自主潛航器姿態控制力矩陀螺群的DSP控制系統設計

張超華，唐國元，黃道敏，2，朱秋晨

1華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

2武漢空軍預警學院，湖北武漢430010

自主潛航器姿態控制力矩陀螺群的DSP控制系統設計

張超華1，唐國元1，黃道敏1，2，朱秋晨1

1華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

2武漢空軍預警學院，湖北武漢430010

傳統舵面執行機構在自主潛航器低速或零速狀態時對其進行姿態控制舵效不足，為改善其操縱性能，引入框架控制力矩陀螺（CMG）作為自主潛航器的姿態控制執行機構，其中驅動系統由4臺高速無刷直流電機及4臺減速電機組成?？紤]到自主潛航器對控制力矩陀螺電機的性能要求，設計了以數字信號處理器（DSP）TMS320F2812為核心的永磁無刷直流電機與蝸輪蝸桿減速電機調速控制系統，包括DSP主控模塊、PWM光電隔離模塊、驅動模塊、JTAG接口模塊、RS-232串行通信模塊等硬件電路及系統上、下位機的控制軟件程序。設計并制作了外圍電路板，實現了對無刷直流電機驅動的陀螺轉子進行啟動停止、轉速給定、轉速測量等控制任務，以及蝸輪蝸桿減速電機驅動的陀螺框架啟停及正反轉響應迅速。試驗表明，所設計的DSP控制系統能較好地滿足自主潛航器姿態控制需求。

潛航器；控制力矩陀螺；姿態控制；數字信號處理器；無刷直流電機

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160921.1323.010.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：張超華，唐國元，黃道敏，等.自主潛航器姿態控制力矩陀螺群的DSP控制系統設計［J］.中國艦船研究，2016，11（5）：107-112，142.

ZHANG Chaohua，TANG Guoyuan，HUANG Daomin，et al.Design of the autonomous underwater vehicle control moment gyro system based on DSP［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（5）：107-112，142.

0　引言

自主潛航器的運動姿態控制是其完成指定任務的前提與保障。隨著自主潛航器在海洋領域應用的更加專業化以及多樣化，為提高自主潛航器的工作效率、壽命、機動性及抵御惡劣環境的能力，一種內置式的新型自主潛航器姿態控制執行機構——框架控制力矩陀螺（CMG）相繼被提出［1］，期望利用旋轉裝置陀螺效應產生的附加力矩去控制自主潛航器的姿態。自主潛航器在海洋資源勘測開發與海軍武器戰略部署方面具有廣闊的發展前景和巨大的應用價值，與傳統的“螺旋槳+舵”執行機構相比，采用內部CMG執行機構不僅可以避免海水腐蝕，還可不依賴于流體的相對運動，甚至可用于低速或零速的場合，有利于保持殼體的完整性，更易于優化設計。

CMG是一種動量交換裝置，由勻速轉動的陀螺轉子以及支撐轉子的外框架組成，通過框架轉動驅使陀螺轉子的角動量方向發生改變從而實現力矩輸出?？刂屏赝勇葺敵隽卮?、動態響應快、工作穩定可靠，滿足大型航天器姿態控制和快速機動的要求，目前已在國內外的航天領域得到廣泛應用［2］。唐國元等［3］建立了基于CMG的自主潛航器運動學與動力學模型，并且考慮到自主潛航器可能進行的大姿態角機動，其采用歐拉四元數方法建模，通過深入的理論研究與仿真分析，充分肯定了控制力矩陀螺在自主潛航器姿態控制系統中的應用價值，并在文獻［4］中設計并研制了相應的姿態控制力矩陀螺群（CMGs），其中驅動系統由4臺高速無刷直流電機及4臺蝸輪蝸桿減速電機組成。

無刷直流電機利用電子換向器取代了傳統直流電機中的電刷和機械換向器，極大地提高了電機的工作效率與調速性能，利用它來驅動陀螺轉子具有速度穩定、運行可靠等優點［5］；蝸輪蝸桿減速電機輸出力矩大、轉動平穩，利用它來驅動陀螺框架滿足系統控制需求。電機的控制方案有許多種，如基于單片機的電機調速控制系統［6］、基于FPGA的電機驅動控制系統［7］和采用數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）作為主控制器的控制系統［8］。由于DSP的控制精度高、數據處理能力強、接口豐富，本文將以TMS320F2812 DSP芯片作為控制核心，設計無刷直流電機與蝸輪蝸桿減速電機的調速驅動控制系統。

