基于DDS的慣性器件特性測量轉臺控制系統設計

張瑞民，王明建，汪徐勝，宋仔標

（火箭軍工程大學士官學院，山東青州，262500）

基于DDS的慣性器件特性測量轉臺控制系統設計

張瑞民，王明建，汪徐勝，宋仔標

（火箭軍工程大學士官學院，山東青州，262500）

設計了一種能夠對慣性器件特性進行測量的轉臺控制系統，該系統采用DDS數字調速系統和伺服電動機組合的方法來實現轉臺的自動控制；系統軟件采用LabVIEW與MATLAB混合編程，完成慣性器件的性能狀態評估曲線與轉臺監控曲線等功能，通過MCGS組態軟件技術建立了PLC和上位機之間的通信連接，實現了現場設備的實時監測、數據控制和遠程控制。系統運行穩定可靠、適應性強、性價比高，具有廣闊的應用前景。

慣性器件；轉臺控制系統；DDS

0　引言

隨著科技的發展，高新技術應用于武器裝備的領域越來越多，尤其是以陀螺儀、加速度計為代表的慣性器件更為突出。由于慣性器件的抽象性以及原理復雜性，使得對其原理的學習和測試變得較為復雜。因此，設計一種慣性器件特性測量轉臺控制系統就應運而生，它能較好地解決慣性器件特性監測控制的難題。系統以高可靠性的工業控制計算機作為該系統的控制核心，采用DDS數字調速系統和伺服電動機組合的方法來實現轉臺的自動控制，完成對慣性器件特性的監測和顯示，同時基于MCGS組態軟件建立PLC與上位PC機之間的通信連接，實現了友好的人機交互界面，且操作方便、可靠，節省費用。

1　設計思路

該方案的基本設計思路是通過構建一個自動控制轉臺來模擬實現飛行器在飛行過程中加速度及角速率變化情況，并通過加速度或陀螺儀傳感器將此信號傳至主控機，然后由主控機完成相應的數據處理及圖形仿真，從而實現慣性器件特性的測量、標定及其原理展示。

2　系統的硬件設計

系統由主控機、DDS電機調速模塊、伺服電動機、數據采集模塊和轉臺臺體組成。轉臺加速度傳感器隨轉臺一起轉動，而接口電路與PLC機處于靜止狀態。數據采集系統與接口電路之間通過滑環系統進行信號傳輸。被測傳感器固定在轉臺的圓盤上，圓盤的半徑為0.6m。圓盤通過電動機驅動旋轉，電動機選用日本安川SGMAV-06A 500W伺服電機，由主控機通過串口控制電動機的轉速變化。數據采集模塊通過滑環系統獲得被測器件的相關測試數據，并將該數據通過串口傳入測控柜主控機。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

2.1測控機柜設計

測控柜的控制系統部分是整個測控柜設計過程中的難點和重點部分。測控主機采用高可靠性的工業控制計算機作為該系統的控制核心。其中在數據通信接口電路的處理上，充分考慮被測件高頻弱電數據信號在整個傳輸過程中的抗干擾問題，采用工業標準的RS485與計算機的RS232進行接口，這樣一方面解決了弱電信號的傳輸距離問題；另一方面也解決了被測件與測控計算機的接口融合問題。在數據的監控及融合處理方面，充分考慮整個系統實時性的需求，采用了專門的數據采集處理接口模塊，這樣一方面降低了工控機的數據處理壓力；另一方面減少了高頻數據信號的傳輸環節，降低了干擾的產生機率。

中央處理器是整個模塊的核心，完成數據采集、處理和通信等功能。該模塊選擇高性能DSP TMS320C31芯片，該芯片具有精度高、速度快、集成度高等特點，硬件條件完全符合設計需求。電源模塊給各個組成模塊部分進行供電，保證整個模塊的正常工作。

