單軸高頻角振動轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)實驗研究

陳虹麗, 劉 磊, 李 強, 于立君

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，哈爾濱 150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間控制與慣性技術(shù)研究中心,哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著科研能力的進(jìn)步，對慣性系統(tǒng)的性能需求愈加嚴(yán)苛，慣性元件的精度也需要跟著提高，對慣性元件的標(biāo)定設(shè)備轉(zhuǎn)臺的性能也需要提高[1]，為了滿足對慣性器件高性能的要求，需要研究出高精度的轉(zhuǎn)臺，也即要提高轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的性能，提高控制系統(tǒng)的性能主要體現(xiàn)在提高運算性能和改善控制算法上[2-3]。系統(tǒng)的運算性能包括了運算速度和運算精度。

高頻角振動臺是轉(zhuǎn)臺的一種類型，主要用來測量陀螺的動態(tài)特性，需要無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤給定信號，需要能跟蹤周期性的給定信號[4]。

角振動臺控制系統(tǒng)要求是一個實時系統(tǒng)[5]，對于一般性能指標(biāo)的轉(zhuǎn)臺，可以采用Windows+RTX的方案編寫轉(zhuǎn)臺控制算法，但是,由于Windows系統(tǒng)的運行機(jī)理是基于消息機(jī)制的，因此不可能實現(xiàn)本質(zhì)上的實時性，RTX是一款可以嵌入Windows系統(tǒng)的實時操作內(nèi)核，但RTX也是基于Windows實現(xiàn)的，因此并不是強實時系統(tǒng)，只能到微秒級的定時精度。為了提高系統(tǒng)的實時性，針對角振動臺控制系統(tǒng)的運算量和速度要求，本文使用DSP[6-8]器件作為控制器，同時使用FPGA作為輔助芯片，DSP實現(xiàn)控制算法，F(xiàn)PGA為DSP搭建數(shù)據(jù)通道[9]，上位機(jī)采用工控機(jī)，使用WindowsXP系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)顯示和指令發(fā)送。

1 角振動臺控制系統(tǒng)工作過程

控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。上位機(jī)和FPGA通過USB通信[10]，F(xiàn)PGA讀取光柵輸出的位置信息，解碼之后傳送給DSP做控制使用，DSP根據(jù)反饋回來的位置速度信息，執(zhí)行控制運算，然后將控制量輸出至FPGA，F(xiàn)PGA將期望的位置和實際位置以及控制量信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將位置信息處理后得到速度和位置信息以及控制量的輸出，然后將位置和速度使用曲線繪制出來。FPGA轉(zhuǎn)發(fā)到AD，AD將信號轉(zhuǎn)換為模擬量之后送給驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)，整個系統(tǒng)閉環(huán)。

圖1 角振動臺控制系統(tǒng)硬件框圖

2 角振動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括DSP最小系統(tǒng)及擴(kuò)展電路設(shè)計，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)及外圍電路設(shè)計，其中本文設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換電路使用的是AD7606作為A/D轉(zhuǎn)換器件，同時為了提高測量精度，對于AD7606設(shè)置了跟隨電路，將輸入的模擬信號隔離，提高帶載能力，同時為了保護(hù)器件,對模擬量輸入限幅。

本設(shè)計是一款高速信號采集板，需要和上位機(jī)之間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，因此使用最高速達(dá)到480 Mb/s的USB2.0[11]技術(shù)通信。USB2.0芯片采用CYPRESS公司的CY68013實現(xiàn)，F(xiàn)PGA采用16位FIFO和CY68013之間通信，時鐘達(dá)到48 MHz，CY68013可以配置為51內(nèi)核不參與數(shù)據(jù)交換，USB數(shù)據(jù)直接和FIFO通道相連，這樣可以大大增加反應(yīng)速度[12]，USB和外設(shè)使用FIFO。

本設(shè)計中使用的USB2.0中還有一片24LC64，這是一片使用IIC讀寫的E2ROM，因為CY68013內(nèi)部沒有ROM，程序不能固化，為了擴(kuò)充CY68013的存儲能力，以便編寫更加復(fù)雜的固件程序，設(shè)計是參考官方技術(shù)手冊。