1　控制系統原理

在自主潛航器姿態控制系統中，4個單框架控制力矩陀螺呈金字塔構型布置于潛航器內部，組成控制力矩陀螺群，由潛航器內部2個平行的導槽進行位置固定，如圖1所示（圖中除去了潛航器尾部的螺旋槳部分）。陀螺外框架轉動將使陀螺轉子的角動量方向發生改變，從而產生陀螺力矩作用在框架基座（潛航器殼體）上，驅動自主潛航器完成姿態機動任務。陀螺轉子轉速快，穩速精度高，采用永磁無刷直流電機驅動控制；陀螺框架轉速低，速度變化快，采用蝸輪蝸桿減速電機驅動控制。因此，基于CMGs的自主潛航器姿態控制系統的核心就是對4臺無刷直流電機與4臺蝸輪蝸桿減速電機的轉速的控制，通過結合力矩陀螺群金字塔構型的姿態控制律與陀螺操縱律，實時調整電機的工作狀態，從而確保實現三軸穩定的力矩輸出。姿態控制系統整體框圖如圖2所示。

圖1　CMGs構型及安裝示意圖Fig.1The configuration and installation diagram of CMGs

圖2　控制系統原理框圖Fig.2Control system block diagram

2　系統主要硬件電路設計

本系統采用一塊型號為TMS320F2812的DSP芯片加外圍電路以及驅動電路來實現對4臺高速無刷直流電機與4臺蝸輪蝸桿減速電機的控制，電機控制系統原理框圖如圖3所示（圖中只列出了1臺無刷直流電機與2臺蝸輪蝸桿減速電機的控制原理，其余電機控制方法與此類似）。

圖3　電機控制系統原理框圖Fig.3The control system block diagram of motors

電機控制系統主要由PC上位機、2812主控芯片、光電隔離電路以及驅動電路組成。其中：PC上位機主要進行數據發送、接收與顯示任務；以TMS320F2812芯片為核心的控制部分負責控制運算、PWM轉速脈沖輸出及轉速測量等任務；驅動電路將DSP芯片輸出的弱電控制信號進行功率放大，輸出具有一定驅動能力的強電信號去控制電機的運轉。由于DSP控制器芯片I/O口的工作電壓為3.3 V，而所選用無刷直流電機集成驅動器DBLS-02與蝸輪蝸桿減速電機驅動芯片L298N的引腳工作電壓均為5 V，即TMS320F2812 DSP芯片輸出的控制信號不足以觸發電機驅動器內部功率管的通斷，因此本系統還需采用一光耦合器對控制部分和功率驅動部分進行光電隔離，這樣既可實現不同電壓之間的信號變換，又能防止控制電路與驅動電路之間的電磁干擾。

2.1無刷直流電機驅動電路

無刷直流電機驅動電路選用智能集成驅動器DBLS-02，該控制驅動器為閉環速度型控制器，采用最新型的IGBT和MOS功率器件，控制環節設有PID速度調節器，通過對無刷直流電機的霍爾信號進行倍頻來實現閉環速度控制。該電機驅動器不僅具有欠壓檢測、過流保護、霍爾信號故障報警等保護功能，而且其斬波頻率達1 kHz，占空比可在0%～100%內變化，能夠處理0～5 V電平的標準邏輯信號。無刷直流電機與驅動器連接方式如圖4所示。

無刷直流電機的啟停、正反轉及剎車信號是通過DSP芯片引腳輸出的高低電平進行控制，DSP在接收到霍爾傳感器反饋的電機速度信號后，經過控制算法處理及光電隔離電路，即可輸出幅值為5 V、頻率為1 kHz的脈沖寬度數字信號（PWM），該信號施加在驅動器調速電壓輸入端，電機轉速受其占空比的線性調節。

圖4　驅動器連接原理圖Fig.4Drive's wiring diagram

2.2蝸輪蝸桿減速電機驅動電路

蝸輪蝸桿減速電機驅動系統由L298N驅動芯片加外圍電路搭建而成，驅動電路原理圖如圖5所示。L298N是SGS公司生產的一種體積小、驅動能力強的高效脈寬調制功率放大器件，其內部包含2個H橋型高電壓大電流全橋式驅動單元，采用標準TTL邏輯電平控制，可以用來驅動2臺直流電機［9］。引腳ENA（ENB）為使能端，外接DSP芯片輸出的PWM調速信號可以實現對蝸輪蝸桿減速電機1（電機2）的速度控制，IN1，IN2（IN3，IN4）為電機轉向控制輸入端，通過對這2個引腳輸入不同組合的高低電平來控制電機的啟停與正反轉。D1～D8為續流二極管，用來釋放電機啟停瞬間線圈繞組所產生的自感電動勢，以保護功率開關器件。D9～D12為電機轉動方向指示燈，用于顯示電機正反轉狀態。

