基于DSP的二軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄭艷文，王彤宇，林 琳，黃郁馨，范根新

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

0 引言

目前，國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信主要以網(wǎng)線進(jìn)行連接，繁冗的網(wǎng)線布置及復(fù)雜的維護(hù)檢修給實(shí)際通信帶來了諸多不便，為改善這種情況，現(xiàn)本研究將二軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信中來實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸。

目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)是伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的核心部分，其性能直接影響到整臺(tái)設(shè)備的跟蹤性能。目前，國內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研究都集中在提高其響應(yīng)速度和控制精度等方面。KIM J Y等人［1］建立了伺服控制系統(tǒng)的“位置+速度+電流環(huán)”三閉環(huán)控制數(shù)學(xué)模型，并利用多目標(biāo)及離散變量?jī)?yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)，該模型主要用于多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的控制；ELLIOTT S J等人［2］研究出了一種“混合型高階超前-滯后控制”算法，適用于超快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)；黃令龍等人［3］采用前饋PID控制算法，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在50 ms之內(nèi)；孟浩然等人［4］利用DSP 構(gòu)建了系統(tǒng)硬件平臺(tái)，其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全可替代基于PC-104工業(yè)總線的控制板卡構(gòu)成的伺服控制系統(tǒng)，節(jié)省了大量系統(tǒng)資源，但是跟蹤精度不高。

本研究利用TMS320F2812芯片和CPLD器件構(gòu)建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用“速度+位置”雙閉環(huán)控制方式建立轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；采用先進(jìn)的超前-滯后控制算法進(jìn)行雙環(huán)的校正，并用Matlab 軟件對(duì)系統(tǒng)的控制信號(hào)進(jìn)行仿真分析。

1 二軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的系統(tǒng)原理

轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制器、驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行器件、檢測(cè)裝置、顯示裝置等組成［5］。為達(dá)到轉(zhuǎn)臺(tái)的跟蹤性能，本研究需要性能良好的上述器件，通過先進(jìn)的控制算法，完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)時(shí)控制。轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)臺(tái)的主要性能指標(biāo)

二軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制器通過接收并處理CCD 相機(jī)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)及旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋信號(hào)，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，來調(diào)整兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的跟蹤性能。由于轉(zhuǎn)臺(tái)兩軸的控制原理和運(yùn)動(dòng)方式基本相同，本研究主要對(duì)俯仰軸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 俯仰軸控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于俯仰軸控制系統(tǒng)而言，其本質(zhì)上是一個(gè)高精度、快響應(yīng)的位置和速度的伺服控制系統(tǒng)。對(duì)于電機(jī)的控制方式而言，實(shí)質(zhì)上也是對(duì)位置和速度的閉環(huán)控制。

2.1 控制回路的設(shè)計(jì)

俯仰軸控制系統(tǒng)是以速度環(huán)為內(nèi)環(huán)、位置環(huán)為外環(huán)的雙閉環(huán)控制回路［6］。因?yàn)橄到y(tǒng)的帶寬較低，速度環(huán)和位置環(huán)的校正器均采用超前-滯后控制器，這樣既加大了低頻段的增益，保證了穩(wěn)態(tài)精度，又不影響系統(tǒng)響應(yīng)的快速性［7］，保證了系統(tǒng)的跟蹤性能。其控制回路圖如圖1所示。

圖1 俯仰軸控制系統(tǒng)的控制回路圖

（1）速度環(huán)。由旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)字解碼器組成的反饋元件經(jīng)過微分引入速度負(fù)反饋，通過速度校正器進(jìn)行校正調(diào)節(jié)。這種設(shè)計(jì)改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的剛性，減少了系統(tǒng)的振蕩次數(shù)，補(bǔ)償了系統(tǒng)的非線性，抑制了外界的干擾，改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，增寬了調(diào)速范圍，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（2）位置環(huán)。由旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成系統(tǒng)的主回路的負(fù)反饋，通過位置控制器進(jìn)行校正調(diào)節(jié)。這種設(shè)計(jì)改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，達(dá)到了控制系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，為高精度、快響應(yīng)、穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)提供了保障。

2.2 伺服控制卡的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰軸主要是以高性能的DSP 芯片TMS320F2812和CPLD器件EPM9560為主控部分來控制整個(gè)系統(tǒng)。F2812通過CPLD訪問外部接口，避免了訪問時(shí)的相互干擾，減少了信號(hào)傳遞的延時(shí)，提高了資源的利用率。系統(tǒng)采用全雙工方式進(jìn)行通信，通過上位機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況的實(shí)時(shí)顯示，保證了轉(zhuǎn)臺(tái)在監(jiān)測(cè)下安全、穩(wěn)定地運(yùn)行［8］。俯仰軸伺服控制框圖如圖2所示。

