基于DSP28335精密三軸測試轉臺控制系統設計?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

該測試轉臺作為微波暗室被測天線的承載設備,通過控制轉臺的AL/EL/AZ三個轉軸,引導天線精確搜索和指向空間目標,并能夠長時間鎖定在該位置,高精度天線定位指標對伺服系統的控制精度、控制方式、可靠性及穩定性等提出了很高的要求。天線定位精度主要取決于機械傳動鏈誤差和控制誤差,而齒輪傳動鏈由于存在固有的齒隙和回程誤差,一直是提高大慣量轉臺定位精度的難點。工程中常采用機械消隙的方法,主要有采用雙層齒輪、增加平衡錘或彈簧等,但是這些方法不適用于大慣量傳動系統,并且消隙不可靠[1]。為了可靠地消除轉臺回轉誤差,本系統采用雙電機驅動方位達到電消隙的目的,以期提高回轉定位精度。控制誤差主要取決于系統的控制策略、控制算法及控制器運算速度和運算能力,雙電機在一定程度上也增加了控制系統的復雜性,為此,本文采用32 bit高速浮點控制芯片DSP28335作為控制核心,該DSP芯片主頻為150 MHz,具有16 bit或者32 bit數據外部總線接口、58個外圍中斷、3個32 bit定時器、3路SCI外設、2路CAN外設、1路SPI外設、12路ADC轉換通道、18路PWM、88個IO口等豐富的功能?？刂葡到y通過DSP擴展網口接收監控指令,采用CAN通信口實現三軸互聯,數據總線采集RD位置和輸出DA模擬量指令,AD采集雙電機速度,從而實現了基于DSP全閉環的雙電機消隙全數字交流伺服控制系統。

1 控制系統硬件實現方案

控制系統由3塊以TMS320F28335為核心控制板組成,3塊控制板分別控制3個軸,系統通過下方位軸RTL8018AS網卡芯片與上位機連接,接收上位機的控制指令并反饋轉臺的狀態,3個軸向控制器通過CAN總線實現控制指令和轉臺數據互聯,三軸測試轉臺下方位軸控制系統硬件方案如圖1所示,其余兩個方位硬件方案與下方位軸一致。

圖1 下方位軸控制系統硬件方案

3個軸以DSP為控制器的核心控制板還包括旋變解碼及位置獲取電路、力矩分配及DA轉換輸出電路、電機轉速信號調理電路及AD采樣電路、驅動功放接口電路。驅動功放采用帶電流閉環的伺服驅動器,可以快速、精確跟蹤力矩模擬量指令并實時反饋電機的速度信息。位置檢測單元采用雙通道旋轉變壓器和20 bit R/D轉換模塊,分辨率可達到0.000 3°,優于系統定位精度2個數量級,滿足檢測要求,核心控制板硬件設計如圖2所示。

圖2 核心控制板硬件方案設計

2 關鍵技術

2.1 基于DSP消隙算法實現

雙電機在驅動過程中一般處于降額工作狀態,提高轉臺的可靠性,其還具有在傳動鏈啟動和停止的過程中消除齒隙的作用,因此,雙電機驅動在大慣量精密轉臺驅動中使用較多。雙電機消隙原理是利用兩套相同的電機帶動兩個相同的減速機,減速機小齒輪帶動轉臺大齒輪轉動,通過控制策略,使大齒輪在啟動、換向和停止過程中始終受到方向相反的偏置力矩作用,兩個小齒輪夾緊大齒輪,大齒輪無法在齒隙間來回擺動,從而達到消除齒隙的目的[2]。雙電機消隙力矩關系圖如圖3所示。

圖3 雙電機消隙力矩關系圖

轉臺的動態性能和定位精度主要取決于雙電機的力矩配合、響應速度及運算精度, TMS320F28335的主頻高達150 MHz,并且具備浮點運算單位,能夠實現快速的對位置閉環和速度閉環進行調節,非常適合高精度、快響應的控制系統。實現雙電機消隙即實現力矩關系圖中的力矩分配輸出,本系統力矩分配采用DSP數據總線和DA轉換芯片輸出。經過位置閉環和速度閉環計算出實時力矩大小,再經過偏置力矩算法處理,分別計算出兩個電機的輸出力矩大小并進行量化,然后將量化后的數字量通過DSP數據總線分時寫入到8 bit雙通道DA芯片TLC7528的A通道和B通道,DA輸出力矩指令經過信號調理電路后,分別作為兩個驅動功放的力矩指令,從而實現了偏置力矩的輸出。

2.2 誤差補償技術

由于轉臺在安裝過程中不可避免地存在軸系誤差及旋轉變壓器安裝誤差,該誤差會通過位置反饋單元累加到控制系統中,從而導致控制無法消除的誤差。為了修正轉臺軸系誤差和旋轉變壓器安裝誤差,本控制系統采用光學儀器對轉臺的絕對位置進行標定和控制補償。控制轉臺從0°～360°每間隔10°用光學測角儀測試轉臺實際的角度S1,并記錄相應時刻的編碼器輸出角度值S2(理論值),以二者差ΔS作為縱坐標,轉臺角度理論值S2作為橫坐標,利用傅里葉級數對該36個點的誤差數據進行擬合,得到轉臺的誤差擬合函數,下方位轉臺標定誤差圖如圖4所示[3]。在控制系統定位過程中,通過擬合函數計算目標位置的誤差,并將該誤差補償到控制指令中,從而實現了轉臺的誤差補償,提高了轉臺的定位精度。

