性、高功率密度、高轉矩慣量比等優點作為穩定平臺中的驅動元件;采用空間矢量脈寬調制技術驅動永磁同步電動機，設計單軸穩定平臺 的伺服控制器，可以實現高精度控制、快速響應以及穩定跟蹤基準信號［3］。但是，穩定平臺在強烈的振動、沖擊的情況下，往往引起平臺的振蕩或者失控，甚至導致伺服控制系統的硬件損壞。因此，本文以單軸穩定平臺的伺服控制系統為例，設計了過載實驗并對其控制算法進行改進，保證穩定平臺過載下系統的正常運行。

1系統硬件設計

單軸穩定平臺的伺服控制系統由永磁同步電動機、編碼器、伺服控制器(伺服控制電路和伺服控制軟件)以及慣性測量單元(IMU)組成。伺服控制系統的主要任務是控制電機按要求快速、精確的運動，滿足系統各項指標要求。

伺服控制系統硬件電路包括DSP系統電路、位置檢測電路、通訊電路、隔離電路、功率驅動電路以及相電流采樣電路等。其中DSP系統電路實現位置、速度、電流、給定信號等信息的采集及SVPWM控制策略的實現。驅動信號經隔離和功率放大后，對電機進行控制。系統的硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 伺服系統硬件結構框圖

1．1 DSP 系統電路

為使控制回路正常工作，我們需要構成一個DSP最小系統。本文采用TI公司提供的DSP芯片TMS320F2812，該芯片采用高性能的靜態CMOS技術，采用低電壓供電，主頻為135 MHz時內核電壓1．8 V，主頻為150 MHz時內核電壓1．9 V，I/O 引腳電壓3．3 V，32位的高性能處理器，較大的存儲空間(18k RAM、128k FLASH)，支持在線仿真、時鐘和系統控制以及128位安全密鑰，包含串行通信接口、12位ADC轉換模塊以及56個通用GPIO口［4］。

另外，該芯片提供多功能的片內外設以及相應的接口，滿足控制系統要求的DSP最小系統并不復雜。DSP最小系統所需要的外圍電路由電源接口、電源電壓轉換芯片、時鐘電路、JTAG接口電路、SCI接口電路、AD接口電路、CAP接口電路、EV接口電路及隔離保護電路構成。

1．2功率驅動電路

本文的功率驅動電路采用分立元件搭建。DSP的事件管理器產生六路SVPWM波，必須經過功率驅動電路，產生相應的電壓控制矢量對電機進行控制。電路包括驅動芯片的選擇和功率管的選擇。本文采用專門的驅動芯片IR2103，該芯片采用專門的HVI和無影響鎖存CMOS工藝制作，獨立的高、低端輸出通道，浮置電源采用自舉電路，邏輯輸入兼容了標準CMOS或LSTTL輸出，驅動電路非常簡單，只用一路電源就可以同時驅動上、下橋臂;功率管采用MOSFET IRFR3412，該器件體積小，導通阻值低，發熱量小，便于緊湊化設計［5］。

為保證系統運行即DSP工作的的可靠性，需要強弱電的隔離，即DSP控制電路部分和電機電路部分的電氣隔離，可采用光隔離或電磁隔離的方式。考慮系統的體積和可靠性，本文選用ADUM1401芯片，該芯片采用磁耦隔離技術，在性能、體積、功耗明顯優于光耦隔離器件，傳輸速率高達90 Mb/s，可工作在2．7～5．5 V，支持低電壓工作并實現電平轉換。

1．3相電流采樣電路

矢量控制包含電流環，因此必須檢測電機的相電流。相電流檢測有多種方法，可在繞組中串精密電阻，采樣電阻電壓換算電流;也可用帶霍爾隔離的電流傳感器進行相應的測量。為保證系統不同電源電氣的相互隔離，本文采用霍爾隔離的線性電流傳感器ACS712對繞組電流進行采樣。

DSP提供的AD采樣模塊輸入信號為0～3 V，而ACS712的輸出信號0～5 V，因此必須對ACS712的輸出信號進行調理。為了不改變ACS712采樣電流的分辨率，采用雙通道放大器LM2904設計了減法器;同時，為了濾除開關器件引進的高頻諧波，設計了巴特沃斯二階濾波器進行濾波。在電路設計時，必須選擇合適的時間常數，避免因延遲影響系統精度。濾波后的信號送入AD采樣通道之前設置了保護電路，避免過電流破壞DSP的AD采樣通道。由于永磁同步電動機星形連接三相繞組電流之和為零，故只需采集兩相電流即可。

1．4通訊接口電路

為實現平臺的伺服控制，必須給伺服控制系統提供一個基準信號，本文采用慣性測量單元(IMU)提供該信號。IMU可以直接測量平臺的角加速度，一次積分獲得平臺的角速度，二次積分獲得平臺的角位置，通過串口RS422為伺服控制系統提供基準信號。通訊接口電路包含電平轉換電路和專用通訊電路兩部分。電平轉換電路在本文中采用芯片SN74CBTD3305C，將DSP輸出3．3 V轉換為5 V供給專用通訊電路;專用通訊電路采用通訊芯片MAX488EESA進行設計。