圖2 俯仰軸伺服控制框圖

2.3 功率驅(qū)動(dòng)卡的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件是電動(dòng)機(jī)，控制器通過事件管理器產(chǎn)生PWM波來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。由于控制器輸出的控制信號(hào)較弱，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和放大。該設(shè)計(jì)中采用光耦隔離芯片6N135來實(shí)現(xiàn)控制板與電機(jī)之間的隔離，防止強(qiáng)電流燒毀控制器件。本研究利用直流電動(dòng)機(jī)專用集成功率放大器SA57 芯片來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，有效地減少了信號(hào)傳遞的延時(shí)，使控制信號(hào)更加精確、穩(wěn)定，同時(shí)減小了功率驅(qū)動(dòng)板上的尺寸和布線密度，使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)效［9］。的傳遞函數(shù)為：

3 二軸跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)通信軟件和下位機(jī)控制軟件組成［10］。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供友好的人機(jī)界面；下位機(jī)軟件主要以TMS320F2812 芯片為主控器，利用CPLD 器件實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍器件的控制。本研究通過超前-滯后控制算法來實(shí)現(xiàn)“位置+速度”雙閉環(huán)的控制，使轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤精度達(dá)到所給定的技術(shù)指標(biāo)。

下位機(jī)軟件程序主要運(yùn)用C 和C++語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的超前-滯后控制校正算法，滿足了轉(zhuǎn)臺(tái)的控制需求。程序主要由中斷子程序構(gòu)成，系統(tǒng)的模塊化更強(qiáng)，便于調(diào)試、移植和維護(hù)。

控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。主程序采用中斷子程序進(jìn)行控制，通過查詢中斷標(biāo)志來進(jìn)行程序的循環(huán)調(diào)用，保證了系統(tǒng)安全有序地運(yùn)行，同時(shí)也節(jié)省了系統(tǒng)的資源。系統(tǒng)的每個(gè)中斷子程序的運(yùn)行速率可達(dá)微秒級(jí)，在很大程度上提高了控制系統(tǒng)的效率［11］。

圖3 主程序流程圖

4 仿真結(jié)果與分析

為便于對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，本研究建立了俯仰軸的速度環(huán)和位置環(huán)控制模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了仿真調(diào)試和分析。筆者通過對(duì)速度和位置環(huán)進(jìn)行超前滯后校正的設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度。

4.1 速度環(huán)的控制模型

本研究根據(jù)所選力矩電機(jī)的參數(shù)及俯仰軸所受力矩的大小等條件，得出俯仰軸電機(jī)的電壓-角速度

為滿足控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求，本研究對(duì)速度環(huán)進(jìn)行了超前-滯后校正，其傳遞函數(shù)為：

本研究在Matlab的Simulink模塊中建立速度環(huán)的階躍響應(yīng)模型圖，如圖4所示。

設(shè)置階躍信號(hào)為1 °/s，對(duì)模型進(jìn)行仿真，選取0～100 ms內(nèi)的仿真結(jié)果，速度環(huán)階躍響應(yīng)圖如圖5所示。可見，速度環(huán)響應(yīng)時(shí)間為25 ms，上升時(shí)間為8 ms，峰值時(shí)間為10 ms，過渡時(shí)間為22 ms，超調(diào)量為3.85%，基本上沒有穩(wěn)態(tài)誤差，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖5 速度環(huán)階躍響應(yīng)圖

4.2 位置環(huán)的控制模型

在對(duì)速度環(huán)進(jìn)行校正設(shè)計(jì)后，本研究需要對(duì)系統(tǒng)的位置環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同理可得俯仰軸電機(jī)的電壓-角度傳遞函數(shù)為：

位置環(huán)校正器也采用超前-滯后控制器，其傳遞函數(shù)為：

本研究建立了系統(tǒng)位置環(huán)的正弦信號(hào)響應(yīng)模型圖，如圖6所示。

設(shè)置輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，其幅值為1°，頻率為2 Hz，初始相位為0°，仿真時(shí)間為1 s，同時(shí)對(duì)原始正弦信號(hào)進(jìn)行反相輸出，便于分析和比較系統(tǒng)的跟蹤性能。經(jīng)過仿真可得系統(tǒng)的正弦信號(hào)跟蹤曲線，正弦信號(hào)跟蹤曲線圖如圖7所示。

本研究利用Matlab軟件對(duì)正弦信號(hào)的反相輸出曲線和校正后的響應(yīng)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得系統(tǒng)的位置伺服誤差在±1″范圍內(nèi)，位置精度完全滿足性能要求。

筆者通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸控制系統(tǒng)模型的建立及“速度+位置”雙閉環(huán)的校正設(shè)計(jì)，由模型的數(shù)字仿真分析可知，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為25 ms，位置伺服誤差在±1″內(nèi)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性能良好，完全滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。

圖6 正弦信號(hào)響應(yīng)模型圖

圖7 正弦信號(hào)跟蹤曲線圖

5 結(jié)束語

本研究介紹了二軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，通過利用F2812 的高速運(yùn)算能力和CPLD器件的獨(dú)立外擴(kuò)作用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí)，本研究建立了轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰軸控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。

研究結(jié)果表明，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為25 ms，位置伺服誤差在±1″范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案具有可行性，為以后轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)調(diào)工作節(jié)省了大量資源。

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