2.2轉臺控制系統的設計

轉臺控制系統由上位機控制部分和調速模塊、驅動模塊及測速采樣模塊組成。本系統中電動機采用的是伺服電機，電機調速系統采用直接數字頻率合成（DDS）技術數字交流變頻調速系統。該調速系統是采用伺服電機和測速機機組，以單片機8098為核心，數字量給定，軟件PID調節，數字PWM輸出。IGBT功率驅動，是高精度、低漂移的雙向調速系統。電機調速系統可以通過主控機進行實時控制，主控機通過串口為DDS調速系統發送相應的控制指令就可以控制電機工作在某一轉速，從而加速度信號或角速率信號的動態模擬。系統主電路采用的是交—直—交電壓型大功率全控型電力電子器件絕緣門極雙極性晶體管（IGBT）橋式逆變電路。控制電路采用脈寬調制（PWM）技術和單片微機控制技術。脈寬調制電路采用HEF4725，另因主電路中存在著電感，采用R、C、VD集中在直流側的吸收電路。速度反饋信號采用1024脈沖/r的光電碼盤來實現。

DDS采用數字化技術，最終合成信號是經D/A轉換后得到的。信號調理模塊采用的是二階壓控電壓源低通濾波器作為信號調理電路，首先需要對其進行濾波、放大等預處理，然后再輸入單片機進行A/D轉換。

3　系統軟件設計

3.1系統軟件總體設計

軟件編程采用C++語言進行程序開發，采用結構化程序設計思想，從上到下的設計方式，使得程序的結構清晰、可讀性、擴展性強，分布式計算機的全數字化控制策略，高性能計算機控制下的電機直接驅動轉臺的數字伺服控制體制。

在系統啟動后，會自動向各號位發送通訊信號，檢測硬件通訊線路是否正常，如果UDP和RS232均通訊正常則開始監控用戶操作，如出現故障則提示用戶發生通訊故障的工位和方式，在獲取到用戶操作的輸入信號后，程序設計了測試項目的自動判斷的算法，并提交數據庫進行判斷，如果目前用戶操作確實符合某一測試項目的操作邏輯，則觸發該項目測試的界面顯示、現象顯示、監控輸出并開始記錄用戶操作，如果用戶操作與所有已記錄的邏輯集合均不對應，則判定用戶誤操作，給出用戶相應的提示，軟件流程圖如圖2所示。

3.2數據采集監控軟件設計

數據采集監控中心負責數據采集、處理、存儲和各種狀態的顯示。該軟件采用LabVIEW與MATLAB混合編程，充分利用了MATLAB提供的大量高效率可靠的算法和LabVIEW高效的圖形化編程能力。采用LabVIEW編寫的數據采集和信號分析模塊在讀取數據后進行數字濾波，經過計算得到轉臺及被測件的實時數據，調用MATLAB的大型算法進行圖形化仿真顯示，并將被測件的測試數據進行曲線擬合后與給定曲線進行綜合分析比較，最后得到慣性器件的性能狀態評估曲線與轉臺監控曲線一起實時進行仿真顯示，其實時顯示效果如圖3所示。

圖3　圖形化仿真實時顯示主畫面

圖2　軟件流程圖

4　結束語

本文設計了基于DDS慣性器件特性測量轉臺控制系統，實現了速率可控、數據采集、通信、安全控制、特性測量、狀態評估等功能，與傳統慣性器件轉臺控制系統相比，該系統具有精度高、可靠性強、價格低廉、便于維修等特點，有較強的應用價值和市場前景。

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張瑞民（1971―），男，山東單縣人，副教授，主要從事導航、制導與控制等方面的研究與教學。

Design of swivel table control system for IMU characteristic test based on DDS

Zhang Ruimin，Wang Mingjian，Wang Xusheng，Song Zaibiao
（College of Sergeant，the Rocket Force Engineering University，Shandong，262500，China）

A swivel table control system for IMU characteristic test which controlled automatically by DDS system and servo motor was designed.LabVIEW and MATLAB were used in software program of system.The control system can draw property evaluation curve and monitor curve.Communication connection between PLC and computer was founded by MCGS software.Locale facilities were monitored real-time and controlled longdistance on this system.The system which has a amplitude application future runs well and low-cost.

IMU；swivel table control system；DDS