3 角振動臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

USB發(fā)送過來的數(shù)據(jù)需要使用上位機(jī)接收，并顯示出來。Windows自從Windows XP開始就不再提供底層接口，因此為了使USB設(shè)備能夠正常工作，使CY68013工作于SLAVE FIFO模式，需要為CY68013編寫固件程序。對于從USB發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，需要上位機(jī)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)保存并顯示出來，因此上位機(jī)是提供人機(jī)接口的不可或缺的一環(huán)。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時操作，必須設(shè)定實時中斷對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，這樣才能保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確接收。最后，使用DSP實現(xiàn)控制功能，完成控制算法的編寫，實現(xiàn)控制程序。

3.1 USB固件程序設(shè)計

固件的主要功能是配置芯片，使硬件在上電后工作在指定的狀態(tài)，通過配置MCU的各個寄存器完成這一目的，固件程序?qū)ο到y(tǒng)的配置有以下方面：配置FX2工作頻率為48 MHz，IO口設(shè)置PB和PD作為數(shù)據(jù)端口，端點選擇EP2和EP6，端點使能，設(shè)置端點工作方式，端點極性，完成設(shè)備的枚舉和重枚舉，對主機(jī)向USB設(shè)備發(fā)送的請求進(jìn)行實時響應(yīng)，設(shè)置USB設(shè)備和外設(shè)通信使用SLAVEFIFO模式。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)程序設(shè)計包括Winform界面設(shè)計和后程臺序設(shè)計。

本文的上位機(jī)一共兩個界面，一個主界面，用來控制USB傳輸;另一個界面是繪圖界面，使用chart控件實時繪制曲線。

后臺程序設(shè)計包括系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)初始化主要作用為初始化程序界面，初始化USB控制過程中的各個控制類，定時中斷接收數(shù)據(jù)，使用定時100 ms的中斷接收數(shù)據(jù)，使用bulk方式傳送，其他部分的程序主要功能為實現(xiàn)一些底層函數(shù)和上位機(jī)界面的繪制工作，實時曲線繪制工作。

術(shù)前意識狀態(tài)是預(yù)后最重要的決定因素,有無意識的障礙和他們的程度,可以直接反映腦實質(zhì)受損的情況。我們提倡盡快手術(shù),及時清除血腫對腦組織的壓力[3]。術(shù)前腦出現(xiàn)腦疝的預(yù)后較差,死亡率也大大增加,因為顱內(nèi)壓力極高導(dǎo)致不良結(jié)局,在腦疝發(fā)生前尋求早期手術(shù)和改善患者是很重要的,能夠有效提高患者預(yù)后和提高生存質(zhì)量。

3.3 DSP底層程序設(shè)計

DSP是整個運動控制系統(tǒng)的處理中心，所有的控制算法都在DSP上進(jìn)行實現(xiàn)，必須合理配置DSP，才能為算法移植提供一個好的工作環(huán)境。

首先進(jìn)行DSP初始化程序設(shè)計，DSP的初始化程序執(zhí)行的工作主要為：配置鎖相環(huán)，將系統(tǒng)的工作時鐘設(shè)置為200 MHz；配置中斷服務(wù)程序，設(shè)置中斷服務(wù)程序地址，關(guān)閉中斷，清除標(biāo)志；配置EMIF，配置管腳，將一些復(fù)用的管腳設(shè)置為EMIF的地址總線[13]；配置實時中斷，設(shè)置實時中斷的定時周期20 kHz，最后使能中斷。

然后進(jìn)行系統(tǒng)定時中斷處理程序設(shè)計，定時器是系統(tǒng)滿足實時性的核心，系統(tǒng)的控制程序都是在定時器中完成的。通過配置DSP的寄存器，設(shè)置片上定時器的周期，配置好定時器中斷和中斷處理程序，在中斷處理程序中，執(zhí)行控制算法。每當(dāng)定時器完成一次定時，就會引發(fā)定時器中斷，然后程序跳轉(zhuǎn)到中斷處理程序中，在中斷處理程序中，實現(xiàn)使能定時器中斷，讀取角振動臺位置，執(zhí)行控制算法。