圖5　L298N驅動電路原理圖Fig.5The drive circuit diagram of L298N

2.3光電隔離電路

本系統采用6N137光耦合器對控制部分和功率驅動部分進行光電隔離。6N137芯片內部由1個850 nm波長的LED和1個集成檢測器組成，集成檢測器用來識別LED發出的光信號并將其轉換為電信號，用以控制后續外圍電路的通斷，實現光電隔離。6N137外圍連接電路如圖6所示。TMS320F2812主控芯片輸出的幅值為3.3 V、頻率為1 kHz的PWM波形經6N137光耦合器處理之后，即可得到電機驅動器所需的幅值為5 V、頻率為1 kHz的PWM控制信號，實現了不同電壓之間的信號變換，同時又能防止控制電路與驅動電路之間的電磁干擾。

圖6　6N137光耦合器外圍電路圖Fig.6The external circuit of 6N137

2.4串行通信及仿真接口電路

TMS320F2812芯片具有異步串行通信接口SCI，該接口可以外接MAX3232芯片，實現與上位機的串行通信功能。MAX3232是符合RS-232標準的驅動芯片，集成度高，功耗低，采用+3.3 V供電，具有2個接收和發送通道，通過標準DB9接口實現控制系統與上位機的連接［10］。MAX3232串行通信接口原理如圖7所示。

圖7　串行通信接口原理Fig.7Principle of the serial interface

聯合測試工作組（Joint Test Action Group，JTAG）接口主要用于程序的下載、調試和燒錄，支持在線調試仿真，能夠大幅降低DSP系統硬件開發的難度。TMS320F2812芯片與外部JTAG電纜相連是通過標準14引腳仿真接口來實現的，該端口提供了5個標準的JTAG調試信號（TRST，TCK，TMS，TDI，TDO）和2個仿真節點（EMU0，EMU1）［11］。JTAG接口外圍電路如圖8所示。

圖8　JTAG接口外圍電路Fig.8The JTAG circuit

3　控制系統軟件設計

CCS（Code Composer Studio）是目前應用最為廣泛的DSP系統集成開發環境，利用它進行TMS320F2812的程序設計是控制系統軟件設計的核心部分。無刷直流電機控制系統軟件采用模塊化設計思想，主要包括系統初始化模塊、定時器中斷響應模塊、反饋信號采集與處理模塊、PWM波形產生與控制模塊。系統軟件設計流程如圖9所示。

圖9　電機控制系統軟件流程圖Fig.9The software flowchart of motor control system

系統上電復位后，主程序首先完成系統的初始化任務，包括關閉看門狗、配置PLL時鐘、設定GPIO口工作模式、初始化DSP事件管理器模塊等，然后等待上位機控制指令及系統周期中斷的到來。系統有2級中斷，事件管理器中斷和串口中斷，其中串口中斷又分為發送中斷與接收中斷，負責發送系統信息給上位機并接收上位機的控制指令。事件管理器中斷由DSP通用定時器產生，每當通用定時器的計數寄存器（TxCON）與周期寄存器（TxPR）的值相等時，發生事件管理器中斷，系統進入中斷處理子程序，并將捕獲單元（CAP）獲得的電機實際轉速數據與上位機給定的轉速數據相比較，若未達到給定速度，則繼續增大PWM的占空比，以提高電機轉速并等待下一次定時器中斷的到來；若電機轉速達到給定速度，則保持PWM的占空比不變，電機穩速運行。

4　試驗結果

前面設計了無刷直流陀螺電機與蝸輪蝸桿減速電機系統的驅動控制方案，根據上述硬件電路原理與軟件設計流程，制作外圍電路板并向TMS320F2812主控芯片中寫入控制程序，進行直流電機驅動CMGs的控制試驗。

