摘要：為了實(shí)現(xiàn)光電跟瞄平臺的控制回路功能，通過分析其系統(tǒng)構(gòu)成以及伺服平臺控制器進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)的必要性，提出了基于TMS320F2812的一種全數(shù)字穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了DSP數(shù)字電路和電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。試驗(yàn)結(jié)果表明該電路較好地滿足了控制回路的需求，控制精度高，運(yùn)算實(shí)時(shí)性好。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812； 穩(wěn)定平臺； 數(shù)字伺服系統(tǒng)； DSP

中圖分類號：TN71034文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2012)04018503

Design for control circuit of optoelectronic tracking platform based on TMS320F2812

YANG Ping

(1. School of Aeronautics and Astronautics， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China;

2.China Airborne Missile Acadamy， Luoyang 471009， China)

Abstract： In order to realize the functions of control loop in the stabilized platform， the structure of the stabilized platform and the necessity of the digitalization design for servo stabilized platform controller are analyzed in this paper. A digital servo system based on TMS320F2812 is presented. The DSP digital circut and driver circuit of moto are realized and validated. Experimental result proves that these hardwares have good performance in feedback speed， control accuracy and realtime operation.

Keywords： TMS320F2812; stabilized platform; digital servo system; DSP

收稿日期：201109260引言

穩(wěn)定跟蹤平臺由于能隔離載體(戰(zhàn)車、導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船)的運(yùn)動，對目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤，所以在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。對于各種車載、艦載、機(jī)載和彈載類光電成像設(shè)備，要求在載體的運(yùn)動過程中成像清晰。穩(wěn)定平臺的主要功能是：保證視軸穩(wěn)定，克服載體姿態(tài)變化對跟蹤系統(tǒng)的影響，同時(shí)要在控制指令的驅(qū)動下完成對目標(biāo)的捕獲和跟蹤［2］。它的成像穩(wěn)定一般有三種方式：機(jī)械穩(wěn)像、光學(xué)穩(wěn)像、電子穩(wěn)像。機(jī)械穩(wěn)像一般有陀螺直接穩(wěn)像和穩(wěn)定平臺穩(wěn)像兩種。陀螺直接穩(wěn)像通過將被穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)或成像器件安裝到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺上，利用陀螺的自穩(wěn)定特性實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定；穩(wěn)定平臺穩(wěn)像是將光學(xué)系統(tǒng)及成像器件安裝在一個(gè)裝有慣性傳感器陀螺的平臺上，形成陀螺穩(wěn)定平臺。

通過對穩(wěn)定平臺數(shù)字控制器進(jìn)行需求分析以及對硬件性能方面的比較之后，該系統(tǒng)電路的處理器選用TI公司的TMS320F2812。這是一款用于數(shù)字控制處理領(lǐng)域的高性能數(shù)字信號處理器，最高工作頻率可達(dá)150 MHz，是目前廣泛用于電機(jī)控制領(lǐng)域的32位定點(diǎn)DSP芯片。乘法運(yùn)算是CPU運(yùn)算中最費(fèi)時(shí)的一種運(yùn)算，在處理乘法運(yùn)算方面，F(xiàn)2812的CPU集成了一個(gè)16×16位的硬件乘法器，能夠很方便地進(jìn)行16×16位和32×32位的乘法運(yùn)算。F2812具有數(shù)字信號處理能力、強(qiáng)大的事件管理能力以及嵌入式控制功能［3］。本文基于TMS320F2812設(shè)計(jì)了一套穩(wěn)定平臺控制電路。

1系統(tǒng)組成及描述

穩(wěn)定平臺系統(tǒng)主要由臺體及控制電路組成。其中臺體由框架、測角器、電機(jī)和測速陀螺組成［4］ 。穩(wěn)定平臺根據(jù)使用要求的不同可以由兩軸、三軸及多軸組成，下面著重介紹兩軸穩(wěn)定平臺的系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1穩(wěn)定平臺臺體框圖圖中：1為方位電機(jī)；2為方位旋轉(zhuǎn)變壓器；3為俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器；4為俯仰電機(jī)；5，6為光纖陀螺；7為光學(xué)系統(tǒng)及紅外探測器。

該穩(wěn)定平臺具有方位和俯仰基本相同的兩套穩(wěn)定控制回路，通過這兩套控制回路使平臺在空間具有了穩(wěn)定視線功能。在此基礎(chǔ)上，由平臺、成像系統(tǒng)和圖像跟蹤器構(gòu)成目標(biāo)跟蹤控制回路。