本設(shè)計使用的DSP芯片TMS320C6726是32位浮點型DSP處理器。

3.4 自抗擾算法實現(xiàn)

實際運行時，將速度環(huán)自抗擾和位置環(huán)自抗擾寫成一個函數(shù)，這樣看起來更加方便，調(diào)參也更靈活。位置反饋使用光柵讀取的位置值;速度反饋使用光柵讀取的位置值進(jìn)行差分求得。然后進(jìn)行過零處理，過零之后作為反饋值帶入自抗擾控制器[14]中，算法采用后向差分法離散化，程序使用C語言編寫。

4 角振動臺控制系統(tǒng)調(diào)試實驗

系統(tǒng)的調(diào)試實驗是在一款單軸轉(zhuǎn)臺上實現(xiàn)的，雖然單軸轉(zhuǎn)臺和角振動臺的相關(guān)參數(shù)差別很大，使用直流力矩電動機(jī)而不是音圈電動機(jī)，但是直流力矩電動機(jī)和音圈電動機(jī)數(shù)學(xué)模型相同[15]，且單軸轉(zhuǎn)臺和角振動臺機(jī)械結(jié)構(gòu)相似，因此數(shù)學(xué)模型只差在一些參數(shù)上，主要體現(xiàn)在電動機(jī)的時間常數(shù)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量上。轉(zhuǎn)臺為了使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，波動小，會將臺體的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計的很大，而角振動臺為了加快動態(tài)過程，會將臺體的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)計的盡可能小，以上這些區(qū)別使轉(zhuǎn)臺和角振動臺在反應(yīng)速度上有很大差別，但是其基本模型相同，因此使用單軸轉(zhuǎn)臺來代替角振動臺進(jìn)行調(diào)試，最后只需要重設(shè)調(diào)節(jié)參數(shù)即可完成算法移植。實驗中使用的控制板為本文設(shè)計的高速控制板，如圖2所示,轉(zhuǎn)臺為一款單軸轉(zhuǎn)臺，如圖3所示，電動機(jī)驅(qū)動器為帶電流環(huán)的電動機(jī)驅(qū)動器如圖4所示，電動機(jī)驅(qū)動器使用單獨的線性恒壓電源供電，如圖5所示。

4.1 階躍輸入調(diào)試實驗

先將轉(zhuǎn)臺的位置歸零，然后給定一個5°的階躍信號，調(diào)整自抗擾控制器參數(shù)，得到其階躍響應(yīng)。從階躍響應(yīng)可以看出，自抗擾觀測器穩(wěn)態(tài)精度高，略有超調(diào)，超調(diào)在0.38%左右，調(diào)節(jié)速度快，性能良好。

4.2 振動輸入調(diào)試實驗

角振動臺作為振動仿真平臺，其最常見的輸入信

圖2 轉(zhuǎn)臺高速控制板

圖3 單軸轉(zhuǎn)臺

圖4 電機(jī)驅(qū)動器

圖5 電機(jī)驅(qū)動器電源

圖6 跟蹤1 Hz正弦波

圖7 跟蹤20 Hz正弦波

從圖7可以看出，跟蹤20 Hz正弦波時已經(jīng)有很大的誤差了，此時時間滯后0.005 s，折合相位滯后為36°，波形賦值衰減7.5%，波形基本不失真，基本可以跟蹤20 Hz正弦波。

跟蹤30 Hz正弦波時，波形已經(jīng)失真，波形和輸入波形有很大差距，而且輸出波形不穩(wěn)定，隨時間在變化，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，系統(tǒng)不能跟蹤30 Hz正弦波。

5 結(jié) 語

針對角振動臺控制系統(tǒng)要求較高實時性的要求，設(shè)計并實現(xiàn)了一個功能全面的控制系統(tǒng)的軟硬件平臺及上位機(jī)界面，采用DPS加FPGA的控制方案，基于C#設(shè)計了上位機(jī)程序，使用USB控制類庫控制USB傳輸，將數(shù)據(jù)反饋到主機(jī)上進(jìn)行分析，驗證了硬件平臺的性能可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，證實了自抗擾控制器的性能，適合于運動控制，反應(yīng)快速，超調(diào)小，穩(wěn)態(tài)精度高。

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