2系統軟件設計

伺服系統的軟件設計，在TI公司的集成編譯環境CCS下，使用C語言進行編程。系統軟件分為主程序模塊和中斷服務程序模塊，主程序模塊包含系統的初始化，完成系統寄存器的配置和變量的初始化;中斷服務程序包含SCI中斷、定時器3的下溢中斷兩部分。SCI中斷用于和慣性測量單元(IMU)通訊，傳遞平臺角度及角速率信息;定時器3的下溢中斷包含系統的位置環、速度環和電流環的PID控制，完成空間矢量的控制算法，系統軟件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統軟件結構框圖

平臺的實際位置θm與給定的位置θmref比較，作為位置環的反饋，進行位置PID的控制;平臺的實際轉速n與給定轉速nref比較，作為速度環的反饋，進行速度PID控制;平臺的實際相電流ia、ib經過坐標變換(Clarke和Park變換)，作為電流環的反饋，進行q軸、d軸的電流PID控制;電流環的輸出經過坐標變換(Clarke和Park逆變換)和SVPWM波發生器，輸出SVPWM波，進而功率驅動電路實現永磁同步電動機伺服控制［2-3］。

另外，為了防止系統位置、速度、電流三閉環控制時過飽和，在其中四個PID調節器均采用了具有抗積分飽和或積分分離功能的改進型PID算法。

3系統改進設計

當穩定平臺的載體遇到強烈的振動、沖擊時，將直接增加穩定平臺的徑向載荷，或者影響穩定平臺的軸向載荷而間接引起徑向的過載，從而影響伺服控制系統的負載情況。結果往往引起平臺的振蕩或者失控，甚至導致伺服控制系統的硬件損壞。因此，本文以單軸穩定平臺的伺服控制系統為例，設計了過載實驗并在軟件的控制算法上進行改進，以保證穩定平臺過載下系統的正常運行。

3．1 過載實驗

當穩定平臺受到過載時，其等效于伺服控制系統中電機的負載增加了，所以必須進行電機的負載實驗。電機負載實驗是對電機的負載能力進行測試，保證電機在過載下有足夠的力矩輸出;同時是對伺服控制系統進行測試，保證伺服控制率能適應過載情況。

本文選用的電機額定力矩0．35 N·m，額定轉速1 500 r/min，額定電壓27 V，選用負載為額定力矩的1．5倍0．525 N·m作為過載條件，并在本文搭建的伺服系統參數下進行過載實驗測試。表1是過載實驗的數據，其中力矩電流參數是指電流環輸出的單位值，決定電機帶載所需的電流大小。

表1 過載實驗數據

3．2 軟件改進

通過對表1的數據進行分析，并根據如圖3所示的轉速與力矩電流參數成線性關系，線性擬合之后，可得關系式:

力矩電流參數 =速度 ×0．000 394 2+0．214 8獲得轉速與力矩電流參數的關系后，在伺服系統控制軟件中，對電流環的輸出iq按此關系進行限制。這樣穩定平臺在強烈的振動、沖擊下，輸出電流大小根據伺服系統的轉速進行自行調節，保證系統的正常工作。

圖3 轉速與力矩電流參數關系圖

4實驗結果與分析

為了驗證軟件改進后的穩定平臺控制效果，我們進行單軸穩定平臺軟件改進前后的相關實驗，并對比和分析實驗結果。本文設計了速度變化曲線(從零變化到額定轉速)，并使穩定平臺的載體按照該曲線運轉，同時運轉過程中可以給系統加載，而載體中的平臺必須在整個運轉過程中保持穩定跟蹤。實驗在相同測試條件下進行，并由上位機記錄平臺相對基準值的角度與角速度，結果分別如圖4～圖6所示。

從實驗結果可以看出，系統在進行軟件改進之前，如果沒有受到加載，則平臺穩定跟蹤;但在受到加載時，平臺角度和角速度在開始階段出現大的振蕩，偏離了基準值，穩態的精度也比較差;而軟件改進之后，平臺保持穩定跟蹤，不會出現大的振蕩，并具有較高的控制精度。

5結 語

本文以永磁同步電動機作為穩定平臺中的驅動元件，采用空間矢量脈寬調制技術驅動永磁同步電動機，設計了單軸穩定平臺的伺服控制器，實現了位置環、速度環和電流環三閉環控制。為了保證穩定平臺在強烈的振動、沖擊的情況下，系統能夠正常工作，設計了過載實驗并對伺服軟件的控制算法進行改進。在這基礎之上，進行了相關實驗，結果表明該系統不僅響應快、控制精度高和跟蹤能力強等優點，而且具有很強的抗干擾能力，為雙軸、三軸以及多軸穩定平臺在過載下的穩定控制奠定了基礎。

［1］ 李宗冰．基于穩定平臺伺服控制系統的設計［D］．南京理工大學，2008．

［2］ Li Xinyang，Li Qingjun，Zhang Xuefei．The stability design and realization of airborne platform based on TMS320F2812［J］．IEEE Conferences，2011:2353-2356．

［3］ 劉杰，孫輝，楊錕．基于DSP的正弦永磁同步電機位置控制系統設計［J］．電力電子，2008(5):44-46．

［4］ 孫麗明．TMS320F2812原理及其C語言程序開發［M］．北京:清華大學出版社，2008．

［5］ 周志敏，紀愛華．高效功率器件驅動與保護電路設計及應用實例［M］．北京:人民郵電出版社，2009．