平臺利用速率陀螺來測量臺體在偏航和俯仰方向上的空間角速率，構(gòu)成速率穩(wěn)定回路，回路結(jié)構(gòu)簡如圖2所示。當(dāng)載體運(yùn)動產(chǎn)生的干擾力矩作用于平臺時(shí)，臺體產(chǎn)生的角速率被陀螺敏感，其輸出電壓經(jīng)過控制電路處理后送給力矩電機(jī)產(chǎn)生相反的力矩來平衡干擾力矩從而使光軸對慣性空間穩(wěn)定［4］ 。

圖2速率穩(wěn)定回路結(jié)構(gòu)簡圖2控制電路分析與設(shè)計(jì)

2.1控制電路總體設(shè)計(jì)

平臺在干擾力矩作用下產(chǎn)生角運(yùn)動時(shí)，平臺上陀螺輸出與其運(yùn)動速率成正比的電壓，該電壓信號放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入DSP進(jìn)行運(yùn)算。DSP完成控制算法后其結(jié)果通過PWM通道輸出給電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)，抵消干擾力矩，從而保持平臺穩(wěn)定。當(dāng)它處于目標(biāo)跟蹤模式時(shí)，DSP通過SPI接口接受目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤。控制電路通過RS 422接口接受上位機(jī)指令，完成狀態(tài)切換。如圖3所示。

圖3控制電路組成框圖2.2TMS320F2812的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

電機(jī)微控制器TMS320F2812 具有下述部件:

CPU、片內(nèi)RAM，ROM，F(xiàn)LASH、專用電機(jī)控制的事件管理器和片內(nèi)外設(shè)等。主要性能如下［5］：

采用高性能靜態(tài)CMOS(StaticCMOS)技術(shù)：150 MHz(時(shí)鐘周期6.67 ns)、低功耗(核心電壓1.8 V，I/O口電壓3.3 V)、FLASH編程電壓3.3 V；高性能32位中央處理器包含16×16和32×32位的乘法累加器操作，16×16位的雙乘法累加器，哈佛總線結(jié)構(gòu)；片內(nèi)存儲器包含128K×16 b的FLASH存儲器，共計(jì)18K×16 b的單周期訪問隨機(jī)存儲器(SARAM)；3個(gè)32位的CPU定時(shí)器；2個(gè)事件管理器(EVA，EVB)；串口外圍設(shè)備：SPI、2個(gè)SCI、增強(qiáng)局域網(wǎng)絡(luò)(eCan)、多通道緩沖串行接口(McBSP)；雙12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊: 含2×18通道復(fù)用輸入接口，2個(gè)采樣保持電路，單/連續(xù)通道轉(zhuǎn)換，流水線最快轉(zhuǎn)換周期為60 ns，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為200 ns，可以使用2個(gè)事件管理器順序觸發(fā)8對模/數(shù)轉(zhuǎn)換；多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途通用輸入/輸出(GPIO)引腳。本文設(shè)計(jì)的控制電路充分利用了Ｆ2812的片內(nèi)外設(shè)，大大降低了電路的復(fù)雜程度。

2.3角度解算電路

旋轉(zhuǎn)變壓器(以下簡稱旋變)是基于電磁感應(yīng)原理而工作的，其輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化，定子、轉(zhuǎn)子均由繞組組成，相互之間沒有電刷的滑動接觸，在高低溫及振動沖擊下具有較高的可靠性。當(dāng)勵磁繞組以一定頻率的交流電壓勵磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正、余弦函數(shù)關(guān)系。旋變工作原理如圖4所示。

圖4旋變工作原理圖V2=Ksin θsin ωt； V3=Kcos θsin ωt式中：K為放大倍數(shù)，θ為定子與轉(zhuǎn)子之間的夾角。

AD2S83是一種專用的跟蹤式旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以輸出10位、12位、14位或16位的位置信號，其測量轉(zhuǎn)速最高達(dá)62 400 r/min，采用比率轉(zhuǎn)換跟蹤方式能夠連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)而沒有轉(zhuǎn)換延遲，具有較強(qiáng)的抗干擾能力［6］。AD2S83外圍電路連接如圖5所示。

