高精度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

張雷 孟瑩

【摘要】本文提出了高精度轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所研制的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，精度達(dá)到±0.002°，滿(mǎn)足了相關(guān)測(cè)試需求。

【關(guān)鍵詞】目標(biāo)定位轉(zhuǎn)臺(tái)；定位精度；PMAC技術(shù)；冗余控制；RCS

1.引言

隨著隱身戰(zhàn)機(jī)的出現(xiàn)，飛機(jī)的隱身性能已經(jīng)成為衡量戰(zhàn)機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)之一，我們通常對(duì)飛機(jī)的雷達(dá)散射截面（RCS）進(jìn)行測(cè)量，來(lái)獲取這一指標(biāo)，用以評(píng)估飛機(jī)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的生存能力。室外RCS測(cè)試平臺(tái)包含：測(cè)試場(chǎng)地、天線(xiàn)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及目標(biāo)定位轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)四個(gè)部分，其中目標(biāo)定位轉(zhuǎn)臺(tái)在室外RCS測(cè)試平臺(tái)中占有相當(dāng)重要的位置，主要承擔(dān)測(cè)試過(guò)程中的目標(biāo)架設(shè)、轉(zhuǎn)動(dòng)、遠(yuǎn)程通訊及高精度目標(biāo)定位等功能，為外場(chǎng)RCS測(cè)試、成像診斷測(cè)試提供精確的角度對(duì)應(yīng)，因此，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制特性提出了較高的要求。

2.控制系統(tǒng)的功能、指標(biāo)要求

2.1 功能指標(biāo)

⑴實(shí)現(xiàn)SLEW模式、TRACK模式、SECTOR模式、DIRECT模式下轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)的控制功能；

⑵具備俯仰、橫滾姿態(tài)調(diào)節(jié)功能；

⑶具備TTL脈沖輸出功能；

⑷具備IE488、RS232、以太網(wǎng)及光纖通訊功能。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

⑴轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度≤0.005°；

⑵系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定工作時(shí)間≥15小時(shí)，且性能滿(mǎn)足指標(biāo)要求；

⑶系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度：-10℃～+60℃；保存溫度：-20℃～+70℃；相對(duì)濕度：20%～95%。

3.基于PMAC技術(shù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

綜上所述，轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由以下四個(gè)方面組成：

3.1 高精度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研制

該控制系統(tǒng)由PCM-4381控制計(jì)算機(jī)、ARM微處理器、C8051F040單片機(jī)、PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡組成，構(gòu)成多層次、多處理器的復(fù)雜控制系統(tǒng)。系統(tǒng)各計(jì)算單元之間通過(guò)CAN總線(xiàn)傳遞信息，并互相監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)安全可靠的控制。同時(shí)該系統(tǒng)主要包括以下三項(xiàng)功能：

（1）運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；

（2）多處理系統(tǒng)的管理；

（3）便捷的人機(jī)操作模式。

3.1.1 控制計(jì)算機(jī)單元

控制計(jì)算機(jī)主要包含以下三項(xiàng)功能：

（1）實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)前面板上的按鍵、外接鼠標(biāo)、鍵盤(pán)以及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)等獲得控制指令。為節(jié)省控制計(jì)算機(jī)的硬件資源，前面板按鍵由一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)管理，按鍵信息由該單片機(jī)處理后，通過(guò)CAN總線(xiàn)傳遞給控制計(jì)算機(jī)；

（2）根據(jù)操作人員指令生成轉(zhuǎn)臺(tái)控制命令，并將命令傳遞給PMAC控制卡；

（3）監(jiān)控各單元的工作狀態(tài)。

3.1.2 單片機(jī)單元

高精度控制系統(tǒng)包含兩個(gè)單片機(jī)。控制計(jì)算機(jī)與它們通過(guò)CAN總線(xiàn)連接，彼此傳遞控制信息，同時(shí)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)。其主要功能如下：

（1）控制系統(tǒng)前面板功能按鍵的管理。管理前面板控制按鍵，將操作者的按鍵操作編碼傳遞給控制計(jì)算機(jī)。

（2）實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的冗余管理。當(dāng)控制計(jì)算機(jī)和PMAC出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)接管控制，直接向驅(qū)動(dòng)器下達(dá)控制命令，防止轉(zhuǎn)臺(tái)出現(xiàn)異常動(dòng)作。

（3）自整角機(jī)信號(hào)處理。擔(dān)任冗余控制的單片機(jī)，同時(shí)還負(fù)責(zé)自整角機(jī)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)初始化時(shí)由該單片機(jī)讀入自整角機(jī)反饋數(shù)據(jù)，然后傳遞給控制計(jì)算機(jī)，由此確定轉(zhuǎn)臺(tái)的初始絕對(duì)位置。

