航空轉臺通用控制系統設計與研究

常碩，鄧日棉，王紅，稂芳連

（國營長虹機械廠，廣西 桂林 541003）

1 前言

某航空維修廠僅一個部門就擁有自動化測試轉臺設備10 余套，是檢修航空裝備必不可少的測試設備，幾乎動態測試的部件都需要用到此設備，使用頻次極高。鑒于多型轉臺設備使用年限較長，電子設備有其通電使用壽命，故障率逐年提高，設備維修較為困難，人員配比轉換困難，影響檢測進度；且動態測試的產品都須配有相應的控制設備，出現設備繁雜情況，造成設備利用率低、占用空間大；轉臺控制設備根據轉臺內部電機功率大小及各軸慣性比，都會配有較大電源，價格昂貴，造成資源浪費。

針對上述問題，對轉臺通用控制系統進行設計與研究，突破轉臺伺服控制系統的技術壁壘，研制轉臺通用控制系統。通過擬合現有轉臺控制設備共同之處，將轉臺進行空間三維劃分，根據俯仰、航向、滾轉三種方位軸，按類型將轉臺劃分為單軸、雙軸、三軸三大類；根據轉臺內部驅動電機類型，按供電方式將轉臺劃分直流轉臺與交流轉臺兩大類；根據轉臺內部測角元件類型，按照測角元件點數，進行測角元件選型，不同點數代表不同測角元件。通過將軟件進行模塊劃分，設計不同方位軸、不同供電方式、不同編碼器點數三種組合選型方式，涵蓋空間三維坐標體系，采用雙閉環從屬控制結構運行方式，進行伺服系統設計。

2 轉臺通用控制系統總體方案

2.1 硬件總體方案

轉臺通用控制系統硬件設備一般包括底層下位機測算板件、各軸驅動控制器、上位機工控組件、散熱風扇組、供電電源及硬件線路；整個硬件系統分為交直流電源模塊、交直流驅動模塊、下位機控制模塊、上位機顯示模塊、散熱模塊等。考慮電機功率及各軸慣性比，需配套選用可調節的電源及電機驅動器；根據轉臺位置反饋元件反饋出的電脈沖信號，此通用系統下位機選用DSP+FPGA 組合控制模塊進行位置、速度解算；根據反饋速度、冗余度、兼容性等，選用神州飛航多路通信板卡及DA 轉換板卡。

通用設備以灰色減震機箱為框架，由可編程直流程控電源、可編程交流程控電源、神州飛航PXI 工控機、顯示器一體化設備、Elmo 交直流驅動器和測試電纜組成，其中PXI 工控機中包含串口通訊板卡、DA 板卡及數字I/O 板卡等通用板卡。控制設備機箱整體由金屬結構制成，使之成為一個完整的電磁屏蔽系統，且在驅動器的輸入輸出都加上電磁濾波器，保證系統的電磁兼容性；整個設備均采用成熟模塊化裝置，保證整個系統的可靠性和可維護性；整個設備每個用電模塊都經過一根接地線，保證整個系統的安全性。

2.2 軟件總體方案

通用控制系統主要基于下位機DSP+FPGA 組合控制模塊解算來自轉臺位置編碼器的電脈沖信號，并通過D/A轉換板卡將控制信號傳遞給電機驅動元件，從而形成閉環回路控制模型。如圖1 所示控制系統結構圖,轉臺通用控制系統底層程序與上層軟件主要應用圖形化設計軟件Labview 實現，系統分為硬件通用控制平臺與軟件通用控制程序，可以控制多型測試轉臺，通過選擇轉臺類型、電機類型、編碼器點數精確到具體轉臺。下位機平臺分為數據處理模塊、位置跟蹤模塊、速率校準模塊；上位機界面設有綜合控制區、單軸控制區、角位置速率顯示區、波形顯示區。軟件系統由上下位機共同作用完成，可實現控制三個軸、任意兩個軸或任意一個軸位置和速率等功能。

圖1 控制系統結構圖

轉臺的精度控制基于誤差控制理論，上位機給出的指令值與轉臺運轉實際的反饋值之間的差值為誤差，系統的精度目標就是使這個誤差等于零，達到指令值等于反饋值。該誤差經過控制算法計算產生一個數字電壓值，通過DA 轉換為模擬電壓輸出給電機驅動器，電機驅動器根據給定的電壓驅動轉臺各軸的電機，實現對電機的控制。利用MATLAB 仿真環境，建立仿真模型，搭建算法控制器，通過算法不斷計算，推導出最優的參數組合，實現控制系統的精確控制。