圖5AD2S83的外圍電路連接圖2.4陀螺信號采樣電路

陀螺輸出信號經(jīng)過前置放大器放大后進(jìn)入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由于陀螺安裝在穩(wěn)定平臺上，而伺服控制板通常都在平臺后端的電子艙內(nèi)，信號傳輸距離較長，因此將前放電路制作為體積比較小的電路板安裝在陀螺附近進(jìn)行信號的放大，放大后再傳輸至A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換芯片選用ADS8361作為片外ADC模塊，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換精度，增加了片外外設(shè)ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A/D轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時(shí)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合數(shù)據(jù)采集的高采樣率要求的場合［7］。此外，ADS8361還提供高速雙串行接口，可以有效將DSP的MCBSP內(nèi)部時(shí)鐘作為ADS8361的時(shí)鐘，ADS8361按照CLOCK時(shí)鐘信號每20個(gè)CLOCK周期ADS8361采一次數(shù)，并由串口輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是先從高位(DB15)開始傳輸。將MCBSP的幀同步信號作為轉(zhuǎn)換開始信號CONVST。當(dāng)CONVST從低變到高，器件開始采樣保持。CLOCK為ADS8361的時(shí)鐘信號，每20個(gè)CLOCK周期ADS8361采1次數(shù)，由串口輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是先從高位(DB15)開始傳輸。CONVST為轉(zhuǎn)換開始信號。當(dāng)CONVST從低變到高，器件開始采樣保持不依賴于狀態(tài)和外部時(shí)鐘。RD是串行輸出的同步脈沖。將它設(shè)置成與CONVST信號一致，即可以正常工作。CS為片選信號，低電平選通。ADS8361有4種工作模式，由A0，M0，M1共同控制。這里選用的是它的工作模式1 ，即A0=0，M0=0，M1=0，通道0和1同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖6為ADS8361與F2812的連接圖。

圖6ADS8361與Ｆ2812連接圖2.5電機(jī)驅(qū)動電路

本文采用了永磁式直流力矩電機(jī)，使用PWM方式驅(qū)動，與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比有下列優(yōu)點(diǎn)［8］:由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好；同樣，由于開關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的頻帶；開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。

A3952SB是Allegro公司生產(chǎn)的一片全橋式的PWM驅(qū)動芯片，可以連續(xù)工作于輸出電流為±2 A，電壓為50 V的情況下。內(nèi)置的離線PWM電流控制電路可以用來調(diào)整最大負(fù)載電流到期望值。內(nèi)部電路保護(hù)還包括帶滯后的高溫掉電、濾波二極管和電流交叉保護(hù)功能。

電機(jī)驅(qū)動采用PWM方式，有效的利用了DSP TMS320F2812的片上資源。工作原理圖如圖7所示。

圖7電機(jī)驅(qū)動原理圖為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行和良好的動態(tài)特性，流過電機(jī)的電流經(jīng)放大后送到TMS320F2812內(nèi)部的A/D進(jìn)行采樣。

2.6外圍通信接口

TMS320F2812內(nèi)部設(shè)有串行通信模塊，利用串行通信模塊配置RS 422串口與外圍系統(tǒng)、測試設(shè)備等的上位機(jī)進(jìn)行通信，如圖8所示。可以采用定長幀的通信協(xié)議，上位機(jī)發(fā)送指令，DSP處理器則對命令進(jìn)行響應(yīng)。

圖8RS 422串口與外圍通信接口示意圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控制電路設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化、中斷服務(wù)程序、控制算法實(shí)現(xiàn)、特殊情況處理等。控制算法優(yōu)先考慮工程中較為成熟的PID控制。在平臺結(jié)構(gòu)件、光學(xué)件及各傳感器安裝完成后，控制電路對平臺實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。將穩(wěn)定平臺安裝在仿真轉(zhuǎn)臺上，通過目標(biāo)模擬器產(chǎn)生目標(biāo)，驅(qū)動仿真轉(zhuǎn)臺相對目標(biāo)作3°，3 Hz正弦擺動，此時(shí)穩(wěn)定平臺工作在穩(wěn)定狀態(tài)，光軸相對空間穩(wěn)定。 對穩(wěn)定平臺上的紅外探測器產(chǎn)生的圖像進(jìn)行觀察并記錄和分析，結(jié)論是像點(diǎn)穩(wěn)定，抖動量約為1個(gè)象素，滿足系統(tǒng)性能需求，所以得出結(jié)論，以數(shù)字處理器TMS320F2812為核心組成的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對穩(wěn)定平臺的控制。