一種小型轉臺伺服控制系統的設計與實現

胡利文

西安愛生技術集團公司 陜西 西安 710065

概述

目前，在無人機數據鏈系統中，地面定向天線伺服跟蹤轉臺是其重要組成部分，伺服控制系統則是實現伺服轉臺跟蹤控制功能的核心部件，伺服控制系統的主要作用是根據上位機給出的位置指令，控制伺服轉臺的方位軸電機和俯仰軸電機的運動，使其準確到達指定位置，從而實現天線的跟蹤控制。

1 系統方案設計

為了滿足定向天線對無人機的跟蹤需求，地面伺服跟蹤轉臺設計為一個兩軸轉臺，包括方位軸和俯仰軸，方位軸垂直于水平面且可以360°連續旋轉，俯仰軸垂直于方位軸且轉動范圍為90°左右，本文所設計的系統俯仰軸轉動范圍為-1°～89°，俯仰角平行于水平面時為0°。直流電動機以其優秀的線形機械特性、較寬的調速范圍、大的啟動轉矩、控制方法較簡單等優點，在各種驅動、伺服系統中有著廣泛的應用。本文選用直流電機作為驅動執行器。傳感器元件是數字伺服控制系統的重要組成部分，位置傳感器通過檢測目標軸的當前位置，形成的反饋信號經過數字化處理，輸出數字位置信號作為數字伺服控制器的位置輸入，構成閉環系統。本文采用一種磁旋轉編碼器作為系統的位置傳感器，其分辨率為0.089°，完全可以滿足系統的需要。由于俯仰軸是在一定的范圍內轉動，因此在結構設計上要考慮在俯仰軸安裝限位開關，限位信號輸出到俯仰伺服控制器[1]。

本文設計的伺服控制系統方案為：整個系統由方位控制單元和俯仰控制單元組成。方位控制單元包含方位伺服控制器、方位軸電機和方位編碼器，方位控制器有兩個串行接口，分別與上位機和俯仰伺服控制單元進行通信，與上位機的通信主要包括接收控制指令和發送實時軸角數據及俯仰限位狀態；與俯仰伺服控制器的通信主要包括發送俯仰控制指令和接收俯仰軸角數據和限位狀態。俯仰控制單元包含俯仰伺服控制器、俯仰軸電機、俯仰編碼器和限位開關。

現代數字伺服控制采用高速數字信號處理器（DSP），直接對位置和電流信號進行采樣，通過軟件實現數字比較、數字調節運算（數字濾波）、數字脈寬調制等各種功能，從而實現對位置的精確控制。DSP采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存取程序和數據，內置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP具有高速的數據運算能力。與單片機相比，DSP更適合于設計數字伺服控制器。目前，市場上用于伺服控制的DSP芯片以美國德州儀器（TI）公司的TMS320C2000系列為主流。

2 系統硬件設計

方位伺服控制器與俯仰伺服控制器硬件電路完全相同，只是外部接線關系有所區別。

（1）主控芯片。主控芯片選用美國德州儀器（TI）公司的TMS320F2812為控制核心，其最高工作頻率為150MHz，可實現較高的數據處理速度；片內集成Flash為128K*16bits，程序可以通過JTAG接口下載到片內FLASH中；芯片內部集成有電機控制專用模塊，使得控制電路更加精簡高效；片內具有兩路串行通信接口，可滿足系統的通訊要求；最多有56個通用I/O接口，滿足系統對I/O口的需求。

（2）驅動電路設計。驅動電路和功率轉換電路選用IR公司的專用驅動芯片和功率MOSFET構成H橋，過流保護電路的設計可以有效地保護電機。

（3）通信接口設計。由于方位伺服控制器需要兩個串口分別與上位機和俯仰伺服控制器進行通信，因此電路設計了兩個串行通信接口。考慮到與上位機的通信距離，設計了一路RS422通信接口。另外一個通信接口為RS232，用作方位和俯仰伺服控制器之間的通信。

（4）JTAG接口設計。MCU的程序通過JTAG接口下載到片內FLASH中，上位機通過仿真器可以對程序進行在線調試[2]。

（5）電源設計。TMS320F2812的供電電壓分別為3.3V和1.9V，通過開關電源芯片實現。

3 軟件設計

伺服控制系統的軟件是實現系統控制功能的核心，本系統軟件包括方位伺服控制器軟件和俯仰伺服控制器軟件，伺服控制軟件在TMS320F2812上運行。軟件設計基于TI公司提供的CCS軟件開發平臺，使用C語言進行軟件開發，采用模塊化軟件設計方法，使得整個程序的結構非常合理。

方位伺服控制軟件與俯仰伺服控制軟件的主要功能基本相同，只是在一些細節處理方面有所區別。因此在軟件設計方面，盡量考慮兼容性，用同一個軟件分別適用于方位和俯仰伺服控制器，只是通過更改標志位來區分軟件。

伺服控制軟件主要由系統初始設置模塊、RS422串口數據通信模塊、RS232串口數據通信模塊及運動控制模塊等組成。

系統初始設置模塊主要對系統進行初始化，主要完成系統時鐘、通用I/O口、PWM模塊、A/D轉換模塊、SCI串行通信接口、定時器模塊以及中斷優先級等的設置。另外還完成系統變量的初始化，包括PI調節器參數以及運動控制相關的參數的初始化。

中斷子程序主要包括過流保護中斷和定時器周期中斷子程序。過流保護電路檢測流過電機相繞組中的電流，當過流發生時，電路輸出一個低電平過流信號輸入DSP的I/O口，從而觸發優先級最高的過流保護中斷。在過流保護中斷服務程序中，關斷所有的驅動模塊，使功率管全部處于關斷狀態，并顯示過流故障碼，然后進入死循環，等待復位。

4 結束語

本文設計的伺服控制系統以TI公司的TMS320F2812為控制核心，實現了對伺服轉臺方位軸和俯仰軸的運動控制、軸角位置編碼、伺服轉臺狀態檢測以及串口通信等功能。在綜合考慮跟蹤性能和可靠性的基礎上，設計并實現了整個伺服控制系統的硬件電路和軟件編程，通過桌面調試及實際應用驗證了系統方案的有效性，該控制系統性能良好，完全滿足伺服轉臺的控制需求，是一款經濟可靠的小型伺服控制系統。