3 通用控制系統原理分析

3.1 通用控制系統控制結構

通用控制系統主要由電流環閉合回路與位置環閉合回路形成整體控制回路，用于保證系統的精度、降低電源紋波造成的浪涌電壓、保證控制力矩的線性度、降低電機過流產生的影響。如圖2 所示控制回路，其中電流環作為一級控制，可以近看成外加電流源，位置環作為整個系統的二級控制，決定著整個系統的控制精度。前饋環節，主要是彌補一、二級控制結構的缺點，隨著閉環回路的增加，整個閉環回路的輸入信號傳遞速度逐漸變慢，尤其在驅動信號的作用下位置不斷變化時，動態誤差會逐漸增大，加入前饋環節就變得尤為重要，可以通過綜合控制使系統在具備穩定性的同時保證系統的精度。

圖2 控制回路

通用控制系統采用電流環與位置環形成的雙閉環從屬結構，通過DA 轉換卡控制電機驅動器的輸入。轉臺機械臺體通過角位置編碼器將轉臺實時的位置信號傳遞給DSP+FPGA 解算模塊，控制系統在采用相應的控制算法來精確控制轉臺，這就形成了系統的位置環。位置環作為系統的主反饋環，主要用于保證系統的精度。系統的電流環是通過驅動器內部實現的，電流環造成電樞電流負反饋，目的是減小電源電壓的波動影響，增加控制電機力矩的線性度，同時，也可以起到預防功率轉換電路和電機過流的作用，整個復合型環路結構穩態響應精度高、動態線性好的特點。

3.2 通用控制系統控制規律

控制系統采用數字PID 控制算法，此控制算法是控制系統中技術成熟且應用廣泛的一種技術，根據數學模型調節固化模型參數，從而實現整個控制系統的精度控制。由于轉臺系統超調量較大，為保持系統穩定，減小系統超調量，采用積分分離的PID 控制算法，其中KP部分為比例調節、Ki部分為積分調節、Kd部分為微分調節，本系統采用位置式算法，積分與微分由數值積分與差分算法來實現，采用后向矩形積分與后向差分，算法公式如下：

如圖3 所示數字PID 控制器原理圖，采用位置控制為主，速度控制為輔的控制方式，積分增益用來消除穩態誤差，微分增益提供穩定系統阻尼，而速度前饋增益減少阻尼帶來的跟隨誤差，加速度前饋減少系統慣性帶來的跟隨誤差。系統應用MATLAB 軟件里面的SIMULINK進行仿真算法研究，轉臺的位置控制仿真系統主要由信號模塊、數學運算模塊、控制器模塊、傳遞函數模塊和輸出模塊組成，以此進行數據調適，留存每臺轉臺的最優搭配參數，實現比例、積分與微分的控制。系統采用復合控制方式，用于減少電機、軸承等帶來的摩擦力矩、減小磁滯力矩造成的靜差、抵消對系統輸出的影響，該系統由PID 控制器構成的位置環、驅動電機的電流及電機驅動器構成電流環、位置反饋元件反饋信號和電機驅動器構成本伺服系統多環路結構，提高環路控制系統的穩態響應特性和動態特性。

圖3 數字PID 控制器原理圖

4 通用控制系統軟件設計

4.1 軟件結構

本系統軟件程序采用雙模塊編寫模式，將程序分為調試和控制兩部分，如圖4 通用轉臺軟件結構框圖，調試程序主要用于對不同轉臺PID 參數的調試并形成參數包燒寫到下位機DSP+FPGA 組合控制模塊中，控制程序主要是通過人機交互及遠程受控的方式接收命令輸入，通過解算將控制信號輸出到硬件通用控制平臺的控制器，控制器控制電機完成位置、速度、模式等功能，從而實現航空轉臺控制系統通用控制功能。控制系統是轉臺實現運動控制功能并最終達到技術性能指標的重要組成部分，系統軟件是控制系統實現高精度控制的最重要一環，因此，調試程序與控制程序在控制系統中就變得尤為重要，如何配合好調試程序與控制程序之間的連接也變得尤為重要。

圖4 通用轉臺軟件結構框圖

調試程序通過對轉臺控制系統進行參數整定，根據改進的PID 控制算法調節系統的數學模型，通過定點試驗方法分別找出最合理的KP 與KI 數值,通過擬合得到最完美的算法模型，調試過程通常采用一個參數不變調試另一個參數的辦法，不斷根據測試狀態縮小KP 與KI 的數值，且每臺轉臺每軸都需要提前進行大量的調試，調試出固定參數，將得到的數學參數燒寫到下位機DSP+FPGA 組合控制模塊。控制程序根據已經固定的數學參數模型，通過DSP+FPGA 組合控制模塊對控制系統執行元件輸送特定的命令，并通過DA 轉換卡將數字信號轉換為模擬信號，此信號作為電機驅動器輸入，控制著電機驅動器對相應的電機進行指令控制，控制轉臺按照控制程序給出的控制指令進行運動，從而實現控制轉臺的速度、位置、模式、狀態寫入的功能，此前根據轉臺的差異性選擇不同的轉臺，同時，程序也會進行判讀是否轉臺選擇正確，根據反饋數據分析出問題所在，給出錯誤提示，及時進行位置制動，防止出現轉臺飛車現象。對此通過選擇不同的轉臺參數來控制相應的轉臺，達到控制系統的通用控制功能，從而實現轉臺控制系統的通用化。