3.1.3 ARM處理單元

為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與其它測(cè)試設(shè)備之間可靠、快捷的通訊功能，我們采用新型的ARM開(kāi)發(fā)板TE2440-II來(lái)完成。通過(guò)ARM處理單元可使本系統(tǒng)輸出一路描述轉(zhuǎn)臺(tái)位置信息（由PMAC提供）的增量式脈沖和方向信號(hào)，同時(shí)還可提供二進(jìn)制/BCD編碼的轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前絕對(duì)位置信息和轉(zhuǎn)速信息。

3.1.4 PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器單元

控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制任務(wù)由PMAC（Progra-mmable Multi-Axis Controller）可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)完成。它使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為計(jì)算單元，采用模塊化的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)目前運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域各種控制要求。

PMAC與控制計(jì)算機(jī)采用以太網(wǎng)通訊，接收運(yùn)動(dòng)控制指令，并將系統(tǒng)的狀態(tài)傳遞給控制計(jì)算機(jī)，依據(jù)控制計(jì)算機(jī)的控制指令計(jì)算出各伺服周期的目標(biāo)位置、速度、加速度，根據(jù)實(shí)時(shí)的感應(yīng)同步器的反饋信號(hào)，計(jì)算出控制命令電壓，傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)監(jiān)視電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作狀態(tài)，以防止意外發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)出現(xiàn)異常運(yùn)動(dòng)。

3.1.5 高精度定位功能的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)的位置傳感器由自整角機(jī)和感應(yīng)同步器兩部分組成，原有控制系統(tǒng)使用的是自整角機(jī)粗通道結(jié)合感應(yīng)同步器的方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)±0.005°的定位精度。為了獲取更高的定位精度，我們?cè)谠械幕A(chǔ)上加入了自整角機(jī)精通道數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自整角機(jī)粗、精通道結(jié)合感應(yīng)同步器的三級(jí)位置反饋機(jī)制。

系統(tǒng)初始化時(shí)，PMAC讀取感應(yīng)同步器絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，單片機(jī)讀取粗、精通道自整角機(jī)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給控制計(jì)算機(jī)。控制計(jì)算機(jī)將三組數(shù)據(jù)組合在一起，獲得轉(zhuǎn)臺(tái)的初始絕對(duì)位置。此后PMAC根據(jù)感應(yīng)同步器的增量式脈沖信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)臺(tái)位置相對(duì)于初始絕對(duì)位置的變化。這個(gè)變化值與初始絕對(duì)位置組合構(gòu)成轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前的絕對(duì)位置，信息獲取流程。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研制

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)中，其多軸運(yùn)動(dòng)、協(xié)調(diào)、限位等功能均由控制器來(lái)完成，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的要求大大減低，因此我們選擇西門(mén)子開(kāi)發(fā)的6RA7018-6DV62直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)器提供模擬測(cè)速機(jī)、脈沖編碼器、電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)等多種方式測(cè)量電機(jī)速度以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，同時(shí)還提供電流前饋及反饋控制優(yōu)化、速度控制優(yōu)化，能夠自動(dòng)設(shè)定相關(guān)控制參數(shù)及電機(jī)電樞的電阻和電感。

3.3 控制系統(tǒng)安全措施的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中包含控制計(jì)算機(jī)、PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器、ARM處理器、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)計(jì)算單元，任何一部分都可能由于軟件或硬件的原因出現(xiàn)故障。因此在系統(tǒng)安全措施方面我們采取以下兩項(xiàng)措施保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

（1）采用冗余控制單元配置，控制計(jì)算機(jī)為主控制單元，執(zhí)行正常的控制任務(wù)。同時(shí)配置輔助控制單元—C8051F040單片機(jī)，在控制計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)接管控制任務(wù)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行；

（2）各計(jì)算單元彼此監(jiān)視，一個(gè)單元出現(xiàn)故障，其他單元自動(dòng)進(jìn)入故障處理模式，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

4.驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能、指標(biāo)的實(shí)際效果，我們開(kāi)展了以下對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)：

（1）控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證試驗(yàn)；

（2）控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)。

由于篇幅所限，我們僅給出轉(zhuǎn)臺(tái)以20%轉(zhuǎn)速，在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的定位精度測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。從表中可知，新轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的定位精度已達(dá)±0.002°，相比于原有控制系統(tǒng)±0.005°的定位精度有了極大的提升。

5.結(jié)論

從驗(yàn)證試驗(yàn)中可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、指標(biāo)達(dá)到了我們預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，部分指標(biāo)、性能在同類(lèi)產(chǎn)品中已達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

下一步，將針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)展升級(jí)改造或重新研制工作，再配合該控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)大承載、高精度定位及俯仰、橫滾調(diào)節(jié)等功能。

參考文獻(xiàn)

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