圖4 下方位轉臺標定誤差

2.3 雙電機閉環控制系統

三軸測試轉臺要求上、下方位軸能夠在0°～360°范圍內精確定位及連續掃描,俯仰軸實現-45°～90°范圍內精確定位。三軸均實現位置、速度、電流三閉環控制,雙電機閉環控制系統原理圖如圖5所示[4]。

圖5 雙電機閉環控制系統原理圖

本閉環控制系統與常規的控制系統相比具有以下特點:雙電機控制系統旨在提高系統定位精度,為此在位置反饋作了前饋補償運算。由于測試轉臺轉速較低,轉速波動幅度相對轉速較大,導致速度調節器不穩定,速度環輸出超調過大或者欠阻尼振蕩,從而導致雙電機輸出力矩不協調,出現減速機與齒輪頻繁撞擊現象,因此本控制系統對轉速作了17階FIR低通窗口濾波,以得到平滑、穩定的速度反饋,便于更好地協調雙電機控制。

3 控制系統軟件設計

三軸測試轉臺軟件主要由上位機監控軟件和控制系統軟件組成,監控軟件在Visual C++6.0編程環境下,通過UDP串口協議與DSP控制板發送控制指令、接收轉臺狀態,并顯示實時位置、故障、速度等信息。控制系統主要是實現三軸定位控制,其核心為主程序控制流程和調節器算法,下文對主程序和調節器作詳細分析。

3.1 控制系統主程序設計

三軸測試轉臺要求實現上方位軸、下方位軸能夠在0°～360°范圍內定位及連續運行,要求在俯仰方向實現-45°～90°范圍內定位運行,從而實現對空間目標的指向。完成目標指向的關鍵是協調3個軸向合理的運行,控制系統主程序流程如圖6所示,系統上電后首先進行系統初始化,檢查系統狀態,繼而通過UDP和CAN分別實現監控通信和三軸間通信,然后依次判斷并執行下方位、俯仰、上方位運行,最終實現三軸定位。

圖6 控制系統主程序流程

3.2 調節器設計

由于測試轉臺適用于定位系統,并且采用了雙電機消隙,因此對調節器提出了較高要求。首先,定位系統不允許系統有超調的存在,其次,調節器有過大超調也會導致調節器輸出波動,從而導致雙電機輸出力矩不協調,出現減速機齒輪頻繁撞擊現象。為了避免減速機齒輪撞擊現象,提高控制系統的響應速度、穩定性及消除位置超調量,調節器用分段抗飽和的積分分離智能PI調節器,分段抗飽和的積分分離智能PI調節器程序流程如圖7所示[5]。

圖7 分段抗飽和積分分離PI程序流程

3.3 軟件優化算法設計

由該測試三軸轉臺使用場合的特殊性,位置不允許有超調量,轉臺運行速度慢,又由于采用雙電機驅動,轉臺慣量較大,轉速平穩性較差,給控制帶來了一些困難。得益于TMS320F28335處理器具備的浮點運算能力、150 MHz處理速度及中斷處理功能,控制系統采用10 k Hz高頻中斷來處理閉環控制和實時檢測位置超調量,并采用分段抗飽和智能PI調節器,并按照無超調的邊界條件優化PI參數,從而避免位置的超調。為了得到平穩的速度反饋,對反饋速度進行了17階FIR窗口濾波,并采用MATLAB FDATool對濾波器參數進行了優化設計,實現了穩定的速度閉環控制。

4 結束語

本文以緊密三軸測試轉臺為研究對象,在齒輪設計及加工要求不高的情況下,采用高性能浮點DSP處理芯片、雙電機消隙的控制策略、智能PID控制器相結合的設計方法,實現了消除傳動回差及控制超調,實現了三軸精密定位要求,目前該測試轉臺正在試運行階段。經過長時間的試運行試驗,轉臺運行穩定可靠、轉速平穩、定位響應快,在測試過程中,每隔60°選取一個測試點,測試結果誤差均小于±0.01°,滿足指標要求,試驗結果表明該控制系統設計達到了較高的控制精度和良好的動態性能。

[1]湯輝,吳影生.雙電機驅動精密二維測試轉臺伺服系統設計與實現[J].電子機械工程,2009,25(5):38-40.

[2]程登元.一種雙電機消隙伺服系統[J].雷達科學與技術,2009,7(5):393-396.

[3]韓旭.MIMU標定及誤差補償技術研究[D].南京:南京理工大學,2014.

[4]劉篤喜,程益恒,趙小軍,等.雙電機驅動卷繞式系統轉速同步控制研究[J].機械制造,2012,50(8):32-35.

[5]劉金琨.先進PID控制與MATLAB仿真[M].3版.北京:電子工業出版社,2011:10-36.