圖10　無刷直流陀螺電機升速與穩速曲線Fig.10The acceleration and steady velocity curve of DC motor

圖11　電機穩速條件下的PWM控制波形Fig.11The PWM control signal of motors in steady velocity

無刷直流電機的額定電壓為24 V，額定轉速為10 000 r/min，電機轉速控制信號PWM的占空比每隔1 s增加0.2%，直至電機達到目標轉速穩定運行。設定目標轉速為4 000 r/min，試驗測得電機從零速啟動至目標轉速的升速過程及穩速曲線如圖10所示，速度穩定之后，相應的調速控制輸入PWM波形如圖11所示。從圖示的測試結果可以看出，無刷直流陀螺電機啟動過程平穩，當施加在電機驅動器調速電壓輸入端的PWM信號的占空比增大至40%時，電機達到目標轉速，穩定在4 000 r/min左右運行，系統控制精度高，具有良好的動態性能。蝸輪蝸桿減速電機的額定工作電壓為12 V，額定轉速為6 r/min，給定一正弦速度輸入控制信號，測得其輸出響應曲線如圖12所示?？梢钥闯觯佪單仐U減速電機的啟停與正反轉響應迅速，可以實時改變陀螺框架的運轉狀態。

在實驗室對自主潛航器進行了姿態機動原理驗證性試驗，即將潛航器水平懸掛于空中，陀螺框架與陀螺轉子按給定速度變化規律運行，觀察潛航器在水平面內的姿態機動效果。艇體姿態變換過程如圖13所示。由圖可以看出，大約在10 s時間范圍內，姿態傳感器測得潛航器在水平面內沿逆時針方向旋轉了70°，姿態角度變化明顯，所設計的控制力矩陀螺群DSP控制系統從原理上能夠滿足自主潛航器的姿態控制需求。

圖12　蝸輪蝸桿減速電機速度響應曲線Fig.12The speed response curve of worm gear reducer motor

圖13　自主潛航器姿態機動過程圖Fig.13Attitude changes of the autonomous underwater vehicle

5　結語

本文以TMS320F2812 DSP芯片作為控制核心，設計了自主潛航器姿態控制力矩陀螺群的驅動控制系統，并完成了系統硬件電路設計與軟件開發工作。在此基礎上，搭建試驗平臺，進行CMGs的驅動控制及自主潛航器的姿態機動試驗，結果表明，無刷直流電機所驅動的陀螺轉子啟動過程平穩，能在期望的轉速下穩定運行；蝸輪蝸桿減速電機輸出力矩大，所驅動的陀螺框架動態響應迅速，滿足系統控制需求。控制力矩陀螺群的DSP控制系統工作穩定，潛航器在空氣環境下姿態機動效果明顯，充分說明了CMGs作為自主潛航器姿態控制執行機構的有效性與可行性。

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Design of the autonomous underwater vehicle control moment gyro system based on DSP

ZHANG Chaohua1，TANG Guoyuan1，HUANG Daomin1，2，ZHU Qiuchen1
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 Wuhan Air Force Early-Warning Academy，Wuhan 430010，China

To improve the low velocity control performance of Autonomous Underwater Vehicles（AUVs），a single gimbal Control Moment Gyro（CMG）is introduced as the attitude control system，the drive system of which consists of four brushless DC motors and four reducer motors.Considering the need of AUV for CMG motors，a steady-speed control system is presented in which the brushless DC motors and worm gear reducer motors are based on TMS320F2812.The DSP controller module，PWM photoelectric buffer module，drive module，JTAG interface module，RS-232 SCI module and software program of the system are included.In building the peripheral circuit，only a single DSP chip is employed to control the starting or stopping and realize the measurement of the working statement of the four brushless DC motors，and the forward or reverse response speed of the worm gear reducer motors can also be accepted.The experiment shows that the designed DSP control system of CMG can satisfy the attitude control requirements of AUVs.

autonomous underwater vehicle；moment control gyro；attitude control；Digital Signal Processor（DSP）；brushless DC motor

U674.941

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.05.016

2015-12-15網絡出版時間：2016-9-21 13:23

湖北省自然科學基金資助項目（2013CFB154）；上海交通大學海洋工程國家重點實驗室開放基金資助項目（1304）

張超華（通信作者），男，1991年生，碩士生。研究方向：艦船與水下航行體運動控制，硬件電路開發。

E-mail：1254792966@qq.com

唐國元，男，1973年生，博士，副教授，碩士生導師。研究方向：艦船與水下航行體運動控制，艦船機電控制系統。E-mail：tgyuan@yeah.net

黃道敏，女，1971年生，博士。研究方向：水下機器人，機電控制技術。

E-mail：392821027@qq.com