4.2 軟件功能及實現方法

4.2.1 調試程序及控制程序

調試程序主要是對控制系統的位置環、電流環及速度環進行參數整定，電流環整定參數是先設置期望的帶寬和相位裕度，設置的編譯程序會自動地整定控制參數。編譯程序首先根據傳感器反饋回來的數據自動辨識實時位置及速度，再根據Fast 模式進行掃頻，掃頻結束后，進行前饋環節的位置控制。控制程序通過BST23208 串行儀器控制板卡對串口信息進行發送、回采、解析，得到相應轉臺的控制、狀態信息。由于轉臺各軸運行位置需要進行實時采集，信息傳輸速度快、數據郵包數據量龐大，實時性要求高，故采用多線程技術將實時通訊子VI 放置程序后臺單獨運行，提高主程序的運行效率。

控制程序則保持控件的觸發，對控件狀態進行判讀，讀取對應的輸入信息，進入程序判讀部分，甄別出對應的轉臺控制參數，包括轉臺軸數、電機電源類型、位置編碼器點數等信息，同時讀取速度、位置和模式的要求對DSP+FPGA 組合控制模塊發送對應的指令，DSP+FPGA 組合控制模塊在收到指令后根據調試程序調試出來的參數包作為條件對驅動器發送對應的脈沖信號，實現對電機不同狀態要求的控制。此外，控制程序還會根據轉臺的運行軌跡進行波形顯示，可以更直觀地了解到轉臺的運行順滑度，當波形出現跳變時，需對固定數學模型進行重新調試，調試成功后重新燒寫固化參數，保證系統運行的準確性。

4.2.2 控制模塊設計

調試程序的調試界面主要包括電機選型、編碼器選型、電流整定、速度及位置整定，整定后與控制軟件進行聯調。進行完電機及編碼器選型后，進行電流、位置、速度參數整定，不斷地進行參數調試。轉臺每軸均有電機1 ～2 臺，控制多型號轉臺需了解每臺電機的工作參數：供電類型、供電電壓、額定電流、峰值電流、反饋形式、極對數、額定轉矩、額定轉速、最高轉速等，確定電機參數后，需研究電機驅動器與多型號電機匹配度，分析驅動器供電形式、供電承受能力、信號傳輸定義、通訊協議等，選擇可驅動多類型電機的通用驅動器。控制軟件采用主控制界面和反饋界面同時顯示的形式，其中控制界面包括各軸臺位置、速率、置零、使能、失能等功能的輸入和選擇；反饋界面主要是實時反饋各軸轉臺的實時位置。

如圖5 通用轉臺控制系統界面圖，根據轉臺的類型單擊分別選擇轉臺軸數、電機電源類型、位置編碼器點數，然后點擊打開通訊。

圖5 通用轉臺控制系統界面圖

通訊成功后，實時反饋界面會發生變化并實時反饋狀態當前的狀態曲線，輸入控制的位置和速率信息后，點擊使能，如使能成功則狀態會有一定剛性地進行鎖定。此時，點擊運行則轉臺會根據控制信息以一定的速度運動到對應的位置。并實時形成運動曲線，如中途需停止，需點擊中止按鈕停下狀態。此外，轉臺在失能狀態時可點擊置零按鈕，使轉臺以當前位置作為零位參考點。 ※

5 結語

通過將通用控制系統進行臺體選型、電機選型、編碼器選型區分出控制臺體類型；通過將通用控制系統進行分模塊設計，實現任意一軸單獨運轉、任意兩軸運轉及三軸連續運轉，實現多軸精確定點控制；通過給出任意一軸目標位置及目標速度，實現臺體定速、定點運行。航空轉臺通用控制系統進行調試與控制雙模塊聯合調試，調試模塊進行主要的參數整定與數學擬合；控制模塊進行具體的目標速度、目標位置設定及界面顯示。同時，通用控制系統的上電與斷電保護、防飛車制動保護、軟件保護和電磁兼容保護保證了系統的安全性，硬件與軟件的穩定決定了通用系統的穩定性。